Die Vektorregelung (SVPWM): Wie ein Controller Sinuswellen mit sechs Schaltern erzeugt
Die Vektorregelung berechnet in jedem Moment die Spannung, die an den Motor angelegt werden muss. Diese Spannung muss dann mit einer Brücke aus sechs Schaltern erzeugt werden, die nur zwei Zustände kennen: offen oder geschlossen. Hier kommt die Modulation ins Spiel, und die am weitesten verbreitete Methode wird als Vektormodulation oder SVPWM („Space Vector Pulse Width Modulation“) bezeichnet.
Das Wichtigste
- Die Drehstrombrücke hat nur acht mögliche Kombinationen: sechs, die eine Spannung an den Motor senden, und zwei, die keine Spannung senden.
- Die SVPWM-Technologie erzeugt jede beliebige Spannung, indem sie sehr schnell zwischen zwei benachbarten Kombinationen und einer Null-Kombination wechselt.
- Sie entnimmt der Batterie etwa 15 % mehr nutzbare Spannung als eine einfache Sinuswellenmodulation.
- Höhere nutzbare Spannung bedeutet eine höhere maximale Geschwindigkeit, auch wenn die Batterie gleich bleibt.
Acht Staaten, nicht einen mehr
Jede Phase des Motors ist entweder mit dem Plus- oder dem Minuspol der Batterie verbunden, abhängig davon, welcher der beiden Schalter geschlossen ist (siehe das Innere eines Motorcontrollers). Mit drei Phasen und jeweils zwei Positionen gibt es 2 × 2 × 2 = 8 Kombinationen.
- Sechs aktive Kombinationen: Mindestens eine Phase ist maximal und mindestens eine ist minimal. Jede Kombination treibt das Magnetfeld des Motors in eine feste Richtung. Diese sechs Richtungen sind um 60° versetzt und bilden ein Hexagon.
- `Zwei Nullkombinationen: entweder die drei Phasen maximal oder die drei Phasen minimal. Es wird keine Spannung zwischen den Phasen angelegt.`
Eine beliebige Spannung durch Mittelwertbildung erzeugen
Die Vektorsteuerung erfordert eine Spannung mit einer bestimmten Stärke und Richtung, die sich mit dem Rotor dreht. Diese Richtung liegt fast immer zwischen zwei der sechs verfügbaren Richtungen.
Die Idee hinter SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) ist einfach: Während jeder Schaltperiode wird die erste benachbarte Richtung für einen Bruchteil der Zeit, die zweite für einen anderen Bruchteil und eine Null-Kombination für den Rest der Zeit angelegt. Im Durchschnitt über die Periode "sieht" der Motor genau die gewünschte Spannung. Je höher die gewünschte Spannung ist, desto weniger Zeit bleibt für die Null-Kombination.
Die Wicklungen des Motors glätten diese Impulse. Da sich die Periode zehntausende Male pro Sekunde wiederholt, ist der resultierende Strom eine nahezu perfekte Sinuswelle.
Warum 15 % mehr Spannung?
Mit einer einfachen Sinuswellmodulation folgt jede Phase ihrer eigenen Sinuswelle, die auf der Hälfte der Batteriespannung zentriert ist. Ihre Amplitude darf diese Hälfte nicht überschreiten: die Spannung zwischen zwei Phasen ist dann auf einen Wert begrenzt, der unter dem liegt, den die Batterie liefern könnte.
Der Motor erfasst lediglich die Spannungsunterschiede zwischen seinen Phasen. Die SVPWM-Steuerung nutzt dies aus: Sie verschiebt kontinuierlich den gemeinsamen "Mittelpunkt" der drei Phasen, um die gesamte Batteriespannung auszunutzen. Der nutzbare Spannungsgrenzwert steigt von etwa der Hälfte der Batteriespannung auf etwa 58 % (1 geteilt durch die Quadratwurzel von drei), was einer Leistungssteigerung von etwa 15 % entspricht.
Konkret bedeutet das, dass mit derselben Batterie und demselben Motor die maximale Geschwindigkeit vor Feldabschwächung höher ist. Man erzielt das gleiche Ergebnis, indem man zu jeder Sinuswelle eine Komponente hinzufügt, deren Frequenz das Dreifache der ursprünglichen Frequenz beträgt, wodurch sich diese zwischen den Phasen aufhebt: es ist die gleiche Technik, nur anders betrachtet.
Jenseits dessen: Übermodulation
Wenn die angeforderte Spannung den Wert überschreitet, den das Hexagon kontinuierlich liefern kann, kann der Controller immer noch etwas Leistung gewinnen, indem er die Sinuswelle verzerrt. Er reduziert die Anzahl der aktiven Kombinationen auf sechs, jeweils für ein Sechstel einer Umdrehung: dies ist die "Sechs-Schritt"-Welle. Man gewinnt einige Prozent an Spannung, allerdings auf Kosten eines weniger sinusförmigen Stroms, zusätzlicher Verluste und Geräusche.
Die Details, die in der Praxis wichtig sind
- Die Totzeit zwischen dem Öffnen eines Schalters und dem Schließen des anderen verzerrt die erzeugte Spannung leicht. Gute Controller gleichen dies aus.
- `Die Strommessung erfolgt während einer Nullkombination, wenn der Strom durch die Messwiderstände fließt, ohne gestört zu werden. Bei sehr hoher angeforderter Spannung verkleinert sich dieser Zeitraum. `
- `Die symmetrische Anordnung der Nullkombinationen am Anfang und Ende jeder Periode reduziert Stromwellen und Rauschen.`
Häufig gestellte Fragen
Macht die SVPWM den Motor leistungsstärker?
Sie verändert das maximale Drehmoment nicht, welches durch den Strom begrenzt ist. Sie ermöglicht es, die Batteriespannung besser auszunutzen, wodurch das Drehmoment bei höheren Geschwindigkeiten erhalten bleibt und eine höhere maximale Geschwindigkeit erreicht werden kann.
Verwenden alle FOC-Controller die SVPWM-Technologie?
Die meisten modernen Controller verwenden SVPWM oder eine äquivalente Methode. Einige einfachere Controller verwenden weiterhin eine klassische Sinuswellmodulation, was zu einer etwas geringeren effektiven Spannung führt.
Woher kommt der Name "vektorielle"?
Jede mögliche Kombination der Brückenschaltungen wird durch einen Pfeil, einen Vektor, in der Ebene des Motors dargestellt. Die gewünschte Spannung ist ebenfalls ein Pfeil, der durch die Addition der beiden benachbarten Vektoren in den richtigen Verhältnissen erzeugt wird.