Här är en förklaring av vektorstyrning (FOC): Clarke-transformeringen, Park-transformeringen, och axlarna d och q

Nästan alla moderna prestandakontroller styr sina motorer med vektorstyrning, vilket är mer känt under sitt engelska namn FOC ("Field Oriented Control", flödesorienterad styrning). Det är känt för att göra motorn tystare och mer effektiv. Denna guide förklarar hur det fungerar, utan komplicerade ekvationer, men utan att utelämna något.

Problemet som ska lösas

En permanentmagnetmotor har magneter på sin roterande del (rotorn) och lindningar på sin fasta del (statorn). Strömmen i lindningarna skapar ett magnetfält; magneterna har sitt eget. Vridmomentet uppstår genom attraktionen mellan de två fälten, precis som när man för två magneter närmare varandra.

Detta vridmoment är maximalt när magnetfältet i lindningarna är framför magnetfältet i magneterna med en fjärdedel av en elektrisk varvning, vilket motsvarar 90°. Ju närmare detta läge, desto mindre kraft genereras och desto mer värme utvecklas; vid 0° genereras ingen kraft alls, utan motorn värms bara upp. Eftersom rotorn roterar måste magnetfältet i lindningarna rotera med den, och upprätthålla denna vinkel hundratals gånger per sekund.

Styrningen med fyrkantsvåg begränsas till sex positioner per varv: vinkeln varierar runt 90°, men stannar aldrig kvar vid den. Detta orsakar vibrationer i vridmomentet och ljud. FOC (Field-Oriented Control) strävar däremot efter att hålla vinkeln på 90° kontinuerligt.

Steg 1: Mät strömmarna och fastställ positionen

Styrenheten mäter strömmen i motorfaserna, tiotusentals gånger per sekund. Eftersom summan av de tre strömmarna är noll, räcker det i teorin att mäta två; många styrenheter mäter alla tre för att uppnå högre precision.

Han behöver också vinkeln på rotorn: denna information kan erhållas från sensorer (Hall-sensorer, encoders) eller uppskattas genom en beräkning som kallas "observatör", baserat på spänningar och strömmar. Vår guide om positionsgivare beskriver dessa lösningar.

Steg 2: Clarke-transformering, från tre faser till två

De tre faserna i motorn är förskjutna med 120°. Clark-transformeringen grupperar de tre strömmarna i två vinkelräta komponenter, kallade alfa och beta, utan att förlora någon information. Man går från ett system med tre axlar till ett vanligt plan med två axlar. Dessa två strömmar förblir växelströmsbaserade: de roterar tillsammans med motorn.

Steg 3: Parkera och observera från rotorn

Det är den centrala idén bakom FOC (Field-Oriented Control). Park-transformeringen roterar detta plan tillsammans med rotorn, och använder rotorns vinkel. Sett från rotorn roterar inte längre strömmen: den blir istället två värden som är nästan konstanta.

• Strömmen (för "direkt") är inriktad i linje med magnetfältet. Den genererar inte vridmoment i en motor med ytliga magneter; istället förstärker eller försvagar den magnetfältet.
• Strömmen q (för "kvadraturlag") är 90° från magneterna. Det är den som genererar vridmomentet, proportionellt.

Att styra en trefasig växelströmsmotor blir därmed lika enkelt som att styra en likströmsmotor: man justerar två fasta värden istället för att försöka följa tre sinusvågor.

Steg 4: Regulatorerna

Gasreglaget ställer in en momentreferens, vilket innebär en strömreferens (q). Strömreferensen (d) är vanligtvis noll i det här fallet. Två regulatorer, en för varje axel, jämför kontinuerligt den uppmätta strömmen med dess referensvärde och beräknar spänningen som ska appliceras för att korrigera avvikelsen. Dessa är vanligtvis proportionella-integrala (PI)-regulatorer, vars inställningar beror på motorns resistans och induktans. Det är för att beräkna dessa värden som vi utför motordetektionen.

Steg 5: Bakåtkörning och moduleringsfunktion

Regulatorerna genererar två spänningar som refereras till rotorns position. Park-transformeringen omvandlar dessa spänningar till ett fast koordinatsystem som refereras till statorn, varefter styrenheten omvandlar dem till öppnings- och stängningssignaler för de sex strömbrytarna i effektbryggan. Detta sista steg kallas modulering; den vanligaste metoden, kallad vektorstyrning (SVPWM), utvinner något mer användbar spänning från batteriet än den enkla sinusformiga moduleringen.

Hela denna cykel upprepas vid varje period av pulsbreddsmodulering, typiskt sett tiotusentals gånger per sekund. Vår guide om insidan av en motorstyrenhet visar den hårdvara som utför dessa kommandon.

Vad FOC faktiskt innebär:

• En jämn kraftöverföring: Färre vibrationer, en mjukare start och en tystare motor.
• Bättre prestanda: Varje ampere används där den genererar vridmoment, vilket minskar värmeutvecklingen vid samma vridmoment.
• Direkt momentstyrning: Gasreglaget styr en kraft, vilket ger en precis körupplevelse.
• Defluxning: Genom att påverka strömmen kan man överskrida den maximala "naturliga" hastigheten för motorn. Se vår guide om defluxning.

Gränserna

• FOC-styrningen är beroende av en korrekt rotorposition. Ett fel i vinkelmätningen leder till minskat vridmoment och att motorn blir varm.
• Den bygger på en modell av motorn: felaktiga parametrar (misslyckad detektering, motor som blivit överhettad) försämrar körupplevelsen.
• Den kräver mer beräkning, vilket innebär att en snabbare mikrokontroller behövs än vad som skulle vara möjligt med en enkel pulsbreddsmodulering (PWM)-styrning.