Modulacja wektorowa (SVPWM): jak kontroler generuje przebiegi sinusoidalne przy użyciu sześciu przełączników

La commande vectorielle calcule à chaque instant la tension qu'il faut appliquer au moteur. Reste à la produire avec un pont de six interrupteurs qui ne savent faire que deux choses : être ouverts ou fermés. C'est le rôle de la modulation, et la méthode la plus répandue s'appelle la modulation vectorielle, ou SVPWM (« Space Vector Pulse Width Modulation »).

Osiem stanów, nie więcej

Każda faza silnika jest podłączona albo do plusa, albo do minusa akumulatora, w zależności od tego, który z dwóch przełączników jest zamknięty (patrz wewnętrzna konstrukcja kontrolera silnika). Ponieważ mamy trzy fazy i każda z nich ma dwie możliwe pozycje, daje to 2 × 2 × 2 = 8 kombinacji.

• Sześć kombinacji aktywnych: co najmniej jedna faza jest w maksimum, a co najmniej jedna w minimum. Każda z nich wpływa na pole magnetyczne silnika w określonym kierunku. Te sześć kierunków są rozłożone w odstępach 60° i tworzą heksagon.
• `Dwie kombinacje zerowe:` maksymalnie trzy fazy, lub minimalnie trzy fazy. Na żadnej z faz nie jest przykładana napięcie.

Wygenerowanie dowolnego napięcia za pomocą metody uśredniania

Sterowanie wektorowe wymaga napięcia o określonej wartości i kierunku, które obraca się wraz z rotorem. Ten kierunek zazwyczaj znajduje się pomiędzy dwiema z sześciu dostępnych opcji.

Koncepcja SVPWM (Synchronous Pulse Width Modulation) jest prosta: w każdym cyklu, pierwsza z możliwych wartości jest stosowana przez ułamek czasu, druga przez inny ułamek czasu, a kombinacja dająca wartość zero przez pozostałą część czasu. Średnio, w całym cyklu, silnik "widzi" dokładnie napięcie, które ma być dostarczone. Im większe jest żądane napięcie, tym mniej czasu pozostaje na tę kombinację dającą wartość zero.

Uzwojenia silnika wygładzają te impulsy. Ponieważ okres powtarza się dziesiątki tysięcy razy na sekundę, otrzymywany prąd jest prawie idealną sinusoidą.

Dlaczego dodatkowe 15% napięcia?

Dzięki prostej modulacji sinusoidalnej, każda faza podąża za własną sinusoidą, wycentrowaną na połowie napięcia akumulatora. Jej amplituda nie może przekroczyć tej połowy: napięcie między dwiema fazami jest wtedy ograniczone do wartości poniżej tego, co akumulator mógłby dostarczyć.

Silnik, z kolei, rejestruje jedynie różnice napięcia między jego fazami. Algorytm SVPWM wykorzystuje tę informację, stale przesuwając "środek" wspólny dla trzech faz, aby w pełni wykorzystać napięcie baterii. Maksymalne wykorzystanie napięcia wzrasta z połowy napięcia baterii do około 58% (1 podzielone przez pierwiastek z trzech), co daje zysk około 15%.

Konkretnie, przy tej samej baterii i tym samym silniku, maksymalna prędkość przed osłabieniem pola magnetycznego jest wyższa. Osiąga się ten sam efekt, dodając do każdej sinusoidy składową o częstotliwości trzykrotnie większej, która się anuluje między fazami: to ta sama sztuczka, ale inna perspektywa.

Po przekroczeniu tego progu: nadmierna modulacja

Kiedy żądane napięcie przekracza to, co układ heksagonalny jest w stanie wytworzyć w sposób ciągły, kontroler może jeszcze nieznacznie zwiększyć napięcie, deformując przebieg sinusoidalny, aż do momentu, w którym wykorzystywane są tylko sześć kombinacji aktywnych, po jednej na każdy szósty obrót – to tzw. fala „sześciu kroków”. Zyskujemy kilka procent napięcia, ale kosztem mniej sinusoidalnego prądu, większych strat i dodatkowego szumu.

Szczegóły, które mają znaczenie w praktyce

• Opóźnienie czasowe między otwarciem jednego przełącznika a zamknięciem drugiego może nieznacznie zniekształcić napięcie. Dobre kontrolery kompensują to zjawisko.
• Pomiar prądu odbywa się podczas stanu zerowego, kiedy prąd przepływa przez rezystory pomiarowe bez zakłóceń. Przy bardzo wysokim napięciu, ten zakres pomiarowy się zawęża.
• Symetryczne rozmieszczenie par nul na początku i na końcu każdego okresu redukuje wahania prądu i szumy.