อัลกอริธึมควบคุมมอเตอร์: อธิบายวิธีการหกขั้นตอน, FOC และไร้เซนเซอร์

เอกสารข้อมูลจำเพาะสามารถบอกคุณได้ว่าตัวควบคุมมอเตอร์รองรับไฟ 48 V และ 60 A แต่จะไม่บอกคุณว่ามอเตอร์มีเสียงอย่างไรที่ความเร็วในการเดิน แรงบิดที่กระเพื่อมที่โครงหุ่นยนต์ของคุณจะรู้สึกได้มากน้อยเพียงใด หรือมอเตอร์ยังสามารถดึงออกไปบนเนินเขาสูงชันได้หรือไม่ พฤติกรรมเหล่านั้นถูกกำหนดโดยอัลกอริธึมควบคุมมอเตอร์ที่ฝังอยู่ในเฟิร์มแวร์ สามตระกูลควบคุมมอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) และมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM): การเปลี่ยนหกขั้นตอน การควบคุมเชิงสนาม (FOC) และวิธีการสังเกตการณ์แบบไร้เซนเซอร์ สำหรับโปรแกรมยานพาหนะและระบบอัตโนมัติใหม่ส่วนใหญ่ FOC ที่มีอุปกรณ์สังเกตการณ์แบบไร้เซ็นเซอร์เป็นค่าเริ่มต้นในทางปฏิบัติ ในขณะที่หกขั้นตอนยังคงเป็นตัวเลือกที่มีต้นทุนต่ำสำหรับการโหลดแบบธรรมดา ส่วนด้านล่างนี้จะอธิบายว่าอัลกอริธึมเหล่านี้แตกต่างกันอย่างไร และความแตกต่างนั้นมีความหมายอย่างไรเมื่อคุณเลือกคอนโทรลเลอร์

อัลกอริธึมควบคุมมอเตอร์ทำอะไรได้จริง

อัลกอริธึมควบคุมมอเตอร์ทุกตัวจะรันลูปพื้นฐานเดียวกัน โดยจะอ่านหรือประมาณตำแหน่งโรเตอร์ เปรียบเทียบกระแสเฟสที่วัดได้กับแรงบิดหรือความเร็วที่ได้รับคำสั่ง คำนวณเวคเตอร์แรงดันไฟฟ้าที่ปิดข้อผิดพลาดนั้น และนำไปใช้กับอินเวอร์เตอร์ในขณะที่ปกป้องสเตจกำลัง อัลกอริธึมยังจัดการอัตราทางลาด ขีดจำกัดกระแส การเบรกแบบสร้างใหม่ และการตรวจจับข้อผิดพลาด

ตัวเลือกอัลกอริธึมจะกำหนดเพดานสำหรับความนุ่มนวลของแรงบิด เสียงอะคูสติก ประสิทธิภาพ และการตอบสนองแบบไดนามิก ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ทรงพลังไม่สามารถแก้ไขลูปควบคุมที่มีโครงสร้างไม่ดีได้ และอัลกอริธึมง่ายๆ สามารถทำให้คอนโทรลเลอร์ที่ดีรู้สึกหยาบในการใช้งานในรถยนต์ที่มีความต้องการสูง

ครอบครัวอัลกอริทึมหลักที่ใช้ในปัจจุบัน

การเปลี่ยนหกขั้นตอน (สี่เหลี่ยมคางหมู)

การสับเปลี่ยนหกขั้นตอนจะรวมพลังงานสองเฟสจากสามเฟสของมอเตอร์ในแต่ละครั้ง และก้าวผ่านสถานะสวิตช์หกสถานะ ใช้งานง่าย ใช้เวลาประมวลผลเพียงเล็กน้อย และทำงานร่วมกับเซ็นเซอร์ Hall ได้อย่างเป็นธรรมชาติ ข้อเสียเปรียบคือแรงบิดกระเพื่อมในแต่ละจุดเปลี่ยนและเสียงที่ได้ยินที่ความเร็วต่ำ หกขั้นตอนยังคงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับปั๊ม พัดลม และไดรฟ์ฉุดลากราคาประหยัด ซึ่งความราบรื่นมีความสำคัญน้อยกว่าราคา

การควบคุมเชิงภาคสนาม

การควบคุมแบบเน้นภาคสนามจะถือว่ากระแสสเตเตอร์เป็นส่วนประกอบอิสระสองชิ้น: ชิ้นหนึ่งสร้างแรงบิดและอีกชิ้นหนึ่งควบคุมสนามแม่เหล็ก หลังจากการเปลี่ยนแปลงของ Clarke และ Park ตัวควบคุม PI สองตัวจะควบคุมส่วนประกอบเหล่านี้ และการมอดูเลตเวกเตอร์สเปซจะแปลงผลลัพธ์กลับเป็นแรงดันไฟฟ้าสามเฟส FOC ให้แรงบิดใกล้คงที่ เสียงต่ำ และประสิทธิภาพสูงตลอดช่วงความเร็ว รวมถึงการหยุดนิ่งด้วย

FOC ต้องการการคำนวณมากกว่าหกขั้นตอน แต่นั่นไม่ใช่ข้อจำกัดสำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่อีกต่อไป เป็นค่าเริ่มต้นสำหรับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า หุ่นยนต์ขับเคลื่อน เรือเดินทะเล และการใช้งานส่วนใหญ่ที่ต้องการแรงบิดที่คาดเดาได้

ผู้สังเกตการณ์แบบไร้เซ็นเซอร์

อัลกอริธึมแบบไร้เซ็นเซอร์จะประมาณตำแหน่งของโรเตอร์จากแรงดันไฟฟ้าและกระแสที่วัดได้ แทนที่จะใช้จากเซ็นเซอร์ตำแหน่งที่แยกจากกัน การตรวจจับ Back-EMF เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและทำงานได้ดีที่ความเร็วเกินสองสามร้อยรอบต่อนาที ผู้สังเกตการณ์โหมดเลื่อนเพิ่มความทนทานต่อข้อผิดพลาดของพารามิเตอร์และสัญญาณรบกวนในการวัด ตัวกรองคาลมานแบบขยายให้การประมาณค่าที่แม่นยำภายใต้สัญญาณรบกวน แต่ต้องมีการปรับจูนอย่างระมัดระวัง การฉีดความถี่สูงจะกระตุ้นความแรงแม่เหล็กของมอเตอร์ และให้ข้อมูลตำแหน่งที่ความเร็วเป็นศูนย์และต่ำมาก

การแลกเปลี่ยนในทางปฏิบัติคือระหว่างต้นทุน ความสามารถความเร็วต่ำ และการปฏิเสธสิ่งรบกวน การถอดเซ็นเซอร์ฮอลล์และการเดินสายเอ็นโค้ดเดอร์จะช่วยลดต้นทุนและปรับปรุงความน่าเชื่อถือ แต่เฉพาะในกรณีที่รอบการทำงานช่วยให้ผู้ประมาณค่าทำงานได้เท่านั้น

การควบคุมสเกลาร์ V/Hz

การควบคุมสเกลาร์มีอัตราส่วนคงที่ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและความถี่ และส่วนใหญ่จะใช้กับมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับ มันเรียบง่ายและไม่ต้องการการตอบสนองจากตำแหน่ง แต่การตอบสนองของแรงบิดนั้นอ่อนแอ ปรากฏไม่บ่อยนักในระบบขับเคลื่อนของรถยนต์ขนาดกะทัดรัด เนื่องจากระบบเหล่านั้นใช้มอเตอร์ BLDC หรือ PMSM โดยที่ FOC หรือหกขั้นตอนจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า

การเปรียบเทียบอัลกอริทึมตามแอปพลิเคชัน

รอบการทำงานที่ต่างกันเอื้อต่ออัลกอริธึมที่ต่างกัน มอเตอร์ไซค์ไฟฟ้าใช้เวลาส่วนใหญ่เกินสองสามร้อยรอบต่อนาที ดังนั้น FOC ไร้เซ็นเซอร์พร้อมการประมาณค่า back-EMF จึงช่วยลดต้นทุนโดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพการล่องเรือ การสตาร์ทบนเนินเขาและการหลบหลีกด้วยความเร็วต่ำผลักดันนักออกแบบให้กลับไปหาเซ็นเซอร์ฮอลล์ โครงหุ่นยนต์ต้องคืบคลานไปข้างหน้าและถอยหลังด้วยความแม่นยำ ซึ่งต้องใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งหรือการฉีดความถี่สูง เมื่อแพลตฟอร์มเป็นหุ่นยนต์ส่งของหรือฐานการจัดการแบบเคลื่อนที่ ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่ตอบสนองรวดเร็ว อาจเป็นความแตกต่างระหว่างไดรฟ์ที่รู้สึกล้าหลังกับไดรฟ์ที่ติดตามคำสั่งทันที

R5 ตอบสนองอย่างรวดเร็วซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน, โรงงาน - Shanghai APT APT คือ R5 การตอบสนองที่รวดเร็วซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านและขายส่ง R5 การตอบสนองอย่างรวดเร็วโรงงานตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านใน C... ดูผลิตภัณฑ์ →

เรือเดินทะเลวิ่งด้วยความเร็วคงที่เป็นเวลาหลายชั่วโมง ดังนั้นประสิทธิภาพและเสถียรภาพทางความร้อนจึงมีความสำคัญมากกว่าการตอบสนองชั่วคราว รถ ATV หรือ UTV มองเห็นการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักบรรทุกกะทันหันบนภูมิประเทศที่ขรุขระ ซึ่งเอื้อต่อผู้สังเกตการณ์ที่แข็งแกร่งและมีพื้นที่ส่วนหัวที่กว้างขวางในปัจจุบัน ตารางด้านล่างสรุปข้อดีข้อเสียทั่วไป

ถือว่าโต๊ะเป็นจุดเริ่มต้น ไม่ใช่คำตัดสิน ตัวควบคุมที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีสามารถจำกัดช่องว่างเหล่านี้ได้จำนวนมาก เนื่องจากมีการปรับลูปปัจจุบันและผู้สังเกตการณ์เข้าด้วยกัน นั่นคือเหตุผลที่ประสบการณ์ของผู้จำหน่ายตัวควบคุมเกี่ยวกับรอบการทำงานของยานพาหนะจริงมีความสำคัญพอๆ กับชื่ออัลกอริทึมในเอกสารข้อมูล

ตัวเลือกอัลกอริทึมส่งผลต่อการเลือกคอนโทรลเลอร์อย่างไร

เนื่องจากอัลกอริธึมอยู่ในซอฟต์แวร์แบบฝัง ฮาร์ดแวร์และเฟิร์มแวร์จึงต้องได้รับการออกแบบร่วมกัน การขนานของ MOSFET จะกำหนดว่ากระแสแบ่งระหว่างเฟสเท่าๆ กันอย่างไร ความแม่นยำในการตรวจจับกระแสจะกำหนดพื้นสำหรับลูปปัจจุบันของ FOC ความแรงของไดรฟ์เกตส่งผลต่อการสูญเสียการสลับและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า การออกแบบการระบายความร้อนเป็นตัวกำหนดว่าตัวควบคุมจะสามารถรับแรงบิดสูงสุดได้นานแค่ไหน คอนโทรลเลอร์ที่มีซิลิคอนที่ดีแต่เฟิร์มแวร์ที่ได้รับการปรับแต่งไม่ดีจะแสดงแรงบิดกระเพื่อมและสัญญาณรบกวน คอนโทรลเลอร์ที่มีเฟิร์มแวร์ที่ยอดเยี่ยม แต่การตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่อ่อนแอจะสะดุดหรือลดลง นี่คือสาเหตุที่ทำให้ตอนนี้ความสนใจด้านวิศวกรรมเป็นอย่างมาก บทบาทของซอฟต์แวร์ในการควบคุมมอเตอร์สมัยใหม่ .

ตรรกะเดียวกันนี้ใช้กับตัวมอเตอร์เอง ความต้านทานสเตเตอร์ การเหนี่ยวนำเฟส และค่าคงที่ back-EMF จะกำหนดสิ่งที่คอนโทรลเลอร์ทำได้และทำไม่ได้ ตัวควบคุมที่พิกัด 60 A จะไม่ทำให้มอเตอร์ที่เข้ากันไม่ดีทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และการปรับ FOC เชิงรุกอาจทำให้มอเตอร์ร้อนเกินไปที่มีมวลความร้อนต่ำ การร้องขอการจับคู่มอเตอร์-คอนโทรลเลอร์ที่ผ่านการตรวจสอบแล้วเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการจัดซื้อ ไม่ใช่สิ่งที่ต้องคำนึงถึงในภายหลัง

ทางด้านฮาร์ดแวร์นั้น ตัวควบคุมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงซีรีส์ T จับคู่เฟิร์มแวร์ FOC แรงดันไฟฟ้ากว้างกับสเตจกำลังสำหรับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า e-ATV และ e-outboard สิ่งเหล่านี้เป็นตัวอย่างของการออกแบบที่อัลกอริธึมการควบคุมและอินเวอร์เตอร์ได้รับการพัฒนาในบ้านเดียวกัน ดังนั้นเฟิร์มแวร์จึงทราบขีดจำกัดของฮาร์ดแวร์

ซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงซีรีย์ T, โรงงาน APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 โรงงานตัวควบคุมมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร, T Series ตัวควบคุมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูง ดูผลิตภัณฑ์ →

เกณฑ์การประเมินเชิงปฏิบัติสำหรับตัวควบคุมมอเตอร์

เมื่อคุณเปรียบเทียบคอนโทรลเลอร์ ให้ดูเบื้องหลังตัวเลขปัจจุบันสูงสุด ประเด็นต่อไปนี้จะแยกตัวควบคุมที่ทำงานบนกระดาษออกจากตัวควบคุมที่ทำงานบนท้องถนน

• ยืนยันว่าอัลกอริทึมใดที่เฟิร์มแวร์ทำงานได้จริง คอนโทรลเลอร์ราคาประหยัดบางตัวโฆษณา FOC แต่เปลี่ยนไปใช้หกขั้นตอนด้วยความเร็วสูงเพื่อซ่อนขีดจำกัดในการคำนวณ
• ตรวจสอบว่าการใช้งาน FOC เป็นแบบไร้เซ็นเซอร์ แบบ Hall หรือแบบสลับได้ เซนเซอร์ช่วยลดการเดินสาย แต่อาจประสบปัญหาที่ความเร็วต่ำมากโดยไม่ต้องมีการฉีดความถี่สูง
• ถามว่าวงปัจจุบันมีการปรับจูนอย่างไร มอเตอร์ที่มีความเหนี่ยวนำเฟสต่างกันต้องการเกนที่แตกต่างกัน และการปรับจูนอัตโนมัติจะช่วยประหยัดเวลาหลายชั่วโมงในระหว่างการนำขึ้นมา
• ตรวจสอบพฤติกรรมการโอเวอร์โหลด รวมถึงการจำกัดกระแส การลดพิกัดความร้อน และการกู้คืนข้อผิดพลาด รายละเอียดเหล่านี้จะเป็นตัวกำหนดว่ารถจะหยุดอย่างปลอดภัยหรือกีดขวางผู้ขับขี่
• พิจารณาเสียงรบกวน. หากสินค้าเป็นมอเตอร์ไซค์ไฟฟ้าหรือหุ่นยนต์ส่งของที่ทำงานใกล้คน เสียงถือเป็นจุดขาย ที่ ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่เงียบเป็นพิเศษ A6 ซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านที่เงียบสงบเป็นพิเศษ, โรงงาน - Shanghai APT P APT คือซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน A6 ที่เงียบสงบเป็นพิเศษและโรงงานควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านไร้แปรงถ่าน A6 ที่เงียบสงบเป็นพิเศษในประเทศจีน... ดูผลิตภัณฑ์ → เป็นตัวอย่างในทางปฏิบัติของการออกแบบที่เน้นไซน์ซอยด์ซึ่งช่วยลดเสียงรบกวนในการสับเปลี่ยนให้ต่ำ

ไม่ควรเลือกอัลกอริธึมการควบคุมมอเตอร์จากบล็อกไดอะแกรมเพียงอย่างเดียว ตั้งค่ารอบการทำงาน ช่วงความเร็ว เสียงรบกวน และข้อกำหนดความเร็วต่ำของยานพาหนะของคุณก่อน จากนั้นจึงเปรียบเทียบตัวควบคุมกับเป้าหมายเหล่านั้น หกขั้นตอนนั้นเพียงพอสำหรับพัดลมอย่างสมบูรณ์ FOC เป็นจุดเริ่มต้นที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานแบบฉุดลากส่วนใหญ่ และผู้สังเกตการณ์แบบไร้เซ็นเซอร์เป็นเครื่องมือที่ช่วยประหยัดต้นทุนเมื่อมีช่วงความเร็วเอื้ออำนวย ตัวควบคุมที่ดีที่สุดคือตัวควบคุมที่อัลกอริธึม ระยะกำลัง และแอปพลิเคชันรองรับตรงกับโปรไฟล์การทำงานที่แท้จริงของผลิตภัณฑ์