Ochrana životního prostředí byla vždy předmětem zájmu. Aby se dosáhlo nízkouhlíkového života, vlády ve vyspělých zemích využívají daně a poplatky za účelem snížení emisí uhlíku a spotřeby energie. Více než polovina elektřiny se používá k pohonu motoru, takže konstruktéři by nemuseli používat efektivnější řízení a návrh motoru.
Tento článek představí použití algoritmu řízení orientace magnetického pole (FOC) a pulzní frekvenční modulace (PFM), aby přesně řídil motor, aby dosáhl vysoké přesnosti a vysoké účinnosti.
Algoritmus FOC (Field Oriented Control)
Skalární řízení (nebo běžně označované jako řízení napětí / frekvence) je jednoduchá regulační metoda, která mění moment a rychlost motoru změnou napájecího napětí (napětí) a frekvence dodávané statoru. Tato metoda je poměrně jednoduchá a může být provedena i s 8 / 16bitovým mikroprocesorem. Jednoduchý návrh však doprovází největší nevýhody - nedostatek robustní a spolehlivé kontroly. Tato kontrolní metoda je dostatečná, pokud je zatížení udržováno konstantní při vysokých rychlostech. Jakmile se však zatížení změní, systém nemůže reagovat rychle, což vede ke ztrátě energie.
Naproti tomu FOC zajišťuje těsné ovládání motoru. Tato metoda je navržena tak, aby udržovala statorový proud a magnetické pole v ortogonálním stavu (tj. V úhlu 90 stupňů), aby dosáhla maximálního točivého momentu. Vzhledem k tomu, že informace o magnetickém poli získané systémem jsou konstantní (ať už byly získány z kodéru nebo byly odhadnuty bez snímače), může přesně řídit proud statoru, aby dosáhl maximálního mechanického kroutícího momentu.
FOC je obecně složitější a vyžaduje 32bitovou procesorovou a hardwarovou akceleraci. Důvodem je, že tato metoda vyžaduje několik výpočetně intenzivních modulů, jako je Clarkova transformace, Parkerova transformace atd., Pro provádění vzájemné konverze mezi trojrozměrnými nebo dvourozměrnými souřadnicovými systémy, aby se získal vztah mezi proudovým a magnetickým tokem.
Jak je znázorněno na obrázku 1, vstupy, které je třeba vzít v úvahu při řízení motoru, zahrnují příkazy pro cílový moment, napájecí proud a úhel rotoru. Konverze a výpočet se provádí na základě těchto parametrů a vypočítá se nová hodnota pohonu výkonové elektroniky. Čas potřebný k dokončení cyklu FOC se nazývá čas smyčky. Jak je očekáváno, čím kratší je doba smyčky, tím rychleji reaguje systém. Rychle reagující systém znamená, že se motor může rychle přizpůsobit zatížení a kompenzovat chyby v kratším časovém úseku pro hladší provoz motoru a vyšší účinnost.
Algoritmus FOC je typicky implementován za použití vestavěného procesoru se smyčkovými časy mezi 50us a 100us, v závislosti na modelu a dostupném hardwaru. Kromě toho může být software použit k implementaci FOC, ale jeho jistota nemůže být zaručena. Proto se velké množství návrhů spoléhá na hardwarovou akceleraci FPGA, která využívá determinismu a vysokorychlostního zpracování této technologie. Použitím nejmodernější technologie FPGA o rychlosti 28nm je typická doba proudu FOC proudu 1,6us1, což je podstatně kratší než softwarový přístup.
Vzhledem k tomu, že vylepšené řízení motoru nejen snižuje hluk, ale také zvyšuje efektivitu a přesnost, většina proudových smyček je v současné době implementována do hardwaru a má tendenci migrovat rychlostní smyčky a pozici smyček do hardwarových implementací. Tento přístup je možný, protože díky pokroku technologie digitálních elektronických obvodů má jediné zařízení dostatek výpočetního výkonu. Čas cyklu regulace otáček a časový úsek regulace polohy implementovaný FPGA jsou 3.6us1 a 18us1. Jedná se o významné zlepšení výkonu oproti tradičním softwarovým přístupům, protože tradiční orientační časy umístění jsou obvykle v milisekundovém rozsahu.
modulace
Modulace je také klíčovým modulem pro zlepšení energetické účinnosti. Různé modulační schémata mohou být použity v závislosti na zatížení, požadavcích na výkon a požadavcích na aplikace a tyto modulační schémata mají významný vliv na provoz řídicího systému motoru. Modulační schéma (obr. 2) analyzuje několik modulačních schémat, které hodláme přezkoumat v tomto článku.
Nejzákladnější modulační schéma využívá šestistupňovou modulační metodu, která představuje šest možných kombinací třífázových silových mostů (s výjimkou 111 a 000 nulových stavů, ve kterých jsou všechny vypínače vypnuty). Tato přepínací metoda je reprezentována šesti modrými vrcholy šestiúhelníku. Šestistupňová modulační metoda uplatňuje maximální výkon motoru, to znamená, že výstupní napětí měniče se rovná Vdc.
Přestože výstupní výkon je velký a provedení návrhu je jednoduché, pokud motor vyžaduje vysokou přesnost a vysokou robustnost, neměla by se použít šestistupňová modulační metoda. Je to proto, že motor běží v nelineárním stavu a potřebuje "skok" z jednoho stavu (vrcholu) do jiného stavu a nemůže běžet hladce.
Pro hladší provoz motoru lze použít sinusovou modulaci. Může způsob sinusové modulace hladký chod motoru? Přestože je tato metoda poněkud komplikovanější než šestistupňová modulační metoda a efektivita není výhodná, protože výstup měniče je pouze polovina Vdc, v podstatě Vdc / 2 = 0,5 Vdc. Na modulační schéma je toto znázorněno jako vnitřní kružnice červeného kruhu.
Pro kompenzaci ztrát způsobených sinusovou modulací je odvozena modulace prostorového vektoru PWM (SVPWM). SVPWM může poskytovat napětí 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc. Podobně jako při sínusové modulaci, SVPWM také umožňuje plynulý chod motoru. Na modulační schéma je toto znázorněno jako vnější kružnice červeného kruhu. Obrázek 3 je porovnáním průběhu sinusové modulační metody a modulační metodou SVPWM.
Modulace sínusové modulace a prostorová vektorová modulace využívají modulaci šířky impulzů (PWM), která je jednou z nejběžnějších technik modulace v průmyslu. Modulace šířky impulzů však používá pevnou modulační frekvenci pro nastavení regulace napájecího napětí změnou šířky impulsu, takže výskyt harmonických je problém. Harmonika jsou příčinou EMI, vibrací motoru a ztrátou energie.
Pro potlačení harmonických lze použít jinou modulační metodu, konkrétně pulzní frekvenční modulaci (PFM). Pulzní frekvenční modulace umožňuje, aby malý počet impulzů byl udržován v pevné šířce a modulován v různých obdobích (frekvence) v závislosti na požadované hodnotě. Tato modulační metoda snižuje harmonické, protože harmonické jsou rozloženy napříč všemi frekvencemi.
Toto je srovnání frekvenční analýzy FFT (rychlá Fourierova transformace) PWM a PFM. Je zřejmé, že PFM může eliminovat třetí harmonické zkreslení.
