Ympäristönsuojelu on aina ollut huolestuttava asia. Hiilidioksidipäästöisen elämän saavuttamiseksi teollisuusmaiden hallitukset käyttävät veroja ja maksuja hiilidioksidipäästöjen ja energiankäytön vähentämiseksi. Yli puolet sähköstä käytetään moottorin ohjaamiseen, joten suunnittelijoiden ei pitäisi joutua käyttämään tehokkaampaa moottorinohjausta ja suunnittelua.
Tässä artikkelissa otetaan käyttöön magneettikentän suuntausohjauksen (FOC) algoritmi ja pulssitaajuusmodulaatio (PFM) moottorin tarkkaan hallintaan, jotta saavutetaan korkea tarkkuus ja tehokkuus.
Field Oriented Control (FOC) -algoritmi
Skalaarisäätö (tai yleisesti nimitystä jännite / taajuusohjaus) on yksinkertainen säätömenetelmä, joka muuttaa moottorin vääntömomenttia ja nopeutta vaihtamalla jännitettä ja staattoriin syötettyä taajuutta. Tämä menetelmä on melko yksinkertainen ja se voidaan tehdä myös 8/16-bittisellä mikroprosessorilla. Yksinkertaiseen muotoiluun liittyy kuitenkin suurin haitta - luotettavan ja luotettavan valvonnan puute. Tämä ohjausmenetelmä on riittävä, jos kuormaa pidetään vakiona suurilla nopeuksilla. Mutta kun kuorma muuttuu, järjestelmä ei pysty vastaamaan nopeasti, mikä aiheuttaa energiahäviöitä.
Sen sijaan FOC tarjoaa tiukan moottorinohjauksen. Tämä menetelmä on suunniteltu pitämään staattorin virta ja magneettikenttä ortogonaalisessa tilassa (ts. 90 asteen kulmassa) maksimaalisen vääntömomentin saavuttamiseksi. Koska järjestelmän aikaansaama magneettikenttiin liittyvä tieto on vakio (onko se saatu kooderista tai se on arvioitu anturittomassa toiminnassa), se pystyy tarkasti säätämään staattorivirtaa maksimaalisen mekaanisen vääntömomentin aikaansaamiseksi.
Yleensä FOC on monimutkaisempi ja vaatii 32-bittisen prosessorin ja laitteiston kiihdytyksen. Syynä tähän on, että tämä menetelmä vaatii useita laskennallisesti intensiivisiä moduuleja, kuten Clark-muunnosta, Parker-muunnosta jne., Suorittamaan molemminpuolisen muuntamisen kolmiulotteisten tai kaksiulotteisten koordinaattijärjestelmien välillä nykyisen ja magneettisen vuon välisen suhteen erottamiseksi.
Kuten kuviossa 1 on esitetty, moottoreiden ohjaamiseen otettavat tulot käsittävät kohdevääntömomentin komennon, syöttövirran ja roottorin kulman. Muunnos ja laskenta tehdään näiden parametrien perusteella, ja tehoelektroniikan uusi ajaaarvo lasketaan. FOC: n kiertoa varten tarvittava aika kutsutaan silmukkaajaksi. Odotettaessa, mitä lyhyempi silmukka-aika, sitä nopeammin järjestelmä reagoi. Nopeasti reagoiva järjestelmä tarkoittaa sitä, että moottori voi nopeasti säätää kuormitusta ja kompensoida virheitä lyhyemmässä ajassa, jolloin moottori toimii tasaisemmin ja tehokkaampi.
FOC-algoritmi toteutetaan tyypillisesti käyttäen sulautettua prosessoria, jonka silmukkajaksot ovat 50us ja 100us riippuen mallista ja käytettävissä olevasta laitteistosta. Lisäksi ohjelmistoa voidaan käyttää FOC: n toteuttamiseen, mutta sen varmuutta ei voida taata. Siksi suuri määrä malleja luottaa FPGA-kiihdytykseen hyödyntääkseen tämän teknologian determinismia ja nopeaa käsittelyä. Käyttämällä edistyneintä 28nm FPGA-tekniikkaa, tyypillinen FOC-virtapiirin aika on 1.6us1, joka on merkittävästi lyhyempi kuin ohjelmistopohjainen.
Koska parannettu moottorinohjaus paitsi vähentää melua, mutta myös parantaa tehokkuutta ja tarkkuutta, useimmat nykyiset silmukat ovat tällä hetkellä käytössä laitteistossa ja pyrkivät siirtämään nopeussilmukoita ja asemointipiirejä laitteiston toteutuksiin. Tämä lähestymistapa on mahdollinen, koska digitaalisen elektroniikkatekniikan kehittymisen myötä yhdellä laitteella on tarpeeksi laskentatehoa. FPGA: n toteuttamat nopeudensäätöpiirin aika ja aseman ohjaussilmukan aika ovat vastaavasti 3.6us1 ja 18us1. Tämä on merkittävä suorituskyvyn parannus verrattuna perinteisiin ohjelmistopohjaisiin lähestymistapoihin, koska perinteiset sijainnin silmukka-ajat ovat tyypillisesti millisekuntina.
modulaatio
Modulaatio on myös keskeinen moduuli energiatehokkuuden parantamiseksi. Erilaisia modulaatiojärjestelmiä voidaan käyttää riippuen kuormasta, suorituskykyvaatimuksista ja sovellusvaatimuksista, ja nämä modulaatiomallit vaikuttavat merkittävästi moottorinohjausjärjestelmän toimintaan. Modulaatiokaavio (kuva 2) analysoi useita modulaatiojärjestelmiä, joita aiomme tarkastella tässä artikkelissa.
Perusmodulaatiomoduulijärjestelmä käyttää kuusivaiheista modulaatiomenetelmää, joka edustaa kuutta mahdollista kolmivaiheisten sillan yhdistelmiä (lukuun ottamatta 111 ja 000 nolotilaa, joissa kaikki kytkimet on kytketty pois päältä). Tämä kytkentämenetelmä on kuusikulmainen kuusi sinistä pistettä. Kuusivaiheinen modulaatiomenetelmä soveltaa maksimaalista tehoa moottoriin eli taajuusmuuttajan lähtöjännite on yhtä suuri kuin Vdc.
Vaikka lähtöteho on suuri ja suunnittelun toteutus on yksinkertaista, jos moottori vaatii suurta tarkkuutta ja suurta kestävyyttä, kuusivaiheista modulaatiomenetelmää ei tule käyttää. Tämä johtuu siitä, että moottori toimii epälineaarisessa tilassa ja tarvitsee "hypätä" yhdestä tilasta (kärki) toiseen tilaan eikä se voi toimia sujuvasti.
Moottorin tasaisempaa käyttöä varten voidaan käyttää sinimuotoista modulaatiota. Voiko sinimuotoisen modulaatiomenetelmän tehdä moottorista sujuvasti? Vaikka tämä menetelmä on hieman monimutkaisempi kuin kuusivaiheinen modulaatiomenetelmä eikä tehokkuudella ole mitään hyötyä, koska invertterin lähtö on vain puolet Vdc: stä, periaatteessa Vdc / 2 = 0,5 Vdc. Modulaatiokaaviona tämä on punainen ympyrän sisäpiiri.
Sinimuotoisen moduloinnin aiheuttamien häviöiden kompensoimiseksi saadaan avaruusvektori PWM (SVPWM) -modulaatio. SVPWM voi antaa jännitteen 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc. Samoin kuin sinimuotoista modulaatiota, SVPWM mahdollistaa moottorin toimivan sujuvasti. Modulaatiokaaviona tämä on punainen ympyrän ulompi ympyrä. Kuvio 3 on sinimuotoisen modulaatiomenetelmän ja SVPWM-modulaatiomenetelmän aaltomuodon vertailu.
Sekä sinimuotoinen modulaatio että avaruusvektorimodulaatio käyttävät pulssinleveysmodulaatiota (PWM), joka on yksi yleisimmistä teollisuuden modulaatiotekniikoista. Pulssileveysmodulaatio käyttää kuitenkin kiinteää modulointitaajuutta syöttöjännitteen säätämiseen muuttamalla pulssin leveyttä, joten harmonisten esiintyminen on ongelma. Harmoniset syyt ovat EMI, moottorin värähtely ja energiahäviö.
Harmonisten tukahduttamiseksi voidaan käyttää muuta modulaatiomenetelmää, nimittäin pulssitaajuusmodulaation (PFM) käyttämistä. Pulssitaajuusmodulaatio mahdollistaa pienen määrän pulssia kiinteällä leveydellä ja moduloidut eri jaksot (taajuus) riippuen halutusta arvosta. Tämä modulaatiomenetelmä vähentää harmonisia, koska harmoniset levyt leviävät kaikkiin taajuuksiin.
Tämä on PWM: n ja PFM: n FFT (Fast Fourier Transform) -taajuusanalyysi. Voidaan selvästi nähdä, että PFM voi poistaa kolmannen harmonisen särön.
