Vektorsko krmiljenje (FOC) razloženo: Clarke, Park, osi d in q
Skoraj vsi sodobni zmogljivi krmilniki svoje motorje upravljajo z vektorskim krmiljenjem, bolj znanim pod angleškim imenom FOC (»Field Oriented Control«, krmiljenje orientirano na magnetni pretok). Vemo, da motor zaradi tega deluje tišje in učinkoviteje. Ta vodnik razlaga, kako to doseže, brez zapletenih enačb, a brez izpuščanja bistvenih podrobnosti.
Bistvo
- Navor motorja s trajnimi magneti je odvisen od kota med poljem rotorja in poljem, ki ga ustvari tok: največji je, ko sta pod kotom 90°.
- FOC nenehno izračunava položaj rotorja in tok postavi točno pod kot 90°.
- Da to doseže, pretvori tri izmenične tokove motorja v dve fiksni vrednosti, imenovani tok d in tok q.
- Tok q ustvarja navor; tok d se ohranja na ničli, razen za doseganje višjih hitrosti (slabljenje polja).
Problem, ki ga je treba rešiti
Motor s trajnimi magneti ima magnete na svojem vrtečem se delu (rotorju) in navitja na svojem mirujočem delu (statorju). Tok v navitjih ustvari magnetno polje; magneti imajo svojega. Navor nastane zaradi privlačnosti med njima, natanko tako, kot če približamo dva magneta.
Ta navor je največji, ko je polje navitij za četrtino električnega obrata oziroma 90° pred poljem magnetov. Bližje kot sta, manj potiska in enako greje; pri 0° motor le segreva. Ker se rotor vrti, se mora polje navitij vrteti z njim in ohranjati ta kot, stokrat na sekundo.
Krmiljenje s pravokotnim valom se zadovolji s šestimi položaji na električni obrat: kot niha okoli 90°, ne da bi kdaj ostal točno na njem. Od tod valovanje navora in hrup. FOC pa cilja na 90° neprekinjeno.
1. korak: merjenje tokov in določanje položaja
Krmilnik meri tok v fazah motorja več deset tisočkrat na sekundo. Ker je vsota treh tokov ničelna, teoretično zadošča merjenje dveh; mnogi krmilniki za večjo natančnost merijo vse tri.
Potrebuje tudi kot rotorja: tega podajo senzorji (Hall, dajalnik) ali pa se oceni z izračunom, imenovanim opazovalec, na podlagi napetosti in tokov. Naš vodnik o senzorjih položaja podrobno opisuje te rešitve.
2. korak: Clarke, od treh tokov do dveh
Tri faze motorja so zamaknjene za 120°. Clarkeova transformacija združi tri tokove v dve pravokotni komponenti, imenovani alfa in beta, ne da bi pri tem izgubili kakršno koli informacijo. Preidemo iz sistema s tremi osmi v običajno ravnino z dvema osema. Ta dva toka ostaneta izmenična: vrtita se skupaj z motorjem.
3. korak: Park, pogled z rotorja
To je osrednja ideja FOC. Parkova transformacija zavrti to ravnino skupaj z rotorjem, pri čemer uporabi njegov kot. Gledano z rotorja se tok ne vrti več: postane dve skoraj konstantni vrednosti.
- Tok d (za »direktni«) je poravnan s poljem magnetov. Pri motorju s površinskimi magneti ne ustvarja navora; krepi ali slabi polje magnetov.
- Tok q (za »kvadraturni«) je pod kotom 90° glede na magnete. Ta sorazmerno ustvarja navor.
Upravljanje trifaznega izmeničnega motorja tako postane tako preprosto kot upravljanje motorja na enosmerni tok: nastavimo dve fiksni vrednosti, namesto da lovimo tri sinusoide.
4. korak: regulatorji
Pedal za plin določi nastavitveno vrednost navora, torej toka q. Nastavitvena vrednost toka d je v običajnem primeru nič. Dva regulatorja, eden za vsako os, nenehno primerjata izmerjeni tok z njegovo nastavitveno vrednostjo in izračunata napetost, ki jo je treba uporabiti za odpravo odstopanja. To so običajno tako imenovani proporcionalno-integralni (PI) regulatorji, katerih nastavitve so odvisne od upornosti in induktivnosti motorja. Za njihov izračun izvedemo zaznavanje motorja.
5. korak: inverzni Park in modulacija
Regulatorja podata dve napetosti v koordinatnem sistemu rotorja. Inverzna Parkova transformacija ju vrne v mirujoči koordinatni sistem statorja, nato pa ju krmilnik prevede v ukaze za odpiranje in zapiranje šestih stikal močnostnega mostu. Ta zadnji korak se imenuje modulacija; najbolj razširjena metoda, imenovana vektorska (SVPWM), iz baterije iztisne nekoliko več uporabne napetosti kot preprosta sinusna modulacija.
Celoten cikel se ponovi pri vsakem obdobju preklapljanja, običajno več deset tisočkrat na sekundo. Naš vodnik o notranjosti krmilnika prikazuje strojno opremo, ki izvaja te ukaze.
Kaj FOC prinaša v praksi
- Enakomeren navor: manj vibracij, mehak speljevanje, tišji motor.
- Boljši izkoristek: vsak amper je usmerjen tja, kjer ustvarja navor, kar zmanjšuje segrevanje pri enakem navoru.
- Neposreden nadzor navora: pedal za plin krmili silo, kar omogoča natančno vožnjo.
- Slabljenje polja: s spreminjanjem toka d lahko presežemo »naravno« najvišjo hitrost motorja. Oglejte si naš vodnik o slabljenju polja.
Omejitve
- FOC je odvisen od točnega položaja rotorja: napaka v kotu povzroči izgubo navora in segrevanje motorja.
- Temelji na modelu motorja: napačni parametri (neuspešno zaznavanje, močno segret motor) poslabšajo krmiljenje.
- Zahteva več izračunov, zato potrebuje hitrejši mikrokrmilnik kot krmiljenje s pravokotnim valom.
Pogosta vprašanja
Sta FOC in »sinusni krmilnik« ista stvar?
Ne povsem. »Sinusni« krmilnik pošilja sinusne napetosti, kar že zmehča delovanje motorja. FOC gre dlje: meri tokove in jih regulira v koordinatnem sistemu rotorja. Vsi FOC krmilniki proizvajajo sinusne tokove, vendar vsi sinusni krmilniki ne izvajajo FOC.
Zakaj ohranjati tok d na ničli?
Pri motorju s površinskimi magneti tok d ne ustvarja navora: le segreval bi motor. Ohranjamo ga na ničli, razen za slabljenje polja pri visoki hitrosti. Pri motorju z notranjimi magneti pa pravilno izbran tok d nasprotno poveča navor.
Ali FOC deluje brez senzorja?
Da, zahvaljujoč opazovalcu, ki oceni položaj na podlagi napetosti in tokov. To je zelo učinkovito med vožnjo, bolj zapleteno pa pri popolni zaustavitvi, kjer so potrebne posebne tehnike ali senzorji.