Vektorska modulacija (SVPWM): kako kontroler stvara sinusoide sa šest prekidača

Vektorsko upravljanje u svakom trenutku izračunava napon koji treba primijeniti na motor. Preostaje ga proizvesti pomoću mosta sa šest prekidača koji znaju samo dvije stvari: biti otvoreni ili zatvoreni. To je uloga modulacije, a najraširenija metoda zove se vektorska modulacija ili SVPWM ("Space Vector Pulse Width Modulation").

Osam stanja, ni jedno više

Svaka faza motora spojena je ili na plus ili na minus baterije, ovisno o tome koji je od njezina dva prekidača zatvoren (vidi unutrašnjost kontrolera). S tri faze i dvije pozicije za svaku, postoji 2 × 2 × 2 = 8 kombinacija.

• Šest aktivnih kombinacija: barem jedna faza je na plusu, a barem jedna na minusu. Svaka gura polje motora u fiksnom smjeru. Ovih šest smjerova razmaknuto je za 60° i tvore šesterokut.
• Dvije nulte kombinacije: sve tri faze na plusu ili sve tri na minusu. Između faza se ne primjenjuje nikakav napon.

Stvaranje bilo kojeg napona pomoću prosjeka

Vektorsko upravljanje zahtijeva napon određene snage, u određenom smjeru, koji se okreće s rotorom. Taj smjer gotovo uvijek pada između dva od šest dostupnih smjerova.

Ideja SVPWM-a je jednostavna: tijekom svakog perioda prebacivanja, primjenjujemo prvi susjedni smjer tijekom dijela vremena, drugi tijekom drugog dijela, a nultu kombinaciju ostatak vremena. U prosjeku tijekom perioda, motor "vidi" točno traženi napon. Što je željeni napon jači, manje vremena ostaje za nultu kombinaciju.

Namoti motora izglađuju te impulse. Budući da se period ponavlja desetke tisuća puta u sekundi, dobivena struja je gotovo savršena sinusoida.

Zašto 15 % više napona

Kod jednostavne sinusne modulacije, svaka faza prati svoju sinusoidu, centriranu na polovicu napona baterije. Njezina amplituda ne može premašiti tu polovicu: napon između dvije faze tada doseže gornju granicu ispod onoga što bi baterija mogla dati.

Motor, pak, osjeća samo razlike u naponu između svojih faza. SVPWM to iskorištava: trajno pomiče zajedničko "središte" triju faza kako bi iskoristio puni napon baterije. Gornja granica korisnog napona raste s polovice napona baterije na oko 58 % (jedan podijeljen s korijenom iz tri), što je dobitak od oko 15 %.

Konkretno, s istom baterijom i istim motorom, maksimalna brzina prije slabljenja polja je veća. Isti rezultat dobivamo dodavanjem svakoj sinusoidi komponente na trostrukoj frekvenciji, koja se poništava između faza: to je isti trik viđen na drugi način.

Iznad toga: prekomodulacija

Kada traženi napon premaši ono što šesterokut može kontinuirano proizvesti, kontroler može još malo dobiti deformiranjem sinusoide, sve dok ne primjenjuje samo šest aktivnih kombinacija, jednu po šestini okretaja: to je val "šest koraka". Dobivamo nekoliko posto napona, uz cijenu manje sinusne struje, gubitaka i dodatne buke.

Detalji koji su važni u praksi

• Mrtvo vrijeme između otvaranja jednog prekidača i zatvaranja drugog blago deformira proizvedeni napon. Dobri kontroleri to kompenziraju.
• Mjerenje struje vrši se tijekom nulte kombinacije, kada struja prolazi kroz mjerne otpore bez smetnji. Pri vrlo visokom traženom naponu, taj se prozor skraćuje.
• Simetrično postavljanje nultih kombinacija na početku i na kraju svakog perioda smanjuje valovitost struje i buku.