Объяснение управления крутящим моментом: практическое руководство по выбору контроллера двигателя BLDC

Представьте себе электрический мотоцикл, удерживающийся на крутом пандусе и перевозящий пассажира. Регулятор скорости удерживает низкую заданную скорость, однако небольшой рывок дроссельной заслонки может превратить контролируемый запуск в резкий рывок. А теперь представьте, как робот-доставщик пересекает слишком узкий дверной проем. Если контроллер продолжает нажимать на полную мощность, коробка передач поглощает удар. Обе ситуации решаются с помощью управления крутящим моментом — режима работы, который регулирует силу вращения, создаваемую двигателем, а не его скорость или положение.

Эта статья написана для инженеров и проектных групп OEM, которые оценивают контроллеры бесщеточных двигателей для электрических мотоциклов, шасси роботов, электрических квадроциклов, UTV и подвесных моторов. Мы объясним, что на самом деле означает управление крутящим моментом в приводе BLDC или PMSM, как контроллер достигает этого и какие характеристики определяют, будет ли крутящий момент плавным и отзывчивым в реальной работе.

Что на самом деле означает контроль крутящего момента

Управление крутящим моментом регулирует ток, подаваемый на двигатель, так, чтобы крутящий момент на валу соответствовал команде, подаваемой водителем, водителем или контроллером движения. Не держит заданную скорость. Он не удерживает положение ротора. Двигатель просто развивает скорость, соответствующую приложенному крутящему моменту и нагрузке, приложенной к валу.

Простое сравнение помогает. Когда вы толкаете ручную тележку, ваши руки прилагают силу, и тележка движется с любой скоростью, которую создает эта сила, преодолевая сопротивление качению и уклон. Ваши руки контролируют крутящий момент. Если вместо этого вы заблокируете скорость тележки, это будет контроль скорости.

Контроль крутящего момента также является защитной функцией. Контроллер, запрограммированный на выдачу не более 15 Нм, просто не выдаст 20 Нм, даже если этого потребует водитель. Пробуксовка колес на рыхлом гравии, заблокированный привод или частично заклинивший подшипник больше не приводят непосредственно к нагрузке на трансмиссию. Вот почему ограничение крутящего момента часто используется в качестве функции безопасности в системах движения.

Как бесщеточный контроллер обеспечивает контролируемый крутящий момент

В бесщеточном двигателе постоянного тока или синхронном двигателе с постоянными магнитами крутящий момент пропорционален току якоря по квадратурной оси. Таким образом, управление крутящим моментом является управлением по току. Хорошо спроектированный контроллер измеряет фазные токи, сравнивает компонент, создающий крутящий момент, с командой крутящего момента и регулирует схему переключения инвертора, чтобы уменьшить ошибку. В этой внутренней токовой петле на самом деле существует управление крутящим моментом.

Полеориентированное управление и токовая петля

Полеориентированное управление, обычно называемое FOC, преобразует измеренные трехфазные токи в два компонента во вращающейся системе отсчета: компонент намагничивания на оси d и компонент, создающий крутящий момент на оси q. Контроллер выдает команду току по оси q соответствовать требуемому крутящему моменту и поддерживает ток по оси d около нуля для СИМД поверхностного монтажа. Пропускная способность этой токовой петли определяет, насколько быстро произойдет коррекция крутящего момента. Контур, обновляемый на частоте от 10 до 20 кГц, реагирует на изменения нагрузки за несколько миллисекунд, что и является разницей между стабильным медленным движением и прерывистым движением на низкой скорости. FOC является основной причиной Технология синхронных двигателей с постоянными магнитами продолжает совершенствоваться для тяговых приложений: одно и то же оборудование обеспечивает более плавный крутящий момент, более высокую эффективность и рекуперативное торможение только за счет изменений программного обеспечения.

Обратная связь с датчиком и безсенсорная работа

Качество управления крутящим моментом во многом зависит от обратной связи по положению ротора. Датчики Холла обеспечивают грубое разрешение в 60 градусов, чего достаточно для трапециевидной коммутации, но недостаточно для плавного крутящего момента на низкой скорости. Энкодеры и резольверы обеспечивают постоянный угол поворота ротора, позволяя FOC поддерживать точный крутящий момент даже вблизи остановки. Бездатчиковые алгоритмы оценивают положение ротора по противо-ЭДС, что устраняет затраты на датчик, но не может поддерживать полный крутящий момент при нулевой скорости, когда противо-ЭДС отсутствует. Многие производственные приводы используют гибридную стратегию: запуск с помощью датчиков и работа без датчиков на скорости выше нескольких сотен об/мин.

Измерение фазного тока не менее важно. Шунтирующие резисторы низкого плеча недороги, но чувствительны к помехам; встроенные фазовые датчики стоят дороже и обеспечивают более чистые измерения при малых токах. Частота выборки и фильтрация токового сигнала определяют практическую пульсацию крутящего момента, наблюдаемую на валу, поэтому значения крутящего момента в таблице данных следует считывать вместе с архитектурой датчиков, используемой в контроллере.

Почему контроль крутящего момента важен в реальных приложениях

Управление крутящим моментом меняет измеримое поведение во всех основных категориях приложений в электромобильности и робототехнике.

• Электрические мотоциклы. Контролируемый старт на склонах, предотвращение пробуксовки колес на мокром асфальте и рекуперативное торможение, создающее отрицательный крутящий момент при плавном спуске. Без ограничения крутящего момента двигатель может резко включиться, когда водитель крутит дроссельную заслонку.
• Шасси робота. Ограничение крутящего момента защищает шестерни и двигатели во время столкновений. Когда автономный мобильный робот наезжает на неожиданное препятствие, контроллер ограничивает ток вместо того, чтобы подавать полную мощность на трансмиссию.
• Электрические квадроциклы и UTV. Ползание на низкой скорости по неровной местности требует точной передачи низкого крутящего момента. Система с контролем скорости имеет тенденцию к резкому повышению давления, когда колеса теряют и снова восстанавливают сцепление с дорогой.
• Электрические подвесные моторы. Постоянная тяга против течения и ветра требует, чтобы контроллер реагировал на изменения нагрузки быстрее, чем это может сделать контур скорости.

многосценарная адаптация продуктов моторного привода отражает именно этот спрос: одна платформа контроллера должна обрабатывать широкий диапазон команд крутящего момента, от небольших колес робота до больших трансмиссий квадроциклов.

Ключевые характеристики, определяющие качество крутящего момента

При выборе контроллера для приложений, чувствительных к крутящему моменту, номинальный постоянный ток и пиковый ток являются лишь отправной точкой. Следующие характеристики оказывают огромное влияние на поведение крутящего момента.

1. Скорость обновления текущего контура. Более высокая частота обновления, обычно от 10 до 20 кГц, сокращает задержку между изменением команды крутящего момента и фактическим изменением крутящего момента на валу.
2. Частота ШИМ. Более высокая частота переключения снижает пульсации тока и звуковой шум, но увеличивает потери при переключении. Контроллеры, ориентированные на тихую работу, выбирают частоту, которая уравновешивает и то, и другое.
3. Разрешение текущего измерения и уровень шума. smallest measurable current step sets the smallest torque step. A noisy sensing circuit produces torque chatter at low load.
4. Пульсации крутящего момента. Низкая пульсация крутящего момента обеспечивает плавность вращения на низкой скорости, что важно для соединений и пропеллеров робота.
5. Возможность перегрузки. Пики переходного крутящего момента при трогании на подъеме и преодолении препятствий обычно превышают продолжительный номинал. Проверьте кривую перегрузки на соответствие реальному рабочему циклу.
6. rmal behaviour. Устойчивый крутящий момент определяется тепловой конструкцией контроллера. Контроллер, который дросселирует раньше, будет бесшумно снижать доступный крутящий момент во время длительной работы.

Качество компонентов имеет значение, помимо цифр. Привод с регулируемым крутящим моментом переключает фазный ток сотни раз в секунду, и любое прерывистое сопротивление в разъемах или паяных соединениях проявляется в виде шума измерения тока, который превращается в вибрацию крутящего момента. Вот почему качество материала оборудования является законной технической спецификацией, а не только маркетинговым заявлением.

Также стоит проверить значения пульсаций крутящего момента, указанные в технических характеристиках, на реальном двигателе во время испытаний прототипа. Производители измеряют пульсации крутящего момента в контролируемых условиях, которые могут не соответствовать производственному корпусу, конкретной индуктивности обмотки или частоте ШИМ, которую планирует использовать проект. Короткое стендовое испытание, в ходе которого регистрируется крутящий момент на нескольких скоростях, выявит большинство проблем, которые впоследствии станут жалобами на практике.

Согласование контроллера с двигателем и рабочим циклом

Производительность управления крутящим моментом является свойством системы, а не изолированным свойством контроллера. Токовая петля настраивается на индуктивность и сопротивление обмотки двигателя. Подключите один и тот же контроллер к двигателю с разными параметрами, и реакция крутящего момента может стать колебательной или вялой. Вот почему сочетание контроллера и двигателя в рамках конструкции системы имеет большее значение, чем выбор любого компонента по отдельности.

Для применений, требующих быстрого реагирования на крутящий момент, R5-2215 быстродействующий бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока предназначен для минимизации задержки между командой крутящего момента и крутящим моментом механического вала. Для платформ, чувствительных к эффективности, таких как городские электрические мотоциклы, A4-2313 высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока точно удерживает крутящий момент, одновременно снижая электрические потери. Для высоковольтных и мощных архитектур с требованиями к динамическому крутящему моменту Высокопроизводительный контроллер двигателя T-серии охватывает более широкий диапазон, который обычно требуется для квадроциклов, UTV и более крупных роботизированных платформ.

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 →

A4 Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока, завод - Шанхай A APT - это высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A4, поставщики и оптовая продажа Высокоэффективный бесщеточный контроллер двигателя постоянного тока A4 ... Посмотреть продукт →

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 →

Программное обеспечение играет здесь центральную роль. Формирование крутящего момента, настройка токовой петли и поведение при неисправности настраиваются во встроенном ПО, поэтому одно и то же оборудование можно настроить для грузового электронного велосипеда, инвалидной коляски или морского привода. Перенос управления крутящим моментом в программное обеспечение — одна из тем подробной статьи на роль программного обеспечения в современных контроллерах двигателей .

Заключение

Управление крутящим моментом — это не отдельный компонент или алгоритм. Он проходит через цепь измерения тока, обратную связь по положению ротора, прошивку токового контура, каскад инвертора и качество физического разъема. Для OEM-производителей, производящих электромобили и мобильные машины, способность плавно регулировать крутящий момент определяет, будет ли продукт работать предсказуемо и качественно при реальных нагрузках. Оценка полосы пропускания контура тока, пульсаций крутящего момента, поведения при перегрузке и возможности настройки программного обеспечения на этапе выбора контроллера — это наиболее прямой способ избежать перепроектирования управляемости на более позднем этапе проекта.