Protezione dell'ambiente è sempre stato un argomento di preoccupazione. Al fine di raggiungere una vita a basso tenore di carbonio, i governi nei paesi sviluppati utilizzano le imposte e tasse per ridurre le emissioni di carbonio ed energia. Più della metà dell'energia elettrica viene utilizzata per pilotare il motore, quindi designer non dovrebbe essere necessario utilizzare più efficiente controllo del motore e il design.
Questo articolo introdurrà l'uso dell'algoritmo di controllo (FOC) orientamento di campo magnetico e modulazione di frequenza di impulso (PFM) a controllare da vicino il motore per ottenere alta precisione e ad alta efficienza.
Algoritmo di controllo orientato al campo (FOC)
Controllo scalare (o comunemente come controllo tensione/frequenza) è un metodo di controllo semplice che cambia la coppia e la velocità del motore modificando l'alimentazione elettrica (tensione) e la frequenza fornita allo statore. Questo metodo è abbastanza semplice e può essere fatto anche con un microprocessore ad 8/16 bit. Tuttavia, il design semplice è accompagnato dal più grande inconveniente - la mancanza di controllo robusto e affidabile. Questo metodo di controllo è sufficiente se il carico viene mantenuto costante a velocità elevate. Ma una volta che il carico cambia, il sistema non può rispondere rapidamente, con conseguente perdita di energia.
Al contrario, FOC fornisce uno stretto controllo motore. Questo metodo è progettato per mantenere la corrente dello statore e il campo magnetico in un stato ortogonale (cioè, a un angolo di 90 gradi) per raggiungere la coppia massima. Poiché il campo magnetico-correlate informazioni ottenute dal sistema sono costante (sia ottenuti dal codificatore stimato in funzione sensorless), può controllare con precisione la corrente per ottenere la massima coppia di torsione meccanica dello statore.
In generale, FOC è più complessa e richiede l'accelerazione hardware e processore a 32-bit. Il motivo è che questo metodo richiede diversi moduli computazionalmente intensivi, come trasformazione di Clark, trasformazione di Parker, ecc., per eseguire la conversione reciproca tra i sistemi di coordinate bidimensionale o tridimensionale per estrarre il rapporto tra corrente e flusso magnetico.
Come illustrato nella figura 1, gli ingressi da considerare per il controllo del motore includono il comando di destinazione coppia, angolo di corrente di alimentazione e il rotore. La conversione e il calcolo è fatto basato su questi parametri, e viene calcolato il nuovo valore di unità di elettronica di potenza. Il tempo necessario per completare un ciclo di FOC è chiamato il tempo di ciclo. Come previsto, minore è il tempo di ciclo, più velocemente il sistema risponderà. Un sistema veloce-risponde significa che il motore può rapidamente regolare al carico e compensare gli errori in un breve periodo di tempo di funzionamento del motore più agevole e una maggiore efficienza.
L'algoritmo FOC viene in genere implementato utilizzando un processore embedded con tempi di ciclo tra 50us e 100us, a seconda del modello e l'hardware disponibile. Inoltre, software può essere utilizzato per implementare FOC, ma la certezza non può essere garantita. Di conseguenza, un gran numero di disegni si basa sull'accelerazione hardware FPGA per sfruttare il determinismo e alta velocità di elaborazione di questa tecnologia. Utilizzando la più avanzata tecnologia FPGA 28nm, il tempo di ciclo attuale FOC tipico è 1.6us1, che è significativamente inferiore l'approccio di software.
Poiché controllo motore avanzata non solo riduce il rumore, ma migliora anche l'efficienza e la precisione, più corrente loop sono attualmente implementati in hardware e tendono a migrare velocità loop e loop di posizione nelle implementazioni hardware. Questo approccio è possibile perché con l'avanzamento della tecnologia digitale circuito elettronico, un unico dispositivo ha abbastanza potenza di calcolo. Il tempo di anello di controllo di velocità e tempo di anello di controllo di posizione implementato tramite FPGA sono 3.6us1 e 18us1, rispettivamente. Questo è un miglioramento significativo delle prestazioni negli approcci tradizionali software poiché i tempi di ciclo tradizionale posizione sono tipicamente nella gamma di millisecondo.
modulazione
La modulazione è anche un modulo chiave per migliorare l'efficienza energetica. Schemi di modulazione diversi possono essere utilizzati a seconda del carico, requisiti di prestazioni e requisiti di applicazione, e questi schemi di modulazione hanno un impatto significativo sul funzionamento del sistema di controllo motore. La modulazione schematica (Figura 2) analizza diversi schemi di modulazione, che ci accingiamo a esaminare in questo articolo.
Lo schema di modulazione più semplice utilizza un metodo di modulazione di sei-punto, che rappresenta sei possibili combinazioni dei ponti di potenza trifase (esclusi gli Stati null 000 e 111, in cui tutti gli interruttori spenti). Questo metodo di commutazione è rappresentato come blu sei vertici di un esagono. Il metodo di modulazione di sei-punto si applica la massima potenza al motore, cioè, la tensione di uscita dell'inverter è uguale a Vcc.
Anche se la potenza di uscita è grande e l'implementazione di progettazione è semplice, se il motore richiede alta precisione ed elevata robustezza, il metodo di modulazione di sei-punto non deve essere utilizzato. Questo perché il motore viene eseguito in uno stato non-lineare e ha bisogno di "saltare" da uno stato (vertice) ad un altro stato e non può funzionare senza problemi.
Per un funzionamento più fluido del motore, modulazione sinusoidale può essere utilizzato. Può il metodo di modulazione sinusoidale rendere il motore senza intoppi? Anche se questo metodo è leggermente più complicato rispetto al metodo di modulazione di sei fasi, e non comporta alcun vantaggio in termini di efficienza, perché l'uscita dell'inverter è solo metà della Vdc, fondamentalmente Vdc / 2 = 0,5 Vdc. Sulla modulazione schematica, questo è rappresentato come il cerchio interno del cerchio rosso.
Per compensare le perdite causate dalla modulazione sinusoidale, spazio vettoriale modulazione PWM (SVPWM) è derivato. Il SVPWM in grado di fornire una tensione di 1/√3Vdc = 0.5773Vdc. Simile a modulazione sinusoidale, SVPWM consente anche al motore di funzionare senza intoppi. Sulla modulazione schematica, questo è rappresentato come il cerchio esterno del cerchio rosso. Nella figura 3 è un confronto di forma d'onda del metodo modulazione sinusoidale e il metodo di modulazione SVPWM.
Sia modulazione sinusoidale e spazio vettoriale modulazione utilizzare modulazione di larghezza di impulso (PWM), una delle più comuni tecniche di modulazione industriale. Tuttavia, la modulazione di larghezza di impulso utilizza una frequenza di modulazione fisso per regolare il controllo della tensione di alimentazione modificando la larghezza di impulso, quindi la presenza di armoniche è un problema. Le armoniche sono la causa della EMI, la vibrazione del motore e la perdita di energia.
Per eliminare le armoniche, può essere utilizzato un altro metodo di modulazione, vale a dire utilizzando la modulazione di frequenza di impulso (PFM). Modulazione di frequenza di impulso permette un piccolo numero di impulsi per essere tenuto con una larghezza fissa e modulato in periodi diversi (frequenza) in base al valore desiderato. Questo metodo di modulazione riduce armoniche perché le armoniche sono distribuite attraverso tutte le frequenze.
Questo è il confronto dell'analisi FFT (Fast Fourier Transform) frequenza di PWM e PFM. Esso può essere visto chiaramente che la PFM in grado di eliminare la distorsione di terza armonica.
