Modulácia vektorová (SVPWM): Ako ovládač vytvára sínusové vlny pomocou šiestich spínačov

Vektorové riadenie v každom okamihu vypočíta napätie, ktoré je potrebné aplikovať na motor. Zvyšok je na produkcii tohto napätia pomocou mosta so šiestimi spínačmi, ktoré dokážu robiť len dve veci: byť otvorené alebo zatvorené. Práve toto zabezpečuje modulácia, a najrozšírenejšia metóda sa nazýva vektorová modulácia, alebo SVPWM („Space Vector Pulse Width Modulation“).

Osem štátov, a nie viac

Každá fáza motora je pripojená buď k plusovému, alebo k mínusovému pólu batérie, v závislosti od toho, ktorý z dvoch spínačov je zatvorený (pozrite si vnútro elektronického regulátora motora). S tromi fázami a dvoma polohami pre každú z nich existuje 2 × 2 × 2 = 8 kombinácií.

• Šesť aktívnych kombinácií: minimálne jedna fáza je v maximálnom stave a minimálne jedna je v minimálnom stave. Každá z nich posúva magnetické pole motora v pevnom smere. Tieto šesť smerov sú rozmiestnené v uhle 60° a vytvárajú hexagon.
• Dve nulové kombinácie: maximálne tri fázy, alebo minimálne tri fázy. Medzi fázami nie je aplikované žiadne napätie.

Vytvorenie akékoľvek napätie pomocou priemerného výpočtu

Vektorové riadenie vyžaduje napätie určitej sily a smeru, ktoré sa otáča spolu s rotorom. Tento smer sa takmer vždy nachádza medzi dvoma zo šiestich dostupných smerov.

Myšlienka SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) je jednoduchá: počas každého časového úseku sa aplikuje prvá susedná hodnota počas určitej časti času, druhá počas inej časti, a kombinácia s nulovou hodnotou počas zvyšku času. V priemere počas celého cyklu motor „vníma“ presne požadované napätie. Čím je požadované napätie vyššie, tým menej času zostáva na kombináciu s nulovou hodnotou.

Navinutia motora vyrovnávajú tieto impulzy. Keďže sa perioda opakuje desiatky tisíc ráz za sekundu, výsledný prúd je takmer dokonalá sínusoida.

Prečo o 15 % vyššie napätie?

S jednoduchou sinusovou moduláciou, každá fáza sleduje vlastnú sinusovú vlnu, ktorá je stredná okolo polovice napätia batérie. Jej amplitúda nemôže presiahnuť túto polovicu: napätie medzi dvoma fázami sa v tomto prípade obmedzuje na hodnotu nižšiu, ako je maximálne napätie, ktoré by batéria mohla poskytnúť.

Motor, naopak, deteguje len rozdiely napätia medzi jednotlivými fázami. Technológia SVPWM to využíva: neustále posúva „stred“ spoločnej hodnoty troch fáz, čím maximalizuje využitie napätia batérie. Maximálne využiteľné napätie sa zvyšuje z polovice napätia batérie na približne 58 % (1 delené odmocninou z 3), čo predstavuje zisk približne 15 %.

Konkrétne, pri použití tej istej batérie a rovnakého motora, maximálna rýchlosť pred znížením magnetického toku je vyššia. Dosiahneme rovnaký výsledok pridaním k každej sínusovej vlne zložky, ktorej frekvencia je trikrát vyššia, pričom sa tieto zložky navzájom vyrušia medzi fázami: je to rovnaký trik, len inak.

Nadmerná modulácia

Keď požadované napätie presahuje to, čo môže hexagon stabilne vyprodukovať, ovládač môže ešte mierne zvýšiť výkon deformáciou sínusovej vlny, až do bodu, kedy aplikuje iba šesť aktívnych kombinácií, jednu za každých šesť otáčok: toto je tzv. „vlna so šiestimi krokmi“. Získame niekoľko percent napätia, ale za cenu menej sínusoidálneho prúdu, zvýšenej spotreby a dodatočného šumu.

Praktické detaily, na ktorých záleží

• Doba odozvu medzi momentom stlačenia jedného spínača a momentom stlačenia druhého mierne deformuje napätie, ktoré je produkované. Kvalitné kontroléry túto deformáciu kompenzujú.
• `Meranie prúdu sa vykonáva počas nulovej kombinácie, keď prúd preteká cez meracie rezistory bez toho, aby bol narušený. Pri veľmi vysokom požadovanom napätí sa táto časť zúži.`
• Symetrické usporiadanie nulových kombinácií na začiatku a na konci každej periody znižuje pulzácie prúdu a šum.