A vektoros vezérlés (FOC) magyarázata: Clarke-transzformáció, Park-transzformáció, d és q tengelyek

Szinte minden modern, nagy teljesítményű vezérlő vektoros vezérlést alkalmaz a motorok működtetéséhez, amit angolul FOC néven ismerünk („Field Oriented Control”, fluxusirányítású vezérlés). Tudjuk, hogy ez a megoldás csendesebb és hatékonyabb motor működést eredményez. Ez a útmutató elmagyarázza, hogyan éri el ezt a hatást, bonyolult egyengetések nélkül, de semmit sem hagyva ki.

A megoldandó probléma

Egy állandó mágneses motorban mágnesek találhatók a forgó részén (a rotoron), és tekercsek a rögzített részén (a statornak). Az áram a tekercsekben egy mágneses teret hoz létre; a mágnesek pedig a sajátjukat. A forgatónyomaték az előbbi és az utóbbi közötti vonzóerőből származik, pontosan úgy, mint két egymáshoz közelített mágnes esetében.

A meghajtási nyomaték akkor éri el a maximumát, amikor a tekercsek mágneses terének iránya negyed fordulatnyi, azaz 90 fokkal van előrébb, mint a mágneseké. Ha a különbség kisebb, akkor a meghajtási erő csökken, ugyanakkor a motor ugyanúgy felmelegszik; ha pedig 0 fok, akkor a motor csak melegszik, de nem hajt. Mivel a forgórész forog, a tekercsek mágneses terének is követnie kell a forgást, miközben ezt a 90 fokos szöget folyamatosan kell fenntartani, ez pedig másodpercenként több száz alkalommal történik.

A négyzetes hullámú vezérlés mindössze hat pozíciót használ egy elektromos fordulat alatt: a szög körülbelül 90 fok, de sosem tartózkodik pontosan ezen a fokszámon. Ez okozza a nyomaték-ingadozásokat és a zajt. A FOC (Field-Oriented Control) viszont folyamatosan 90 fokot célozza meg.

1. lépés: mérjük meg az áramokat, és ismerjük a pozíciót

A vezérlő a motor fázisaiban áramló áramot másodpercenként több tízezer alkalommal méri. Mivel a három áram összegének nulla kell lennie, elvileg elég két áramot mérni; azonban sok vezérlő három áramot mér a nagyobb pontosság érdekében.

Szüksége van a rotor szögére is, amelyet szenzorok (Hall, kódoló) szolgáltatnak, vagy egy "observateur" nevű számítás segítségével lehet becsülni a feszültségek és áramok alapján. A pozícióérzékelőkről szóló útmutatónk részletesen bemutatja ezeket a megoldásokat.

2. lépés: Clarke-transzformáció, három fázisról két fázisra

A motor három fázisa 120 fokkal van eltolva egymáshoz képest. A Clarke-transzformáció a három áramot két, egymásra merőleges komponensbe, az alfa és a béta komponensbe csoportosítja, anélkül, hogy bármilyen információvesztés következne. Ez egy háromtengelyes rendszert alakít át egy hagyományos, kéttengelyes síkra. Mindkét áram váltakozó jellegű marad: a motorral együtt forognak.

3. lépés: Parkoljon, és nézze a rotort

A FOC (Field-Oriented Control) központi elképzelése, hogy a Park-transzformáció segítségével a forgórész szögének felhasználásával a forgó mágneses fluxust egy olyan síkba helyezzük, amely a forgórészhez képest mozog. A forgórész szemszögéből nézve a áram nem forog többé, hanem két majdnem állandó értékhez alakul.

• A "direct" áram (ami azt jelenti: "közvetlen") a mágnesek mágneses terével van összhangban. Nem hoz létre nyomatékot egy felületi mágneses motorban; ehelyett erősíti vagy gyengíti a mágnesek mágneses terét.
• Az áram (a "kvadratúra" kifejezés értelmében) 90 fokkal van eltolódva a mágnesekkel szemben. Ez az áram felelős a forgatónyomatékért, és a forgatónyomaték arányos az áramerősséggel.

Egy háromfázisú váltóáramú motor vezérlése így ugyanolyan egyszerűvé válik, mint egy egyenáramú motoré: két fix értéket kell beállítani a vezérléshez, ahelyett, hogy három szinuszos hullámot kellene követni.

4. lépés: a vezérlők

A gázpedál egy nyomaték- (tehát áram-) beállítópontot határoz meg. A jelenlegi beállítás szerint a "d" áram beállítópontja nulla. Két szabályozó, egy-egy tengelyen, folyamatosan összehasonlítják a mért áramot a beállítóponttal, és kiszámítják a szükséges feszültséget a különbség korrigálására. Ezek általában úgynevezett P (proporcionális) – I (integrális) szabályozók, amelyek beállításai a motor ellenállásától és indukciójától függenek. A szabályozók beállításához végezzük el a motorfelmérést.

5. lépés: Fordított menet és moduláció

A szabályozók két feszültséget mérnek a forgórész referenciarendszerében. A Park-transzformáció visszaalakítja ezeket a feszültségeket a statorsz referenciarendszerébe, majd a vezérlő ezeket a feszültségeket átalakítja nyitási és zárási parancsokká a teljesítményhíd hat szelepének. Ez az utolsó lépés a moduláció; a leggyakrabban használt, ún. vektoros (SVPWM) módszer valamivel több hasznos feszültséget nyer ki az akkumulátorból, mint a hagyományos szinuszos moduláció.

A teljes ciklus minden egyes impulzusképzési időszakban ismétlődik, tipikusan több tízezer alkalommal másodpercenként. Útmutatónk a "motorvezérlő belsejéről" bemutatja a hardvert, amely ezeket a parancsokat végrehajtja.

A FOC (Field-Oriented Control) pontosan mit jelent a gyakorlatban?

• Normál beállítás: kevesebb vibráció, lágyabb indulás, csendesebb motor.
• Jobb hatásfok: minden amper ott van, ahol nyomatékot generál, ami csökkenti a túlmelegedést azonos nyomatéknál.
• Közvetlen nyomatékszabályozás: A gázpedál egy erőért felelős, ami precíz vezetést tesz lehetővé.
• A demagnetizálás (flux weakening): A motor áramának manipulálásával túlléphetünk a motor "természetes" maximális sebességén. Nézze meg a demagnetizálásról szóló cikkünket.

A korlátok

• A FOC (Field-Oriented Control) működése a rotor helyzetének pontos ismeretétől függ. Egy szöghibás mérés csökkenő nyomatékot és a motor túlmelegedését okozhatja.
• A rendszer egy motormodellre épül: a helytelen beállítások (sikertelen érzékelés, túlmelegedett motor) rontják a vezetési élményt.
• Ez több számítási erőforrást igényel, ezért egy gyorsabb mikrovezérlőre van szükség, mint ami egy egyszerű, négyszögjel-alapú vezérléshez szükséges.