Die Erklärung der feldorientierten Regelung (FOC): Clarke, Park, dq-Achsen

Fast alle modernen Hochleistungscontroller steuern ihre Motoren im Vektorregelungsverfahren, das besser unter seinem englischen Namen FOC („Field Oriented Control“, feldorientierte Regelung) bekannt ist. Es ist bekannt, dass es den Motor leiser und effizienter macht. Dieser Leitfaden erklärt, wie dies erreicht wird, ohne komplizierte Gleichungen, aber auch ohne etwas zu beschönigen.

Das zu lösende Problem

Ein Permanentmagnetmotor verfügt über Magnete an seinem rotierenden Teil (dem Rotor) und Wicklungen an seinem feststehenden Teil (dem Stator). Der Strom in den Wicklungen erzeugt ein Magnetfeld; die Magnete haben ihr eigenes. Das Drehmoment entsteht durch die Anziehungskraft zwischen den beiden Feldern, genau wie bei zwei sich nähernden Magneten.

Dieses Drehmoment ist maximal, wenn das Magnetfeld der Wicklungen um ein Viertel einer Umdrehung, also 90°, vor dem Magnetfeld der Magnete liegt. Je näher die Position ist, desto weniger Schub wird erzeugt und desto mehr Wärme entsteht; bei 0° erzeugt er nur Wärme im Motor. Da der Rotor sich dreht, muss das Magnetfeld der Wicklungen mit ihm rotieren und dabei diesen Winkel beibehalten, und das hunderte Male pro Sekunde.

Die Pulsweitenmodulation (PWM) beschränkt sich auf sechs Positionen pro Umdrehung des Motors: der Winkel variiert um etwa 90°, erreicht diesen Wert aber nie dauerhaft. Dies führt zu Drehmoment-Schwankungen und Geräuschen. Die feldorientierte Regelung (FOC) hingegen zielt darauf ab, einen Winkel von 90° kontinuierlich beizubehalten.

Schritt 1: Messen Sie die Ströme und ermitteln Sie die Position

Der Controller misst den Strom in den Motorphasen zehntausende Male pro Sekunde. Da die Summe der drei Ströme theoretisch Null ist, reichen es, zwei davon zu messen; viele Controller messen jedoch drei Ströme, um eine höhere Genauigkeit zu erzielen.

Er benötigt auch den Rotorwinkel, der entweder durch Sensoren (Hall, Encoder) ermittelt oder durch eine Berechnung, die als "Observer" bezeichnet wird, aus den Spannungen und Strömen geschätzt wird. Unser Leitfaden zu Positionssensoren erläutert diese Lösungen im Detail.

Schritt 2: Clarke-Transformation, von drei Strömen zu zwei

Die drei Phasen des Motors sind um 120° versetzt. Die Clarke-Transformation fasst die drei Ströme in zwei senkrechten Komponenten zusammen, die Alpha und Beta genannt werden, ohne dabei Informationen zu verlieren. Dadurch wird ein System mit drei Achsen in eine gewöhnliche, zweidimensionale Ebene mit zwei Achsen überführt. Diese beiden Ströme bleiben wechselstromartig: sie drehen sich mit dem Motor.

Schritt 3: Parken und beobachten vom Rotor aus

Das ist die zentrale Idee hinter der FOC (Field-Oriented Control). Die Park-Transformation rotiert dieses Diagramm mit dem Rotor und nutzt dessen Winkel. Betrachtet man es aus der Perspektive des Rotors, dreht sich der Strom nicht mehr: er wird zu zwei nahezu konstanten Werten.

• `Der Strom (für „direkt“) ist parallel zum Magnetfeld ausgerichtet. Er erzeugt kein Drehmoment in einem bürstenlosen Gleichstrommotor mit eingelagerten Magneten; er verstärkt oder schwächt stattdessen das Magnetfeld.`
• `Der Strom q` (für „Quadratur“) steht in einem Winkel von 90° zu den Magneten. Er erzeugt das Drehmoment, und zwar proportional.

Das Fahren eines dreiphasigen Wechselstrommotors wird dadurch so einfach wie das Fahren eines Gleichstrommotors: Man stellt zwei feste Werte ein, anstatt drei Sinuskurven zu verfolgen.

Schritt 4: Die Regler

Der Beschleuniger legt einen Drehmoment- bzw. Stromwert (q) fest. Der Stromwert (d) ist im Normalfall Null. Zwei Regler, jeweils einer pro Achse, vergleichen kontinuierlich den gemessenen Strom mit dem Sollwert und berechnen die Spannung, die angelegt werden muss, um die Abweichung zu korrigieren. Dies sind in der Regel sogenannte Proportional-Integral-Regler (PI), deren Einstellungen von der Wicklungs- und Streuinduktivität des Motors abhängen. Um diese Werte zu berechnen, führt man die Motorkennung durch.

Schritt 5: Rückwärtsfahren und Ansteuerung

Die Regler liefern zwei Spannungen im Bezugssystem des Rotors. Die Park-Transformation wandelt diese Spannungen zurück in das feste Bezugssystem des Stators, woraufhin der Controller sie in Öffnungs- und Schließbefehle für die sechs Schalter des Leistungselektronik-Brückenschaltkreises übersetzt. Dieser letzte Schritt wird als Modulation bezeichnet; die am weitesten verbreitete Methode, die sogenannte vektorielle Modulation (SVPWM), holt etwas mehr nutzbare Spannung aus der Batterie als die einfache sinusförmige Modulation.

Der gesamte Zyklus wiederholt sich bei jeder Schaltperiode, typischerweise zehntausende Male pro Sekunde. Unser Leitfaden zum Inneren eines Motorcontrollers zeigt die Hardware, die diese Befehle ausführt.

Was FOC konkret bedeutet:

• Ein reguläres Drehmoment : Weniger Vibrationen, ein sanfter Start, ein leiserer Motor.
• `Bessere Effizienz: Jeder Stromfluss wird dort eingesetzt, wo er Drehmoment erzeugt, was die Erwärmung bei gleichem Drehmoment reduziert.`
• `Eine direkte Drehmomentsteuerung : Der Gashebel steuert eine Kraft, was eine präzise Fahrweise ermöglicht.`
• Feldabschwächung (Defluxage): Durch die Beeinflussung des Stroms kann die maximale "natürliche" Drehzahl des Motors überschritten werden. Sehen Sie sich unseren Leitfaden zur Feldabschwächung an.

Die Grenzen

• Die FOC-Ansteuerung (Field-Oriented Control) ist von einer korrekten Rotorposition abhängig. Ein Fehler in der Winkelmessung führt zu einem Leistungsverlust und kann dazu führen, dass der Motor überhitzt.
• Sie basiert auf einem Motormodell: Falsche Parameter (fehlende Erkennung, Motor, der stark überhitzt wurde) beeinträchtigen die Leistung.
• Sie erfordert mehr Rechenleistung, daher ist ein schnellerer Mikrocontroller erforderlich als bei einer Steuerung mit Rechteckwellen.