La protecció del medi ambient sempre ha estat un tema de preocupació. Per aconseguir una vida amb poc carboni, els governs dels països desenvolupats utilitzen impostos i taxes per reduir les emissions de carboni i l'ús d'energia. Més de la meitat de l'electricitat s'utilitza per conduir el motor, de manera que els dissenyadors no haurien d'haver d'utilitzar un control i disseny més eficients del motor.
Aquest article introduirà l'ús de l'algoritme de control de l'orientació del camp magnètic (FOC) i la modulació de freqüència de pols (PFM) per controlar de prop el motor per aconseguir una alta precisió i alta eficiència.
Algorisme de control de camp (FOC)
El control escalat (o comunament anomenat control de tensió / freqüència) és un simple mètode de control que canvia el parell i la velocitat del motor al canviar la font d'alimentació (tensió) i la freqüència subministrada a l'estator. Aquest mètode és bastant simple i es pot fer fins i tot amb un microprocessador de 8/16-bit. No obstant això, el disseny senzill va acompanyat del major inconvenient: la manca de control robust i fiable. Aquest mètode de control és suficient si la càrrega es manté constant a altes velocitats. Però una vegada que la càrrega canvia, el sistema no pot respondre ràpidament, el que resulta en pèrdues d'energia.
En canvi, FOC proporciona un control motor estret. Aquest mètode està dissenyat per mantenir el corrent i el camp magnètic de l'estator en un estat ortogonal (és a dir, en un angle de 90 graus) per aconseguir un parell màxim. Atès que la informació relacionada amb el camp magnètic obtinguda pel sistema és constant (ja sigui obtinguda del codificador o estimada en operacions sense sensor), pot controlar amb precisió la corrent del estator per aconseguir el màxim parell mecànic.
En general, FOC és més complex i requereix processador de 32 bits i acceleració de maquinari. La raó és que aquest mètode requereix diversos mòduls computacionalment intensius, com la transformada de Clark, la transformació de Parker, etc., per realitzar una conversió mútua entre sistemes de coordenades tridimensionals o bidimensionals per extreure la relació entre flux de corrent i magnètic.
Tal i com es mostra a la figura 1, les entrades que cal tenir en compte per controlar el motor inclouen l'ordre del torneig de destinació, el corrent de subministrament i l'angle del rotor. La conversió i el càlcul es realitzen a partir d'aquests paràmetres, i es calcula el nou valor de transmissió de l'electrònica de potència. El temps necessari per completar un cicle de FOC s'anomena temps de bucles. Com era d'esperar, com més curt sigui el temps de bucle, més ràpid respondrà el sistema. Un sistema de resposta ràpida fa que el motor pugui ajustar-se ràpidament a la càrrega i compensar els errors en un període de temps més curt per a un funcionament més suau del motor i una major eficiència.
L'algoritme FOC s'implementa normalment mitjançant un processador incrustat amb temps de bucle entre 50 i 100 segons, depenent del model i el maquinari disponible. A més, el programari es pot utilitzar per implementar FOC, però no es pot garantir la seva certesa. Per tant, una gran quantitat de dissenys confien en l'acceleració del maquinari FPGA per aprofitar el determinisme i el processament d'alta velocitat d'aquesta tecnologia. Mitjançant la tecnologia FPGA de 28nm més avançada, el temps de bucle actual de FOC actual és 1.6u1, el que és significativament més curt que l'enfocament del programari.
Atès que el control motoritzat millorat no només redueix el soroll, sinó que també millora l'eficiència i la precisió, la majoria dels circuits actuals s'implementen actualment en el maquinari i tendeixen a migrar els bucles de velocitat i els bucles de posició en implementacions de maquinari. Aquest enfocament és possible perquè amb l'avanç de la tecnologia de circuits electrònics digitals, un dispositiu únic té prou potència de càlcul. El temps de bucle de control de velocitat i el temps de bucle de control de posició implementat per FPGA són 3.6us1 i 18us1, respectivament. Es tracta d'una millora significativa del rendiment sobre els enfocaments de programari tradicionals, ja que els temps tradicionals del bucle d'ubicació solen ser en el rang de mil·lisegons.
modulació
La modulació també és un mòdul clau per millorar l'eficiència energètica. Es poden utilitzar diferents esquemes de modulació en funció de la càrrega, els requisits de rendiment i els requisits d'aplicació, i aquests esquemes de modulació tenen un impacte significatiu en el funcionament del sistema de control del motor. L'esquema de la modulació (Figura 2) analitza diversos esquemes de modulació que anem a revisar en aquest article.
El sistema de modulació més bàsic utilitza un mètode de modulació de sis passos, que representa sis possibles combinacions de ponts d'alimentació trifàsica (excloent els 111 i 000 estats nuls, en els quals tots els interruptors estan apagats). Aquest mètode de commutació es representa com sis vèrtexs blaus d'un hexàgon. El mètode de modulació de sis passos aplica la màxima potència al motor, és a dir, la tensió de sortida de l'inversor és igual a Vdc.
Tot i que la potència de sortida és gran i la implementació del disseny és senzilla, si el motor requereix una alta precisió i alta robustesa, no s'ha d'utilitzar el mètode de modulació de sis passos. Això es deu al fet que el motor s'executa en un estat no lineal i necessita "saltar" d'un estat (vertex) a un altre estat i no pot funcionar sense problemes.
Per a un funcionament més suau del motor, es pot utilitzar la modulació sinusoidal. Pot el mètode de modulació sinusoïdal fer que el motor funcioni sense problemes? Encara que aquest mètode és una mica més complicat que el mètode de modulació de sis passos, i no hi ha cap avantatge en l'eficiència, ja que la sortida de l'inversor és només la meitat de Vdc, bàsicament Vdc / 2 = 0.5 Vdc. En l'esquema de la modulació, això es representa com el cercle interior del cercle vermell.
Per compensar les pèrdues causades per la modulació sinusoïdal, es deriva la modulació PWM (SVPWM) del vector espacial. El SVPWM pot proporcionar una tensió de 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc. Similar a la modulació sinusoidal, SVPWM també permet que el motor funcioni sense problemes. En l'esquema de la modulació, això es representa com el cercle exterior del cercle vermell. La Figura 3 és una comparació de forma d'ona del mètode de modulació sinusoïdal i el mètode de modulació SVPWM.
Tant la modulació sinusoïdal com la modulació del vector espacial utilitzen la modulació d'amplada de pols (PWM), una de les tècniques de modulació industrial més habituals. No obstant això, la modulació de l'amplada de pols utilitza una freqüència de modulació fixa per ajustar el control de la tensió d'alimentació canviant l'amplada del pols, de manera que l'aparició d'harmònics és un problema. Les harmònies són la causa de l'EMI, la vibració motriu i la pèrdua d'energia.
Per suprimir els harmònics, es pot utilitzar un altre mètode de modulació, és a dir, la modulació de freqüència de pols (PFM). La modulació de freqüència de pols permet mantenir una petita quantitat de polsos a un ample fix i modular en diferents períodes (freqüència) depenent del valor desitjat. Aquest mètode de modulació redueix els harmònics perquè els harmònics es distribueixen en totes les freqüències.
Aquesta és la comparació de l'anàlisi de freqüència FFT (Fast Fourier Transform) de PWM i PFM. Es pot veure clarament que el PFM pot eliminar la tercera distorsió harmònica.
