Keskkonnakaitse on alati olnud murettekitav teema. Madala süsinikusisaldusega elu saavutamiseks kasutavad arenenud riikide valitsused süsinikdioksiidiheite ja energiakasutuse vähendamiseks makseid ja tasusid. Mootorite juhtimiseks kasutatakse rohkem kui poole elektrit, nii et disaineritel ei peaks kasutama efektiivsemat mootori juhtimist ja disaini.
See artikkel tutvustab magnetvälja orientatsiooni kontrollimise (FOC) algoritmi ja impulssagedusmodulatsiooni (PFM) kasutamist, et saavutada täpset ja kõrge efektiivsuse saavutamiseks mootorit.
Field Oriented Control (FOC) algoritm
Skalaarjuhtimine (või sageli pinge / sagedusjuhtimine) on lihtne juhtimismeetod, mis muudab mootori pöördemomenti ja kiirust, muutes staatori toiteallikat (pinget) ja sagedust. See meetod on üsna lihtne ja seda saab teha ka 8/16-bitine mikroprotsessor. Kuid lihtsa disainiga kaasneb suurim puudus - usaldusväärse ja usaldusväärse kontrolli puudumine. Selline kontrollimeetod on piisav, kui koormat hoitakse suurel kiirusel konstantsena. Aga kui koormus muutub, ei saa süsteem kiiresti reageerida, mis toob kaasa energiakadu.
Seevastu FOC pakub pingelist mootori juhtimist. See meetod on ette nähtud staatori voolu ja magnetvälja säilitamiseks ortogonaalses olekus (st 90 kraadise nurga all) maksimaalse pöördemomendi saavutamiseks. Kuna süsteemiga saadud magnetväljataga seotud teave on konstantne (kas see on saadud kodeerijalt või on hinnatud anduriteta töös), saab ta staatori voolu täpselt juhtida, saavutamaks maksimaalse mehaanilise pöördemomendi.
Üldiselt on FOC keerukam ja vajab 32-bitist protsessorit ja riistvarakiirendust. Selle põhjuseks on see, et selleks, et välja selgitada voolu ja magnetvoo suhe, on vaja arvukalt arvutuslikult intensiivseid mooduleid, nagu Clarki teisendus, Parkeri muundamine jne, et teostada vastastikust konversiooni kolmemõõtmeliste või kahemõõtmeliste koordinaatide süsteemide vahel.
Nagu on näidatud joonisel 1, on mootori juhtimiseks arvestatavad sisendid sihtmomendi käsk, toitevool ja rootori nurk. Konversioon ja arvutamine tehakse nende parameetrite alusel ja arvutatakse jõuelektroonika uus draiviväärtus. FOC-i tsükli lõpetamiseks vajalik aeg nimetatakse loopiks. Nagu oodatud, on lühem silmusaeg, seda kiiremini süsteem vastab. Kiiresti reageeriv süsteem tähendab seda, et mootor saab kiiresti koormusega kohaneda ja kompenseerida vigu lühema aja jooksul mootori töö sujuvaks ja tõhusamaks.
FOC-algoritm viiakse tavaliselt sisse, kasutades varjatud protsessorit, mille silmusajad on vahemikus 50u ja 100u sõltuvalt mudelist ja saadaolevast riistvarast. FOC rakendamiseks võib kasutada ka tarkvara, kuid selle kindluse ei saa tagada. Seetõttu on suur arv disainilahendusi FPGA riistvarakiirendusel, et ära kasutada selle tehnoloogia determinismi ja kiiret töötlemist. Kasutades kõige täpsemat 28nm FPGA-tehnoloogiat, on tüüpiline FOC-loop aeg 1,6su1, mis on oluliselt lühem kui tarkvara lähenemine.
Kuna tõhustatud mootorikontroll mitte ainult ei vähenda müra, vaid parandab ka efektiivsust ja täpsust, siis enamus praeguseid silmuseid rakendatakse praegu riistvaras ja kipuvad kiirusringi ja positsiooni silmuseid rändama riistvara rakendusse. See lähenemine on võimalik, sest digitaalringhäälingu tehnoloogiale on üks seadme arvutusvõimsus küllaldane. FPGA poolt rakendatud kiiruskontrolli ahela ja positsiooni juhtimise ahela aeg on vastavalt 3.6us1 ja 18us1. See on märkimisväärne jõudluse paranemine võrreldes tavapäraste tarkvarapõhiste lähenemisviisidega, kuna tavapärased asukoha silmusajad on tavaliselt millisekundilise vahemiku ulatuses.
modulatsioon
Modulatsioon on ka oluline element energiatõhususe parandamiseks. Erinevad modulatsiooniskeemid võivad olla sõltuvalt koormusest, jõudlusnõuetest ja rakenduse nõudedest ning need modulatsiooniskeemid mõjutavad oluliselt mootori juhtimissüsteemi toimimist. Modulatsioonskeemil (joonis 2) analüüsitakse mitmeid modulatsiooniskeeme, mida me käesolevas artiklis läbi vaatame.
Kõige lihtsam modulatsioonikava kasutab kuueastmelist modulatsioonimeetodit, mis kujutab endast kuut kolmefaasiliste võimsildade kombinatsiooni (välja arvatud 111 ja 000 nullseadet, kus kõik lülitid välja lülitatakse). See lülitusmeetod on kujutatud kuuest kuusnurga sinistest tippudest. Kuueastmelise modulatsioonimeetodiga rakendatakse mootori maksimaalset võimsust, see tähendab, et muunduri väljundpinge võrdub Vdc-ga.
Kuigi väljundvõimsus on suur ja projekteerimine on lihtne, kui mootor nõuab suure täpsuse ja suure jõudlusega, ei tohiks kasutada kuueastmelist modulatsioonimeetodit. Seda seetõttu, et mootor töötab mittelineaarses seisundis ja peab ühelt riigilt (tipust) hüpata teisele seisundile ja seda ei saa sujuvalt töötada.
Mootori sujuvaks tööks saab kasutada sinusoidaalset modulatsiooni. Kas sinusoidaalse modulatsioonimeetodiga saab mootor töötada sujuvalt? Kuigi see meetod on mõnevõrra keerulisem kui kuusastmelise modulatsioonimeetodi puhul, ei ole efektiivsuse eelist, sest muunduri väljundiks on ainult pool Vdc, põhiliselt Vdc / 2 = 0,5 Vdc. Skeemilisel modulatsioonil on see kujutatud punase ringi sisemise ringina.
Sinusoidaalse modulatsiooni põhjustatud kahjude hüvitamiseks tuletatakse kosmose vektori PWM (SVPWM) modulatsioon. SVPWM võib pakkuda pinget 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc. SVPWM võimaldab sarnaselt sinusoidaalse modulatsiooniga ka mootorit sujuvalt liikuda. Skeemilisel modulatsioonil on see kujutatud punase ringi välimise ringina. Joonis fig 3 on sinusoidaalse modulatsiooni meetodi ja SVPWM-i modulatsioonimeetodi lainekuju võrdlus.
Nii sinusoidaalne modulatsioon kui ka ruumi vektori modulatsioon kasutavad impulsside laiuse modulatsiooni (PWM), mis on üks kõige tavalisemaid tööstuslikke modulatsiooni tehnikaid. Kuid impulsi laiuse modulatsioon kasutab fikseeritud modulatsiooni sagedust, et kohandada toitepinge juhtimist, muutes impulsi laiust, nii et harmooniliste esinemine on probleem. Harmonics on EMI, mootorivibratsiooni ja energiakaotuse põhjus.
Harmkide vältimiseks võib kasutada teist modulatsioonimeetodit, nimelt impulsi sagedusmodulatsiooni (PFM) kasutamist. Impulssageduse modulatsioon võimaldab väikest arvu impulsse hoida fikseeritud laiusega ja moduleerida erinevates ajavahemikes (sagedus) sõltuvalt soovitud väärtusest. See modulatsioonimeetod vähendab harmoonilisi, kuna harmoonilised levivad kõikides sagedustes.
See on PWM ja PFM sageduste analüüsi FFT (Fast Fourier Transform) võrdlus. On selge, et riigi rahanduse juhtimissüsteem võib kõrvaldada kolmanda harmoonilise moonutuse.
