Częstotliwość taktowania kontrolera: kompromis między temperaturą, hałasem i precyzją

Kontroler przetwarza napięcie baterii na impulsy, tysiące razy na sekundę, aby wytworzyć prąd zasilający silnik. Liczba cykli na sekundę nazywana jest częstotliwością przełączania, lub częstotliwością PWM. Ten parametr wpływa na nagrzewanie się kontrolera, silnika, poziom hałasu oraz jakość sterowania. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość: zawsze konieczne jest znalezienie kompromisu dla każdego konkretnego zestawu kontroler-silnik.

Co robi funkcja podziału

Każda faza silnika jest naprzemiennie podłączana do plusa i minusa baterii. Proporcja czasu spędzanego po każdej stronie określa napięcie średnie. Cewki, dzięki swojej indukcyjności, wygładzają te impulsy: prąd wzrasta nieco podczas impulsu, a następnie spada podczas następnego. W ten sposób utrzymuje się niewielkie oscylacje przypominające zęby piły wokół wartości docelowej. Zobacz wnętrze kontrolera silnika oraz modulację wektorową.

Zwiększanie częstotliwości: zalety i wady

Co zyskujemy

• Mniejsze zniekształcenia prądu: Prąd ma mniej czasu, aby się zmieniać między poszczególnymi impulsami. Straty w silniku spowodowane tymi zniekształceniami się zmniejszają.
• Mniejsze odgłosy słyszalne: powyżej około 20 000 cykli na sekundę, czyli granicy słyszalności dla ludzkiego ucha, dźwięk generowany przez proces cięcia staje się niesłyszalny.
• Bardziej precyzyjne sterowanie: kontroler mierzy i koryguje parametry w każdym cyklu; im więcej cykli, tym bardziej zaawansowana pętla prądowa, która może działać szybciej.

To, za co płacimy

• Mniejsze straty związane z przełączaniem: przy każdym przełączeniu, tranzystor dissipuje pewną ilość energii. Podwojenie częstotliwości podwaja te straty. Przy dużym natężeniu prądu, może to wymusić ograniczenie dopuszczalnego prądu.
• **Więcej obliczeń:** mikrokontroler musi wykonywać wszystkie obliczenia w każdym cyklu.
• `Mniej zakłóceń elektromagnetycznych, które należy kontrolować poprzez odpowiednią konstrukcję obwodu.`

Rola indukcyjności silnika

Zniekształcenia prądu zależą bezpośrednio od indukcyjności silnika: im jest ona niższa, tym szybciej prąd się zmienia przy każdym impulsie. Bardzo mocne i kompaktowe silniki, charakteryzujące się niską indukcyjnością, wymagają wyższej częstotliwości, aby utrzymać akceptowalny poziom zniekształceń. Z kolei, silnik piastowy w hulajnodze, charakteryzujący się wyższą indukcyjnością, wystarcza mu niższa częstotliwość.

Jest to powód, dla którego nie podłącza się dowolnego silnika do dowolnego kontrolera bez wcześniejszej weryfikacji: silnik o bardzo niskiej indukcyjności podłączony do kontrolera o niskiej częstotliwości może generować bardzo wysokie prądy.

Połączenie z prędkością silnika

Aby dokładnie odtworzyć przebieg sinusoidalny, potrzebna jest odpowiednia liczba cykli odcinania na obrót silnika. Częstotliwość elektryczna wzrasta wraz z prędkością i liczbą biegunów (patrz nasz przewodnik na temat Kv, Kt i biegunów). Przy bardzo wysokich prędkościach w silniku z dużą liczbą biegunów, zbyt niska częstotliwość odcinania pogarsza działanie sterownika.

Znalezienie kompromisu

W kontrolerach pojazdów elektrycznych o małej mocy, częstotliwość zazwyczaj waha się od kilkudziesięciu do kilkudziesięciu tysięcy cykli na sekundę. Wybór częstotliwości zależy od:

• temperatura tranzystorów sterownika o wysokim natężeniu prądu;
• temperatura silnika przy ustalonej prędkości;
• hałas, szczególnie przy niskich prędkościach;
• jakość sterowania przy maksymalnej prędkości.