Το ρεύμα βρόχου ενός ελεγκτή: ρυθμιστές PI, απολαβές και εύρος ζώνης

Όταν επιταχύνετε, δεν δίνετε εντολή για τάση, αλλά για ροπή, συνεπώς για ρεύμα. Ο ελεγκτής πρέπει να διασφαλίζει ότι το πραγματικό ρεύμα στον κινητήρα ακολουθεί αυτή την τιμή αναφοράς, παρά την αλλαγή της ταχύτητας, την πτώση της τάσης της μπαταρίας και τη θέρμανση του κινητήρα. Αυτή η εργασία ανατίθεται σε έναν βρόχο ρεύματος, δομημένο γύρω από τους λεγόμενους PI ρυθμιστές. Η ρύθμισή τους κάνει τη διαφορά ανάμεσα σε έναν ομαλό και ακριβή κινητήρα και σε έναν κινητήρα που σφυρίζει, δονείται ή αντιδρά νωθρά.

Ο ρόλος του βρόχου ρεύματος

Στη διανυσματική οδήγηση FOC, ρυθμίζονται δύο ρεύματα: το ρεύμα q, το οποίο παράγει τη ροπή, και το ρεύμα d, το οποίο διατηρείται στο μηδέν ή χρησιμοποιείται για την αποδυνάμωση πεδίου. Κάθε άξονας έχει τον ρυθμιστή του. Σε κάθε περίοδο διακοπής, λαμβάνουν τη διαφορά μεταξύ της τιμής αναφοράς και της μέτρησης και υπολογίζουν την τάση που πρέπει να εφαρμοστεί.

P όπως αναλογικός (Proportional)

Ο αναλογικός όρος εφαρμόζει μια διόρθωση ανάλογη με τη διαφορά: μεγάλη διαφορά, μεγάλη διόρθωση. Αντιδρά αμέσως. Ωστόσο, από μόνος του αφήνει μια μικρή μόνιμη διαφορά, διότι απαιτείται διαφορά για να ενεργήσει. Και αν η απολαβή του είναι πολύ υψηλή, διορθώνει υπερβολικά: το ρεύμα ταλαντώνεται γύρω από την τιμή αναφοράς.

I όπως ολοκληρωτικός (Integral)

Ο ολοκληρωτικός όρος αθροίζει τη διαφορά με την πάροδο του χρόνου. Όσο επιμένει μια διαφορά, έστω και μικρή, η διόρθωσή του μεγαλώνει, μέχρι να την εξαλείψει. Αυτός είναι που αντισταθμίζει, για παράδειγμα, την τάση που παράγεται από τον κινητήρα καθώς περιστρέφεται, η οποία αυξάνεται με την ταχύτητα. Εάν είναι πολύ ισχυρός, προκαλεί υπερβάσεις και αργές ταλαντώσεις.

Υπολογισμός των απολαβών από τον κινητήρα

Για τον βρόχο ρεύματος, μια περιέλιξη κινητήρα συμπεριφέρεται ως αντίσταση σε σειρά με επαγωγέα. Αυτό επιτρέπει μια μεθοδική ρύθμιση:

• επιλέγεται η επιθυμητή ταχύτητα του βρόχου, το εύρος ζώνης του·
• η αναλογική απολαβή ισούται με την επαγωγική ικανότητα πολλαπλασιασμένη με αυτό το εύρος ζώνης·
• η ολοκληρωτική απολαβή ισούται με την αντίσταση πολλαπλασιασμένη με το ίδιο εύρος ζώνης.

Με αυτή την επιλογή, ο ρυθμιστής αντισταθμίζει ακριβώς τη συμπεριφορά της περιέλιξης και το ρεύμα ακολουθεί την τιμή αναφοράς με την επιλεγμένη ταχύτητα, χωρίς υπέρβαση. Γι' αυτόν τον λόγο η ανίχνευση κινητήρα μετρά την αντίσταση και την επαγωγική ικανότητα: οι απολαβές προκύπτουν από αυτές.

Μέχρι πού να φτάσετε στην ταχύτητα

Θα θέλαμε έναν βρόχο όσο το δυνατόν γρηγορότερο. Αλλά περιορίζεται από τη συχνότητα με την οποία ο ελεγκτής μετρά και διορθώνει, δηλαδή τη συχνότητα διακοπής PWM, καθώς και από τις καθυστερήσεις μέτρησης και υπολογισμού. Στην πράξη, διατηρούμε το εύρος ζώνης του βρόχου σαφώς κάτω από τη συχνότητα διακοπής. Πέρα από αυτό, ο βρόχος γίνεται ασταθής: ο κινητήρας σφυρίζει, το ρεύμα ταλαντώνεται, ο ελεγκτής μπορεί να ενεργοποιήσει προστασία υπερέντασης.

Όταν λείπει η τάση: ο κορεσμός

Σε υψηλή ταχύτητα, ο ρυθμιστής μπορεί να ζητήσει περισσότερη τάση από όση παρέχει η μπαταρία. Η εφαρμοζόμενη τάση φτάνει σε ανώτατο όριο, το ρεύμα δεν ακολουθεί πλέον και ο ολοκληρωτικός όρος συνεχίζει να συσσωρεύει τη διαφορά. Όταν η κατάσταση αποκατασταθεί, αυτή η συσσωρευμένη τιμή προκαλεί ένα τίναγμα. Συνεπώς, οι σοβαροί ελεγκτές περιορίζουν τη συσσώρευση κατά τη διάρκεια του κορεσμού: αυτό είναι το anti-windup του ολοκληρωτή. Σε αυτή την περιοχή γίνεται επίσης χρήση του field weakening (αποδυνάμωσης πεδίου).

Οι βρόχοι γύρω από τον βρόχο ρεύματος

Ο βρόχος ρεύματος είναι ο ταχύτερος και ο εσωτερικός. Άλλοι, πιο αργοί βρόχοι, μπορούν να βασιστούν σε αυτόν:

• ένας βρόχος ταχύτητας, ο οποίος καθορίζει την τιμή αναφοράς ρεύματος για τη διατήρηση μιας ταχύτητας (ρυθμιστής ταχύτητας, περιορισμός)·
• ένας βρόχος θέσης, για ρομπότ και ενεργοποιητές·
• περιοριστές, οι οποίοι μειώνουν την τιμή αναφοράς ανάλογα με τη θερμοκρασία ή την τάση της μπαταρίας.

Σε ένα πατίνι, το γκάζι συνήθως ελέγχει απευθείας την τιμή αναφοράς ρεύματος: αυτό είναι που δίνει μια αίσθηση άμεσης και ελεγχόμενης ροπής.