Алгоритмы управления двигателем: объяснение шестиступенчатых, FOC и бездатчиковых методов

В спецификации может быть указано, что контроллер двигателя выдерживает напряжение 48 В и 60 А, но он не скажет вам, как звучит двигатель при скорости ходьбы, какую пульсацию крутящего момента будет ощущать шасси вашего робота или сможет ли двигатель тронуться с места на крутом холме. Такое поведение определяется алгоритмом управления двигателем, встроенным в прошивку. Три семейства доминируют в управлении бесщеточными двигателями постоянного тока (BLDC) и синхронными двигателями с постоянными магнитами (PMSM): шестиступенчатая коммутация, ориентированное по полю управление (FOC) и методы бездатчикового наблюдателя. Для большинства новых программ транспортных средств и автоматизации FOC с бессенсорным наблюдателем является практическим стандартом по умолчанию, тогда как шестиступенчатая система остается недорогим выбором для простых нагрузок. В разделах ниже объясняется, чем отличаются эти алгоритмы и что эта разница означает при выборе контроллера.

Что на самом деле делают алгоритмы управления двигателем

Каждый алгоритм управления двигателем выполняет один и тот же базовый цикл. Он считывает или оценивает положение ротора, сравнивает измеренные фазные токи с заданным крутящим моментом или скоростью, вычисляет векторы напряжения, которые компенсируют эту ошибку, и подает их на инвертор, защищая силовой каскад. Алгоритм также управляет скоростью изменения скорости, ограничениями тока, рекуперативным торможением и обнаружением неисправностей.

Выбор алгоритма устанавливает потолок плавности крутящего момента, акустического шума, эффективности и динамического отклика. Мощный микроконтроллер не может исправить плохо структурированный контур управления, а простой алгоритм может привести к тому, что хороший в других отношениях контроллер будет выглядеть неуклюжим в требовательных транспортных средствах.

Основные семейства алгоритмов, используемые сегодня

Шестиступенчатая (трапециевидная) коммутация

Шестиступенчатая коммутация одновременно подает питание на две из трех фаз двигателя и проходит через шесть состояний переключения. Он прост в реализации, требует мало процессорного времени и естественным образом работает с датчиками Холла. Недостаток — пульсации крутящего момента в каждой точке коммутации и слышимый шум на низкой скорости. Шестиступенчатая коробка передач по-прежнему является разумным выбором для насосов, вентиляторов и недорогих тяговых приводов, где плавность хода имеет меньшее значение, чем цена.

Полеориентированное управление

Полеориентированное управление рассматривает ток статора как два независимых компонента: один создает крутящий момент, а другой управляет магнитным полем. После преобразований Кларка и Парка два ПИ-регулятора регулируют эти компоненты, а модуляция пространственного вектора преобразует результат обратно в трехфазное напряжение. FOC обеспечивает практически постоянный крутящий момент, низкий уровень шума и высокую эффективность во всем диапазоне скоростей, в том числе в режиме ожидания.

FOC требует больше вычислений, чем шестиэтапный, но для современных микроконтроллеров это больше не является ограничением. Он используется по умолчанию для электрических мотоциклов, приводов роботов, морских подвесных двигателей и большинства устройств, требующих предсказуемого крутящего момента.

Безсенсорные наблюдатели

Бездатчиковые алгоритмы оценивают положение ротора на основе измеренных напряжений и токов, а не на основе отдельного датчика положения. Измерение обратной ЭДС является самым простым подходом и работает значительно выше нескольких сотен об/мин. Наблюдатель скользящего режима повышает устойчивость к ошибкам параметров и шумам измерений. Расширенный фильтр Калмана обеспечивает точные оценки в условиях помех, но требует тщательной настройки. Высокочастотная инжекция возбуждает магнитную составляющую двигателя и выдает информацию о положении на нулевой и очень низкой скорости.

Практический компромисс заключается между стоимостью, возможностью работы на низких скоростях и подавлением помех. Удаление датчиков Холла и проводки энкодера снижает стоимость и повышает надежность, но только в том случае, если рабочий цикл позволяет оценщику выполнять свою работу.

Скалярное управление В/Гц

Скалярное управление поддерживает фиксированное соотношение между напряжением и частотой и в основном используется с асинхронными двигателями переменного тока. Он прост и не требует обратной связи по положению, но его реакция на крутящий момент слабая. Это встречается реже в трансмиссиях компактных автомобилей, поскольку в этих системах используются двигатели BLDC или PMSM, где FOC или шестиступенчатая коробка передач дают лучшие результаты.

Сравнение алгоритмов по приложениям

Разные рабочие циклы благоприятствуют разным алгоритмам. Электрический мотоцикл большую часть времени проводит на скорости выше нескольких сотен об/мин, поэтому бездатчиковый FOC с оценкой противо-ЭДС снижает затраты без ущерба для крейсерских характеристик; Старт на подъеме и маневрирование на низкой скорости подталкивают дизайнеров обратно к датчикам Холла. Шасси робота должно двигаться вперед и назад с точностью, для чего требуется датчик положения или высокочастотный впрыск. Когда платформа представляет собой робота-доставщика или мобильную базу манипуляций, быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока может быть разница между диском, который тормозит, и диском, который немедленно отслеживает команду.

R5 Быстродействующий контроллер бесщеточного двигателя постоянного тока, поставщики, завод - Shanghai APT APT - это R5 быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, поставщики и оптовая продажа R5 быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, завод в Китае... Посмотреть продукт →

Морской подвесной двигатель работает с постоянной скоростью в течение нескольких часов, поэтому эффективность и термическая стабильность имеют большее значение, чем переходные процессы. Квадроцикл или UTV замечает внезапные изменения нагрузки на пересеченной местности, что благоприятствует надежному наблюдателю и большому запасу тока. В таблице ниже приведены общие компромиссы.

Относитесь к таблице как к отправной точке, а не как к приговору. Хорошо спроектированный контроллер может сократить многие из этих пробелов, поскольку его токовая петля и наблюдатель настроены вместе. Вот почему опыт поставщика контроллера в работе с реальными рабочими циклами транспортных средств имеет такое же значение, как и название алгоритма в таблице данных.

Как выбор алгоритма влияет на выбор контроллера

Поскольку алгоритм находится во встроенном программном обеспечении, аппаратное обеспечение и встроенное ПО должны разрабатываться вместе. Параллельное подключение MOSFET определяет, насколько равномерно ток распределяется между фазами. Точность измерения тока задает нижний предел токовой петли FOC. Сила привода затвора влияет на потери при переключении и электромагнитные помехи. Тепловой расчет определяет, как долго контроллер сможет удерживать пиковый крутящий момент. Контроллер с хорошей микросхемой, но плохо настроенной прошивкой будет показывать пульсации крутящего момента и шум; контроллер с отличной прошивкой, но со слабым определением тока, отключится или ухудшится. Вот почему так много инженерного внимания сейчас уделяется роль программного обеспечения в современном управлении двигателем .

Та же логика применима и к самому двигателю. Сопротивление статора, фазовая индуктивность и постоянная противо-ЭДС определяют, что может и не может делать контроллер. Контроллер, рассчитанный на ток 60 А, не обеспечит эффективную работу плохо подобранного двигателя, а агрессивная настройка FOC может перегреть двигатель с низкой тепловой массой. Запрос проверенной пары мотор-контроллер — это часть процесса покупки, а не второстепенная мысль.

Что касается аппаратной части, Высокопроизводительные контроллеры двигателей серии T соедините прошивку FOC с широким напряжением с силовым каскадом, предназначенным для электронных мотоциклов, электронных квадроциклов и электронных подвесных двигателей. Они являются примером конструкции, в которой алгоритм управления и инвертор были разработаны в одной компании, поэтому встроенное ПО знает пределы аппаратного обеспечения.

Поставщики высокопроизводительных контроллеров двигателей серии T, завод APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 Завод по производству контроллеров синхронных двигателей с постоянными магнитами, Высокопроизводительный двигатель серии T Посмотреть продукт →

Практические критерии оценки контроллеров двигателей

Когда вы сравниваете контроллеры, обратите внимание на пиковое значение тока. Следующие пункты отличают контроллер, который работает на бумаге, от контроллера, который работает на дороге.

• Подтвердите, какой алгоритм на самом деле работает в прошивке. Некоторые недорогие контроллеры рекламируют FOC, но переключаются на шестиступенчатый режим на высокой скорости, чтобы скрыть ограничения вычислений.
• Проверьте, является ли реализация FOC бездатчиковой, основанной на Холле или переключаемой. Бездатчиковый режим сокращает количество проводов, но может вызывать затруднения на очень низкой скорости без высокочастотной подачи.
• Спросите, как настроен контур тока. Двигатели с разной фазовой индуктивностью требуют разного коэффициента усиления, а автоматическая настройка экономит часы во время запуска.
• Просмотрите поведение при перегрузке, включая ограничение тока, температурное снижение номинальных характеристик и устранение неисправностей. Эти детали определяют, остановится ли транспортное средство безопасно или застрянет гонщик.
• Рассмотрим акустический шум. Если продукт представляет собой электрический мотоцикл или робот-доставщик, который работает рядом с людьми, шум является преимуществом. сверхтихий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока Сверхтихий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A6, завод - Шанхай APT P APT - это сверхтихий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A6, поставщики и оптовая продажа сверхтихого бесщеточного контроллера двигателя постоянного тока A6 в Китае... Посмотреть продукт → представляет собой практический пример синусоидальной конструкции, обеспечивающей низкий уровень коммутационного шума.

Алгоритмы управления двигателем не следует выбирать только на основе структурной схемы. Сначала установите рабочий цикл, диапазон скоростей, уровень шума и требования к низкой скорости вашего автомобиля, а затем сравните контроллеры с этими целевыми показателями. Шестиступенчатый режим вполне достаточен для вентилятора, FOC — правильная отправная точка для большинства тяговых приложений, а наблюдатели без датчиков — инструмент экономии средств, когда позволяет диапазон скоростей. Лучший контроллер — тот, алгоритм, ступень мощности и поддержка приложений которого соответствуют реальному рабочему профилю вашего продукта.