Vektorové riadenie (FOC) vysvetlené: Clarke, Park, osi d a q
Takmer všetky moderné výkonnostné riadiace jednotky ovládajú svoje motory pomocou vektorového riadenia, ktoré je známejšie pod svojím anglickým názvom FOC („Field Oriented Control“, riadenie orientované na magnetický tok). Je známe, že toto riadenie robí motor tichším a efektívnejším. Tento návod vysvetľuje, ako to dosahuje, bez zložitej matematiky, ale bez toho, aby niečo zatajoval.
Dôležité informácie
- Krútiaci moment motora s permanentnými magnetmi závisí od uhla medzi magnetickým poľom rotora a poľom vytvoreným prúdom: je maximálny, keď sú tieto polia vzájomne kolmé (90°).
- FOC neustále vypočítava polohu rotora a presne umiestňuje prúd pod uhlom 90°.
- Na dosiahnutie tohto cieľa, systém premieňa tri striedavé prúdy motora na dve konštantné hodnoty, ktoré sa nazývajú prúd d a prúd q.
- Prúd q vytvára krútiaci moment; prúd d by mal byť nulový, okrem prípadov, keď sa chce dosiahnuť vyššia rýchlosť (defluxovanie).
Problém, ktorý je potrebné vyriešiť
Motor s permanentnými magnetmi má magnety na svojom rotujúcom prvku (rotore) a vinutia na svojom pevnom prvku (státore). Prúd vo vinutiach vytvára magnetické pole; magnety majú svoje vlastné. Krútiaci moment vzniká vďaka vzájomnej príťažlivosti medzi týmito dvoma, presne ako pri dvoch magnetoch, ktoré k sebe privádzame.
Tento krútiaci moment je maximálny, keď magnetické pole vinutí je posunuté o štvrt otáčky, teda o 90°, oproti magnetickému poľu magnetov. Ak je posunutie menšie, motor tlačí menej a rovnomerne sa zahrieva; pri 0° sa motor iba zahrieva. Keďže rotor sa otáča, magnetické pole vinutí sa musí s ním otáčať, pričom si udržiava tento uhol, a to stovkykrát za sekundu.
Ovládanie pomocou obdĺžnikového signálu využíva len šesť polôh za jeden otáčku motora: uhol sa mení okolo 90°, ale nikdy sa na ňom nezadrží. To spôsobuje pulzácie krútiaceho momentu a hluk. FOC (Field-Oriented Control) naopak, usiluje o udržanie uhla 90° nepretržite.
Krok 1: Zmerajte prúdy a zistite polohu
Ovládač meria prúd v jednotlivých fázach motora desiatky tisíc ráz za sekundu. Keďže súčet troch prúdov je teoreticky nulový, na meranie stačia dva; mnoho ovládačov meria všetky tri fázy pre vyššiu presnosť.
Potrebuje tiež uhol rotora, ktorý je daný senzormi (Hall, enkodér), alebo odhadovaný výpočtom nazývaným "pozorvateľ", na základe napätí a prúdov. Náš sprievodca o senzoroch polohy podrobne popisuje tieto riešenia.
Krok 2: Clarkeova transformácia, z troch fáz na dve
Tri fázy motora sú posunuté o 120°. Transformácia Clarke spája tri prúdy do dvoch kolmých zložiek, nazývaných alfa a beta, pričom neztráca žiadne informácie. Prechod z systému s troma osami do bežnej roviny s dvoma osami. Tieto dva prúdy zostávajú striedavé: otáčajú sa spolu s motorom.
Krok 3: Zaparkujte, pozrite sa na rotor
Základnou myšlienkou FOC (Field-Oriented Control) je práve toto. Transformácia Park otáča tento plán spolu s rotorom, využívajúc jeho uhol. Z pohľadu rotora prúd už neobeží: stáva sa z neho dve hodnoty, ktoré sú takmer konštantné.
- Prúd (v preklade "priamy") je zarovnaný s magnetickým poľom. Nevytvára krútiaci moment v motore s povrchovými magnetmi; namiesto toho posilňuje alebo oslabuje magnetické pole.
- Prúd q (pre "kvadraturu") je posunutý o 90° voči magnetom. Práve tento prúd vytvára krútiaci moment, a to úmerne.
Ovládanie trojfázového striedavého motora sa tak stáva rovnako jednoduché ako ovládanie jednosmerného motora: namiesto sledovania troch sínusových priebehov sa nastavujú len dve konštantné hodnoty.
Krok 4: Regulátory
Akcelerátor nastavuje požadovaný krútiaci moment, a teda prúd q. Požadovaný prúd d je v súčasnosti nastavený na nulu. Dva regulátory, jeden pre každú os, neustále porovnávajú nameraný prúd s jeho požadovanou hodnotou a vypočítavajú napätie, ktoré je potrebné aplikovať na korekciu odchýlky. Zvyčajne sú to regulátory tzv. proporcionálno-integrálneho (PI) typu, ktorých nastavenie závisí od odporu a indukčnosti motora. Presne na výpočet týchto hodnôt sa vykonáva detekcia motora.
Krok 5: Parkovanie v spiatočnom režime a modulácia
Regulátory poskytujú dve napätia v súradnicovom systéme rotora. Transformácia Park tieto napätia prevádza do pevného súradnicového systému statora, a následne riadiaca jednotka ich prekladá na signály na otváranie a zatváranie pre šesť spínačov v napájacom mostíku. Tento posledný krok sa nazýva modulácia; najrozšírenejšia metóda, známa ako vektorová modulácia (SVPWM), umožňuje odoberú o niečo viac využiteľného napätia z batérie v porovnaní s jednoduchou sínusovou moduláciou.
Celý tento cyklus sa opakuje v každom časovom úseku, typicky desiatky tisíc ráz za sekundu. Náš sprievodca o vnútri regulátora motora ukazuje hardvér, ktorý tieto príkazy vykonáva.
Čo konkrétne prináša technológia FOC?
- Štandardná konfigurácia páru motorov: menej vibrácií, jemnejší štart, tichší motor.
- Vyššia účinnosť: Každý ampér je využitý tam, kde produkuje krútiaci moment, čo znižuje zahrievanie pri rovnakom krútiacom momente.
- Priame ovládanie krútiaceho momentu: Akcelerátor riadi silu, čo zabezpečuje presné ovládanie.
- Defluxáž (zníženie magnetického toku): Využitím prúdu môže byť prekročená maximálna "prirodzená" rýchlosť motora. Pozrite si náš návod o defluxácii (znížení magnetického toku).
Obmedzenia
- Režim FOC závisí od presnej polohy rotora; akákoľvek chyba v uhle vedie k strate krútiaceho momentu a prehriatiu motora.
- Základom je model motora: nesprávne nastavené parametre (napríklad neúspešná detekcia, motor, ktorý sa prehrial) negatívne ovplyvňujú jazdu.
- Vyžaduje to viac výpočtovej kapacity, preto je potrebný rýchlejší mikrokontrolér ako pri ovládacom systéme s pulznou šírkou.
Často kladené otázky
Je to to isté, FOC a "ovládač sínusovej vlny"?
Nie celkom. Regulátor s funkciou "sinus" posiela do motora sínusové napätie, čo už samo o sebe zjemňuje jeho chod. FOC (Field-Oriented Control) ide ešte ďalej: meria prúdy a reguluje ich v súradnicovom systéme rotora. Všetky regulátory s funkciou FOC produkujú sínusové prúdy, ale nie všetky regulátory s funkciou "sinus" používajú FOC.
Prečo udržiavať prúd "A" na nule?
U motora s povrchovými magnetmi prúd "d" nevytvára krútiaci moment; len by motor prehrial. Preto sa udržiava na nule, okrem prípadov, keď sa používa na zníženie magnetického toku pri vysokých rýchlostiach. Naopak, pri motore s vnútornými magnetmi, správne zvolený prúd "d" prispieva k zvýšeniu krútiaceho momentu.
Funguje režim FOC bez použitia snímača?
Áno, vďaka senzoru, ktorý odhaduje polohu na základe napätia a prúdu. Je to veľmi efektívne počas jazdy, ale náročnejšie pri úplnom zastavení, kde sú potrebné špeciálne techniky alebo senzory.