Vectorieel moduleren (SVPWM): hoe een controller sinusgolven genereert met zes schakelaars
De vectoriële regeling berekent op elk moment de spanning die op de motor moet worden aangelegd. Vervolgens moet deze spanning worden opgewekt met een brug van zes schakelaars, die slechts twee dingen kunnen: open of gesloten zijn. Dit is de taak van de modulatie, en de meest gebruikte methode heet vectoriële modulatie, of SVPWM ("Space Vector Pulse Width Modulation").
Het belangrijkste
- De driefasige schakeling heeft slechts acht mogelijke configuraties: zes die spanning naar de motor sturen, en twee die dit niet doen.
- De SVPWM-techniek genereert elke gewenste spanning door zeer snel te schakelen tussen twee nabijgelegen combinaties en een nulcombinatie.
- Het systeem verbruikt ongeveer 15% meer bruikbare spanning van de batterij in vergelijking met een eenvoudige sinusgolfmodulatie.
- Meer bruikbare spanning betekent een hogere maximale snelheid, met hetzelfde batterijpakket.
Acht statussen, niet één meer
Elke fase van de motor is verbonden met ofwel de positieve, ofwel de negatieve pool van de batterij, afhankelijk van welke van de twee schakelaars is gesloten (zie het interieur van een motorcontroller). Met drie fasen en twee posities per fase, zijn er 2 × 2 × 2 = 8 combinaties.
- Zes actieve combinaties: minstens één fase is maximaal en minstens één is minimaal. Elke combinatie duwt het magnetische veld van de motor in een vaste richting. Deze zes richtingen zijn 60° uit elkaar en vormen een hexagoon.
- `Twee nulcombinaties:` maximaal drie fasen, of minimaal drie fasen. Er wordt geen spanning aangelegd tussen de fasen.
Het genereren van een willekeurige spanning door middel van een gemiddelde waarde
Vectorbesturing vereist een spanning met een bepaalde kracht en richting, die roteert met de rotor. Deze richting valt bijna altijd tussen twee van de zes beschikbare richtingen.
Het idee achter SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) is eenvoudig: gedurende elke schakelperiode wordt de eerste nabije richting een fractie van de tijd toegepast, de tweede richting een andere fractie van de tijd, en een nulwaarde de rest van de tijd. Gemiddeld genomen "ziet" de motor precies de gevraagde spanning. Hoe hoger de gewenste spanning, hoe minder tijd er overblijft voor de nulwaarde.
De wikkelingen van de motor zorgen ervoor dat deze pulsen worden afgeglad. Omdat de periode duizenden keren per seconde herhaalt, is de resulterende stroom bijna een perfecte sinusgolf.
Waarom 15% meer spanning?
Met een eenvoudige sinusmodulatie volgt elke fase zijn eigen sinusgolf, gecentreerd rond de helft van de batterijspanning. De amplitude kan deze helft niet overschrijden: de spanning tussen twee fasen wordt dan beperkt tot een waarde die lager is dan wat de batterij zou kunnen leveren.
De motor detecteert alleen de verschillen in spanning tussen de verschillende fasen. De SVPWM maakt hier gebruik van: deze verplaatst voortdurend het "centrum" dat gemeenschappelijk is aan de drie fasen, om zo de volledige spanning van de batterij te benutten. De bruikbare maximale spanning stijgt van de helft van de batterijspanning naar ongeveer 58% (één gedeeld door de wortel van drie), wat een winst van ongeveer 15% oplevert.
Concreet gezegd, met dezelfde batterij en dezelfde motor, is de maximale snelheid voor veldverzwakking hoger. Hetzelfde resultaat wordt bereikt door aan elke sinusgolf een component toe te voegen die drie keer zo frequent is, en die zich opheft tussen de fasen: het is dezelfde truc, maar dan anders benaderd.
Daarboven: overmodulatie
Wanneer de gevraagde spanning hoger is dan wat de hexagonaalvorm kan continu produceren, kan de controller nog steeds iets meer bereiken door de sinusgolf te vervormen. Dit gaat door tot er slechts nog zes actieve combinaties worden toegepast, één per zesde van een rotatie: dit is de "zes-stappen" golf. Hierdoor wordt een paar procent aan spanning gewonnen, maar ten koste van een minder sinusvormige stroom, extra verliezen en meer geluid.
De details die er in de praktijk toe doen
- De vertraging tussen het openen van een schakelaar en het sluiten van de andere vervormt de spanning die wordt opgewekt lichtelijk. Goede controllers compenseren dit.
- De stroommeting wordt uitgevoerd tijdens een nulcombinatie, waarbij de stroom door de meetweerstanden vloeit zonder verstoord te worden. Bij een zeer hoge aangevraagde spanning wordt deze periode korter.
- De symmetrische plaatsing van de nulcombinaties aan het begin en aan het einde van elke periode vermindert de stroomgolven en het geluid.
Veelgestelde vragen
Maakt SVPWM de motor krachtiger?
Het verandert het maximale koppel niet, dat wordt bepaald door de stroom. Het maakt het mogelijk om meer van de batterijspanning te benutten, waardoor er bij hogere snelheden meer koppel behouden blijft en een hogere maximale snelheid bereikt kan worden.
Gebruiken alle FOC-controllers SVPWM?
De meeste moderne controllers gebruiken SVPWM of een equivalente methode. Sommige eenvoudigere controllers blijven gebruikmaken van klassieke sinusmodulatie, wat resulteert in een iets lagere effectieve spanning.
Waar komt de naam "vectorieel" vandaan?
Elke combinatie van de stuurhoek wordt weergegeven door een pijl, een vector, in het vlak van de motor. De gewenste spanning wordt ook weergegeven door een pijl, die wordt opgebouwd door de twee aangrenzende vectoren in de juiste verhoudingen bij elkaar op te tellen.