Controlul vectorial (FOC) explicat: Clarke, Park, axele d și q
Aproape toate controllerele de performanță moderne controlează motoarele prin control vectorial, mai cunoscut sub denumirea sa în engleză FOC („Field Oriented Control”, control orientat pe flux). Se știe că această metodă face motorul mai silențios și mai eficient. Acest ghid explică cum funcționează, fără ecuații complicate, dar fără a omite nimic.
Esentialul
- Cuplul unui motor cu magneți permanenți depinde de unghiul dintre câmpul rotorului și câmpul creat de curent: acesta este maxim atunci când unghiul este de 90°.
- Controlul FOC calculează în permanență poziția rotorului și ajustează curentul pentru a-l poziționa exact la 90°.
- Pentru a realiza acest lucru, sistemul transformă cele trei curenți alternanți ai motorului în două valori fixe, numite curent d și curent q.
- Curentul "q" generează cuplul; curentul "d" este menținut la zero, cu excepția cazului în care se dorește o viteză mai mare (deflexare).
Problema de rezolvat
Un motor cu magneți permanenți are magneți pe partea sa rotativă (rotorul) și bobinaje pe partea sa fixă (statorul). Curentul din bobinaje creează un câmp magnetic; magneții au propriul lor câmp magnetic. Cuplul este generat de atracția dintre cele două câmpuri, exact ca atunci când apropiem doi magneți.
Cuplul maxim este atins atunci când câmpul magnetic al bobinajelor este defazat cu un sfert de rotație electrică, adică 90°, față de câmpul magnetic al magneților. Dacă această defazare este mai mică, cuplul este mai mic și motorul se încălzește la fel; la 0°, motorul se încălzește, dar nu produce cuplu. Pe măsură ce rotorul se rotește, câmpul magnetic al bobinajelor trebuie să se rotească odată cu el, menținând acest unghi de defazare de sute de ori pe secundă.
Controlul prin undă pătrată utilizează doar șase poziții pe rotație, iar unghiul variază în jurul a 90°, fără a rămâne niciodată fix la această valoare. De aici provin fluctuațiile de cuplu și zgomotul. În schimb, controlul FOC (Field-Oriented Control) vizează menținerea unghiului la 90° în mod continuu.
Pasul 1: Măsurarea curenților și determinarea poziției
Controlerul măsoară curentul în fazele motorului de zeci de mii de ori pe secundă. Deoarece suma celor trei curenți este zero, în teorie, măsurarea a două curenți este suficientă; însă, mulți controlere măsoară cele trei curenți pentru o precizie mai mare.
De asemenea, este necesar unghiul rotorului, care poate fi furnizat de senzori (Hall, encoder), sau estimat printr-un calcul numit "observator", pe baza tensiunilor și a curenților. Ghidul nostru despre senzori de poziție detaliază aceste soluții.
Etapa 2: Transformarea Clarke, de la trei curenți la doi
Cele trei faze ale motorului sunt decalate cu 120°. Transformarea Clarke grupează cele trei curenți în două componente perpendiculare, numite alfa și beta, fără a pierde nicio informație. Se trece de la un sistem cu trei axe la un plan obișnuit, cu două axe. Aceste două curenți rămân alternanți: ei se rotesc odată cu motorul.
Pasul 3: Parchează și observă rotorul
Ideea centrală a sistemului FOC este următoarea. Transformarea Park rotește acest plan împreună cu rotorul, utilizând unghiul acestuia. Privit din perspectiva rotorului, curentul nu mai este rotativ: el devine două valori aproape constante.
- Curentul (în sensul de "direct") este aliniat cu câmpul magnetic. Acesta nu produce cuplu într-un motor cu magneți în suprafață; el amplifică sau diminuează câmpul magnetic.
- Curentul q (pentru "quadratură") este defazat cu 90° față de magneți. Acesta este cel care produce cuplul, proporțional.
Controlul unui motor alternativ trifazat devine astfel la fel de simplu ca controlul unui motor cu curent continu: se ajustează două valori fixe, în loc să se urmărească trei unde sinusoidale.
Etapa 4: Controlerele
Acceleratorul stabilește o valoare de cuplu, și deci de curent q. Valoarea de curent d este, în general, zero. Două regulatoare, câte unul pentru fiecare axă, compară în permanență curentul măsurat cu valoarea sa de referință și calculează tensiunea care trebuie aplicată pentru a corecta diferența. Acestea sunt, de obicei, regulatoare proporționale-integrale (PI), ale căror setări depind de rezistența și inductanța motorului. Pentru a calcula aceste setări, se efectuează detectarea motorului.
Etapa 5: Parcare în marșarier și modulare
Regulatoarele furnizează două tensiuni, referențiate în raport cu rotorul. Transformarea Park inversează aceste tensiuni, aducându-le în sistemul de referință fix al statorului, iar apoi controlerul le transformă în comenzi de deschidere și închidere pentru cele șase comutatoare ale punții de putere. Această ultimă etapă se numește modulare; metoda cea mai utilizată, numită vectorială (SVPWM), extrage puțin mai multă tensiune utilă din baterie decât modularea sinusoidală simplă.
Întregul acest ciclu se repetă la fiecare perioadă de comutare, de obicei de zeci de mii de ori pe secundă. Ghidul nostru despre interiorul unui controler electronic al motorului prezintă componentele hardware care execută aceste comenzi.
Ce aduce, concret, tehnologia FOC?
- Un cuplu regulat: mai puține vibrații, o pornire lină, un motor mai silențios.
- O eficiență mai bună: fiecare amper are rolul de a genera cuplu, ceea ce reduce încălzirea la un nivel de cuplu egal.
- Control direct al cuplului: accelerația controlează o forță, ceea ce face ca manevrarea să fie precisă.
- Defluxarea (slăbirea fluxului magnetic): Prin modificarea curentului "d", se poate depăși viteza maximă "naturală" a motorului. Consultați ghidul nostru despre defluxare (slăbirea fluxului magnetic).
Limitele
- Controlul FOC (Field-Oriented Control) depinde de o poziție corectă a rotorului; o eroare de unghi duce la pierderea cuplului și la supraîncălzirea motorului.
- Aceasta se bazează pe un model al motorului: parametri incorecți (detectare defectuoasă, motor supraîncălzit) afectează negativ performanța.
- Aceasta necesită mai multe calcule, deci un microcontroler mai rapid decât o comandă cu undă pătrată.
Întrebări frecvente
FOC și "controler sinusoidal" sunt același lucru?
Nu chiar. Un controler "sinusoidal" trimite tensiuni sinusoidale, ceea ce reduce deja vibrațiile motorului. FOC (Field-Oriented Control) merge mai departe: măsoară curenții și îi reglează în funcție de poziția rotorului. Toți controlerii FOC produc curenți sinusoidali, dar nu toți controlerii sinusoidali utilizează tehnologia FOC.
De ce este important să menținem curentul "A" la zero?
Într-un motor cu magneți la suprafață, curentul "d" nu produce cuplu; ar încălzi doar motorul. Acesta este menținut la zero, cu excepția cazului în care este utilizat pentru a reduce fluxul magnetic la viteze mari. Într-un motor cu magneți interiori, un curent "d" bine ales, dimpotrivă, contribuie la creșterea cuplului.
Funcționează sistemul FOC fără senzori?
Da, datorită unui sistem care estimează poziția pe baza tensiunilor și a curenților. Este foarte eficient în timpul mersului, dar mai dificil la staționare, unde sunt necesare tehnici speciale sau senzori.