Vektorisäätö (SVPWM): Kuinka ohjain tuottaa siniaaltoja kuudella kytkimellä
Vektorikomento laskee jatkuvasti jännitteen, joka on syötettävä moottorille. Tämä jännite on tuotettava kuuden kytkimen avulla, jotka osaavat vain kaksi asiaa: olla auki tai kiinni. Tässä tulee modulaation rooli, ja yleisin menetelmä on vektorimodulaatio, tai SVPWM ("Space Vector Pulse Width Modulation").
Tärkeimmät asiat
- Kolivaiheinen kytkentä mahdollistaa vain kahdeksan mahdollista yhdistelmää: kuusi, jotka syöttävät jännitettä moottorille, ja kaksi, jotka eivät syötä.
- SVPWM-tekniikka tuottaa minkä tahansa jännitteen vaihtamalla erittäin nopeasti kahden lähellä olevan yhdistelmän ja yhden nollayhdistelmän välillä.
- Se siitä saadaan noin 15 % enemmän käyttökelpoista jännitettä akusta kuin yksinkertaisella siniaalto-ohjauksella.
- Korkeampi käyttöjännite tarkoittaa suurempaa maksiminopeutta samalla akulla.
Kahdeksan osavaltiota, ei yhtäkään enempää
Jokainen moottorin vaihe on kytketty joko akun positiiviseen tai negatiiviseen napaan sen mukaan, kumpi sen kahdesta kytkimestä on suljettu (katso moottorinohjaimen sisäpuoli). Koska jokaisessa vaiheessa on kolme vaihetta ja kaksi mahdollista asentoa, on olemassa 2 × 2 × 2 = 8 eri yhdistelmää.
- Kuusi aktiivista yhdistelmää: Vähintään yksi vaihe on maksimissa ja vähintään yksi on minimissä. Jokainen yhdistelmä ohjaa moottorin magneettikenttää tiettyyn suuntaan. Nämä kuusi suuntaa ovat 60 asteen välein ja muodostavat kuusikulmion.
- Kaksi nollakombinaatiota: Joko kaikki kolme vaihetta, tai vähintään kolme. Yhtään jännitettä ei ole kytketty vaiheiden välille.
Tuottaa mikä tahansa jännite keskiarvon avulla
Vektoritoiminto vaatii tietyn voimakkuuden ja suunnan omaavan jännitteen, joka pyörii roottorin mukana. Tämä suunta on lähes aina jomman kumman kuudesta mahdollisesta suunnasta.
SVPWM-tekniikan perusidea on yksinkertainen: jokaisen jakson aikana, ensimmäiseen suuntaan kohdistetaan jännite tietyksi ajaksi, toiseen suuntaan tietyksi ajaksi, ja nollajännite lopuksi. Keskimäärin jakson aikana, moottori "näkee" juuri sen jännitteen, joka on pyydetty. Mitä suurempi haluttu jännite on, sitä vähemmän aikaa jää nollajännitteelle.
Moottorin käämitykset tasoittavat näitä pulsseja. Koska jakso toistuu kymmeniä tuhansia kertoja sekunnissa, saatu virta on lähes täydellinen siniaalto.
Miksi 15 % suurempi jännite?
Yksinkertaisella siniaalto-modulaatiolla jokainen vaihe seuraa omaa siniaaltoaan, ja se on keskittynyt puoleen akun jännitteestä. Sen amplitudi ei voi ylittää tätä puolta: jännite kahden vaiheen välillä ei voi ylittää sitä, mitä akku voisi antaa.
Moottori havaitsee vain jännitteiden erot sen eri vaiheiden välillä. SVPWM-ohjaus hyödyntää tätä: se siirtää jatkuvasti kolmen vaiheen "keskipistettä" hyödyntääkseen koko akun jännitettä. Käytettävissä olevan jännitteen yläraja kasvaa puolelta akun jännitteestä noin 58 prosenttiin (yksi jaettuna kolmen neliöjuurella), mikä tarkoittaa noin 15 prosentin parannusta.
Käytännössä, samalla akulla ja samalla moottorilla, maksiminopeus ennen kentän heikennystä on korkeampi. Saman tuloksen saa lisäämällä jokaiseen siniaaltoon komponentin, jonka taajuus on kolme kertaa alkuperäinen, ja joka kumoutuu vaiheiden välillä: se on sama tekniikka, mutta eri tavalla toteutettuna.
Yli rajojen: ylimääräinen modulointi
Kun vaadittu jännite ylittää sen, mitä kuusikulmainen järjestelmä pystyy tuottamaan jatkuvasti, ohjain voi silti saavuttaa hieman enemmän muokkaamalla siniaaltoa. Tämä voi johtaa siihen, että käytetään vain kuusi aktiivista yhdistelmää, yksi joka kuudennen kierroksen kohdalla: tämä on "kuusi askelta" -aalto. Näin saavutetaan muutama prosentti enemmän jännitettä, mutta sen kustannuksella saadaan epäsäännöllisempi virta, lisämenetyksiä ja kohinaa.
Käytännön kannalta tärkeät yksityiskohdat
- Viiveaika, joka syntyy kytkimen avautumisen ja toisen kytkimen sulkeutumisen välillä, vääristää hieman tuotettua jännitettä. Laadukkaat ohjaimet kompensoivat tämän.
- Virran mittaus suoritetaan "nollapisteessä", jolloin virta kulkee mittausvastusten läpi ilman häiriöitä. Erittäin korkeilla jännitteillä tämä aikaväli lyhenee.
- Symmetrinen sijoittelu nollakombinaatioille jokaisen jakson alussa ja lopussa vähentää virran aaltoilua ja kohinaa.
Usein kysytyt kysymykset
Lisääkö SVPWM-tekniikka moottorin tehoa?
Se ei muuta maksimivääntöä, joka on määritetty virran perusteella. Se mahdollistaa akun jännitteen paremman hyödyntämisen, mikä tarkoittaa, että vääntö säilyy korkeammilla nopeuksilla ja saavutetaan korkeampi maksiminopeus.
Käyttävätkö kaikki FOC-ohjaimet SVPWM-tekniikkaa?
Useimmat nykyaikaiset ohjaimet käyttävät SVPWM-tekniikkaa tai vastaavaa menetelmää. Jotkut yksinkertaisemmat ohjaimet käyttävät edelleen perinteistä siniaalto-modulaatiota, mikä johtaa hieman alhaisempaan käyttöjännitykseen.
Mistä nimi "vektoriohjattu" (tai "vektorivetoinen") on peräisin?
Jokainen moottorin ohjaimen konfiguraatio esitetään nuolella, eli vektorilla, moottorin tasossa. Haluttu jännite on myös nuoli, joka muodostetaan laskemalla yhteen kaksi vierekkäistä vektoria oikeissa suhteissa.