Vektorikomento (FOC) selitettynä: Clarke, Park, d- ja q-akselit

Lähes kaikki nykyiset suorituskykyiset ohjaimet ohjaavat moottoreitaan vektoriohjauksella, joka tunnetaan paremmin englanninkielisellä nimellä FOC ("Field Oriented Control", kenttäohjattu ohjaus). Tiedetään, että se tekee moottorista hiljaisemman ja tehokkaamman. Tämä opas selittää, miten tämä toimii, ilman monimutkaisia yhtälöitä, mutta ilman, että mitään jätetään pois.

Ratkaistava ongelma

Pysyvämagneettimoottorissa on magneetteja sen pyörivässä osassa (roottorissa) ja keloja sen kiinteässä osassa (staattorissa). Keloihin virran syöttäminen luo magneettikentän; magneeteilla on oma magneettikenttänsä. Vääntömomentti syntyy näiden kahden kentän välisestä vuorovaikutuksesta, aivan kuten kahden magneetin lähestyessä toisiaan.

Tämä vääntömomentti on maksimissaan, kun kelojen magneettikenttä on neljänneksen kierroksen eli 90 asteen edellä magneettien kentästä. Lähempänä, se tuottaa vähemmän vääntöä ja lämpenee yhtä paljon; 0 asteen kohdalla se vain lämmittää moottoria. Koska roottori pyörii, kelojen magneettikentän on pyörittävä sen mukana säilyttäen tämä kulma satoja kertoja sekunnissa.

Neliöaalto-ohjaus käyttää vain kuutta asentoa per kierros, ja kulma vaihtelee noin 90 asteen ympärillä, mutta ei koskaan pysy siinä. Tästä johtuvat vääntöjen vaihtelut ja melu. FOC-ohjaus puolestaan pyrkii jatkuvasti 90 asteen kulmaan.

Vaihe 1: Mittaa virrat ja määritä moottorin asento

Ohjain mittaa virran moottorin eri vaiheissa jopa kymmeniä tuhansia kertoja sekunnissa. Koska kolmen virran summa on nolla, teoriassa riittää mitata kaksi niistä; monet ohjaimet mittaavat kaikki kolme tarkemman tuloksen saavuttamiseksi.

Hänen on myös tiedettävä roottorin kulma, joka saadaan antureiden (Hall, enkooderi) avulla tai arvioituna laskennan avulla, jota kutsutaan "observaattoriksi", käyttäen jännitteitä ja virtoja. Oppaamme moottorin asentoantureista (Hall, enkooderi, resoluutio) selventää näitä ratkaisuja.

Vaihe 2: Clarke-muunnos, kolmesta virtakomponentista kahteen

Moottorin kolme vaihetta on sijoitettu 120 asteen kulman etäisyydelle toisistaan. Clarken muunnos yhdistää kolme virtaa kahteen toisiaan kohtisuoraan olevaan komponenttiin, joita kutsutaan alfavirraksi ja betavirraksi, ilman, että tietoa menetetään. Tämä muuntaa kolmiakselisen järjestelmän tavalliseksi, kaksiakseliseksi tasoksi. Nämä kaksi virtaa pysyvät vaihtovirtana: ne pyörivät moottorin mukana.

Vaihe 3: Pysäytä, tarkista roottorista

FOC-tekniikan keskeinen idea on tämä. Parkin muunnos pyörittää tätä tasoa roottorin mukana, hyödyntäen sen kulmaa. Roottorista katsottuna virta ei enää pyöri: se muuttuu kahdeksi lähes vakiona olevaksi arvoksi.

• Suora virta (lyhenne sanasta "direct") on linjassa magneettikentän kanssa. Se ei tuota vääntömomenttia pintamagneettimoottorissa; sen sijaan se vahvistaa tai heikentää magneettikenttää.
• Virta q (joka tarkoittaa "kvadratuuria") on 90 asteen kulmassa magneetteihin nähden. Juuri tämä virta tuottaa vääntömomentin, ja se on suoraan verrannollinen virran suuruuteen.

Kolmivaiheisen vaihtovirtamoottorin ohjaamisesta tulee näin yhtä helppoa kuin tasavirta-moottorin ohjaaminen: sen sijaan, että yrittäisi hallita kolmea siniaaltoa, säädetään vain kaksi kiinteää arvoa.

Vaihe 4: Ohjaimet

Kaasun anturi asettaa vääntömomentin, eli virran q, tavoitteen. Normaaliolosuhteissa virran d tavoite on nolla. Kaksi säätöä, yksi per akseli, vertaavat jatkuvasti mitattua virtaa sen tavoitteeseen ja laskevat tarvittavan jännitteen poikkeaman korjaamiseksi. Nämä ovat yleensä niin sanottuja proporationaalisuus-integraali (PI) -säätimiä, joiden asetukset riippuvat moottorin vastuksesta ja induktanssista. Juuri näiden laskemiseksi tehdään moottorin tunnistus.

Vaihe 5: Käänteinen ajo ja säätö

Säätölaitteet tuottavat kaksi jännitettä roottorin koordinaatistossa. Parkin muunnos kääntää nämä jännitteet takaisin staattorin kiinteään koordinaatistoon, jonka jälkeen ohjain muuntaa ne avaus- ja sulkemiskäskyiksi kuudelle tehosillan kytkimelle. Tätä viimeistä vaihetta kutsutaan moduloinniksi; yleisin menetelmä, eli vektorimodulaatio (SVPWM), saa hieman enemmän käyttökelpoista jännitettä akusta kuin pelkkä sinimuotoinen modulointi.

Koko tämä sykli toistuu jokaisessa katkaisujaksossa, tyypillisesti kymmeniä tuhansia kertoja sekunnissa. Oppaamme, joka käsittelee moottorinohjaimen sisäistä rakennetta, esittelee laitteiston, joka suorittaa nämä komennot.

Mitä FOC (Field-Oriented Control) käytännössä tuo mukanaan

• Normaali parin muodostus: vähemmän tärinää, pehmeämpi käynnistys, hiljaisempi moottori.
• Parempi hyötysuhde: Jokainen ampeeri ohjataan sinne, missä se tuottaa vääntöä, mikä vähentää lämpenemistä samalla vääntömomentilla.
• Suora vääntömomentin säätö: Kaasun käyttö määrittää voiman, mikä tekee ajamisesta tarkempaa.
• Virran heikennys (defluxage): Säätämällä moottorin virtaa, voidaan ylittää sen "luonnollinen" maksiminopeus. Katso oppaamme virran heikkennyksestä (defluxage).

Rajoitukset

• FOC-toiminto vaatii tarkan roottorin asennon. Pienikin kulma-virhe johtaa vääntömomentin menetykseen ja moottorin ylikuumenemiseen.
• Se tämä johtuu moottorin asetuksista: virheelliset parametrit (esimerkiksi virheellinen anturidata tai moottorin ylikuumeneminen) heikentävät ajokokemusta.
• Se tämä vaatii enemmän laskentatehoa, joten tarvitaan nopeampi mikrokontrolleri kuin pelkkä kytkentäpulssisäätö.