Vektorska modulacija (SVPWM): kako krmilnik s šestimi stikali ustvari sinusne valove

Vektorsko krmiljenje v vsakem trenutku izračuna napetost, ki jo je treba dovesti motorju. Preostane le še, da jo proizvedemo s mostičkom s šestimi stikali, ki znajo le dvoje: biti odprta ali zaprta. To je vloga modulacije, najpogostejša metoda pa se imenuje vektorska modulacija ali SVPWM (»Space Vector Pulse Width Modulation«).

Osem stanj, nič več

Vsaka faza motorja je povezana bodisi na plus bodisi na minus pol baterije, odvisno od tega, katero od njenih dveh stikal je zaprto (glej notranjost krmilnika). S tremi fazami in dvema položajema za vsako obstaja 2 × 2 × 2 = 8 kombinacij.

• Šest aktivnih kombinacij: vsaj ena faza je na plusu in vsaj ena na minusu. Vsaka potisne polje motorja v fiksno smer. Teh šest smeri je razporejenih pod kotom 60° in tvorijo šesterokotnik.
• Dve ničelni kombinaciji: vse tri faze na plusu ali vse tri na minusu. Med fazami ni napetosti.

Ustvarjanje poljubne napetosti s povprečenjem

Vektorsko krmiljenje zahteva napetost določene moči in smeri, ki se vrti skupaj z rotorjem. Ta smer skoraj vedno pade med dve od šestih razpoložljivih smeri.

Zamisel SVPWM je preprosta: med vsakim obdobjem preklapljanja uporabimo prvo sosednjo smer za del časa, drugo za drug del časa, preostanek časa pa ničelno kombinacijo. V povprečju skozi celotno obdobje motor »vidi« točno zahtevano napetost. Močnejša kot je želena napetost, manj časa ostane za ničelno kombinacijo.

Navitja motorja zgladijo te impulze. Ker se obdobje ponovi več deset tisočkrat na sekundo, je dobljeni tok skoraj popoln sinusni val.

Zakaj 15 % več napetosti

Pri preprosti sinusni modulaciji vsaka faza sledi svojemu sinusnemu valu, ki je centriran na polovico napetosti baterije. Njegova amplituda ne more preseči te polovice: napetost med dvema fazama je tako omejena pod tisto, kar bi lahko dala baterija.

Motor pa čuti le razlike v napetosti med svojimi fazami. SVPWM to izkoristi: nenehno premika skupno »središče« treh faz, da izkoristi celotno napetost baterije. Meja uporabne napetosti se dvigne s polovice napetosti baterije na približno 58 % (ena deljeno s korenom iz treh), kar pomeni približno 15-odstotno povečanje.

Konkretno to pomeni, da je z isto baterijo in istim motorjem najvišja hitrost pred oslabitvijo polja višja. Enak rezultat dobimo, če vsakemu sinusnemu valu dodamo komponento s trikratno frekvenco, ki se med fazami izniči: to je isti trik, le viden z drugega zornega kota.

Naprej: nadmodulacija

Ko zahtevana napetost preseže tisto, kar lahko šesterokotnik proizvede neprekinjeno, lahko krmilnik pridobi še nekaj z deformacijo sinusnega vala, dokler ne uporablja več le šestih aktivnih kombinacij, po eno na šestino obrata: to je »šeststopenjski« val. Pridobimo nekaj odstotkov napetosti, vendar za ceno manj sinusnega toka, izgub in dodatnega hrupa.

Podrobnosti, ki štejejo v praksi

• Mrtvi čas med odpiranjem enega stikala in zapiranjem drugega rahlo deformira proizvedeno napetost. Dobri krmilniki to kompenzirajo.
• Merjenje toka poteka med ničelno kombinacijo, ko tok teče skozi merilne upore, ne da bi bil moten. Pri zelo visoki zahtevani napetosti se to okno skrajša.
• Simetrična razporeditev ničelnih kombinacij na začetku in koncu vsakega obdobja zmanjša valovanje toka in hrup.