A vektoros moduláció (SVPWM): hogyan állít elő egy vezérlő szinuszos jeleket hat kapcsoló segítségével
A vektoros vezérlés minden pillanatban kiszámítja, hogy milyen feszültséget kell a motorra alkalmazni. Ezt a feszültséget egy hat kapcsolóból álló áramkörrel kell előállítani, amely csak két dolgot tud: nyitva vagy zárva lenni. Ez a moduláció feladata, és a legelterjedtebb módszer a vektoros moduláció, vagy SVPWM ("Space Vector Pulse Width Modulation").
A lényeg
- A háromfázisú híd csak nyolc lehetséges konfigurációval rendelkezik: hat olyan konfiguráció, amely feszültséget juttat a motorhoz, és két olyan, amely nem.
- A SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) technológia bármilyen feszültséget képes előállítani azáltal, hogy nagyon gyorsan váltogat két egymásnak közel álló kombináció és egy nullás kombináció között.
- A rendszer körülbelül 15%-kal több hasznos feszültséget von ki az akkumulátorból, mint egy egyszerű szinuszhullám-moduláció.
- Magasabb hasznos feszültség azt jelenti, hogy nagyobb lehet a maximális sebesség ugyanazzal az akkumulátorral.
Nyolc állam, és nem egyet sem több
Minden motorfázis vagy a feszültség pozitív, vagy a negatív pólushoz van csatlakoztatva, attól függően, hogy melyik két kapcsolójából van zárva (lásd a motorvezérlő belső felépítése). Három fázissal, amelyek mindkét irányban két pozíciót vehetnek fel, összesen 2 × 2 × 2 = 8 kombináció lehetséges.
- Hat aktív kombináció: legalább egy fázis van a maximumon, és legalább egy a minimumon. Mindegyik kombináció egy adott irányba hat a motorra. Ezek a hat irány 60 fokos szögben helyezkednek el, és egy hatszöget alkotnak.
- `Két nullázási kombináció`: legfeljebb három fázis, vagy legalább három fázis. Nincs feszültség alkalmazva a fázisok között.
Bármilyen feszültséget átlagolva előállítani
A vektoros vezérléshez egy bizonyos erősségű feszültségre van szükség, amely egy adott irányba hat, és amely a forgó rotorral együtt forog. Ez az irány általában a hat lehetséges irány közül kettő között helyezkedik el.
A SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) elve egyszerű: minden impulzus alatt az első, hozzá közeli irányt egy bizonyos ideig, a másodikat egy másik ideig alkalmazzuk, és a többi idő alatt nullát. Átlagosan, a ciklus során a motor pontosan azt a feszültséget "látja", amit kérünk. Minél nagyobb a kívánt feszültség, annál kevesebb idő marad a nullafeszültség alkalmazására.
A motor tekercsei kisimítják ezeket a impulzusokat. Mivel a periódus másodpercenként több tízezer alkalommal is megismétlődik, a kapott áram egy majdnem tökéletes szinuszfüggvény.
Miért 15%-kal nagyobb feszültség?
A egyszerű szinuszos modulációval minden fázis egy saját szinuszgörbét követ, amely a akkumulátor feszültségének a felénél van középpontozva. A szinuszgörbe amplitúdója nem lehet nagyobb, mint ez a fel, így a két fázis közötti feszültség nem éri el azt a szintet, amit az akkumulátor potenciálisan képes lenne biztosítani.
A motor csak a fázisai közötti feszültségkülönbségeket érzékeli. A SVPWM (Synchronous Pulse Width Modulation) ezt kihasználva folyamatosan változtatja a három fázis közös "központját", hogy a lehető legnagyobb feszültséget vegye le az akkumulátorból. A hasznos feszültségtartomány a teljes akkumulátorfeszültség feléből körülbelül 58%-ra emelkedik (egy osztva a három gyökérszámával), ami körülbelül 15%-os növekedést jelent.
Konkrétan, azonos akkumulátorral és motorral a maximális sebesség a "defluxage" (mezőgyengítés) alkalmazása esetén magasabb. Ugyanazt az eredményt érhetjük el, ha minden szinuszhullámhoz egy háromszor nagyobb frekvenciájú komponenst adunk hozzá, amely a fázisok között kioltódik: ez ugyanaz a trükk, csak más megközelítésből.
A túlmóduláció
Amikor a kért feszültség meghaladja azt, amit a hatoldalú alakzat folyamatosan képes előállítani, a vezérlő még mindig képes egy kicsit növelni a feszültséget úgy, hogy torzítja a szinuszgörbét, egészen addig, amíg csak a hat aktív kombinációt alkalmazza, egy-egy hatodik fordulat alatt: ez a "hat lépés" hullámforma. Néhány százaléknyi feszültségnövekedést érhetünk el, azonban ez egy kevésbé szinuszos áramot, valamint további veszteségeket és zajt eredményez.
A gyakorlatban fontos részletek
- A késleltetés, ami egy kapcsoló bekapcsolása és egy másik kikapcsolása között van, enyhén torzíthatja a generált feszültséget. A jó vezérlők ezt kompenzálják.
- Az árammérés akkor történik, amikor a nullázási állapot aktív, és az áram a mérőellenállásokon folyik, anélkül, hogy zavarás érné. Nagyon magas feszültség esetén ez az intervallum rövidebb lesz.
- A szimmetrikus elhelyezés a nullás kombinációknak minden időszak elején és végén csökkenti az áramhullámzásokat és a zajt.
Gyakori kérdések
A SVPWM technológia növeli-e a motor teljesítményét?
Ez a beállítás nem változtatja meg a maximális nyomatékot, amely a motor áramfelvételével van korlátozva. Ehelyett lehetővé teszi, hogy a motor jobban kihasználja az akkumulátor feszültségét, így nagyobb sebességnél is megmarad a nyomaték, és elérhető a magasabb maximális sebesség.
Minden FOC vezérlő használja-e a SVPWM technológiát?
A legtöbb modern vezérlő a SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) vagy egy ezzel egyenértékű módszert használja. Egyes, egyszerűbb vezérlők továbbra is a hagyományos szinuszos modulációt alkalmazzák, amely valamivel alacsonyabb hasznos feszültséggel jár.
Honnan származik a "vektoros" kifejezés?
Minden lehetséges kombinációt a motor síkjában egy nyíllal, azaz egy vektorral ábrázolunk. A kívánt feszültség szintén egy nyíl, amelyet a két szomszédos vektort megfelelő arányban összeadva hozunk létre.