อธิบายการควบคุมแรงบิด: คู่มือปฏิบัติสำหรับการเลือกตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC

ลองนึกภาพตำแหน่งการยึดรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าบนทางลาดที่สูงชันขณะบรรทุกผู้โดยสาร ตัวควบคุมความเร็วจะรักษาความเร็วเป้าหมายไว้ต่ำ แต่การกระตุกของปีกผีเสื้อเล็กๆ ก็สามารถเปลี่ยนการออกตัวแบบควบคุมให้กลายเป็นการกระตุกอย่างรุนแรงได้ ลองนึกภาพหุ่นยนต์ส่งของกำลังข้ามทางเข้าประตูที่แคบเกินไปเล็กน้อย หากตัวควบคุมยังคงดันที่กระแสไฟเต็ม กระปุกเกียร์จะดูดซับแรงกระแทก ทั้งสองสถานการณ์ได้รับการแก้ไขโดยการควบคุมแรงบิด ซึ่งเป็นโหมดการทำงานที่ควบคุมแรงหมุนที่มอเตอร์สร้าง มากกว่าความเร็วหรือตำแหน่ง

บทความนี้เขียนขึ้นสำหรับวิศวกรและทีมงานโครงการ OEM ที่กำลังประเมินตัวควบคุมมอเตอร์แบบไร้แปรงถ่านสำหรับรถจักรยานยนต์ไฟฟ้า โครงหุ่นยนต์ รถ ATV ไฟฟ้า UTV และมอเตอร์ติดท้ายเรือ เราจะอธิบายว่าการควบคุมแรงบิดจริงๆ แล้วมีความหมายอย่างไรในไดรฟ์ BLDC หรือ PMSM ตัวควบคุมทำงานอย่างไร และข้อกำหนดใดที่กำหนดว่าแรงบิดให้ความรู้สึกนุ่มนวลและตอบสนองในการทำงานจริงหรือไม่

การควบคุมแรงบิดหมายถึงอะไรจริงๆ

การควบคุมแรงบิดจะควบคุมกระแสที่ส่งไปยังมอเตอร์เพื่อให้แรงบิดของเพลาเป็นไปตามคำสั่งที่กำหนดโดยผู้ขับขี่ ผู้ขับขี่ หรือตัวควบคุมการเคลื่อนไหว มันไม่รักษาความเร็วเป้าหมาย มันไม่ยึดตำแหน่งโรเตอร์ มอเตอร์จะสร้างความเร็วใดก็ตามที่เป็นผลจากแรงบิดที่ใช้และภาระที่ติดอยู่กับเพลา

การเปรียบเทียบง่ายๆ ช่วยได้ เมื่อคุณผลักรถเข็น แขนของคุณจะออกแรง และรถเข็นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วใดก็ตามที่แรงสร้างขึ้นต้านแรงต้านการหมุนและความลาดชัน แขนของคุณกำลังควบคุมแรงบิด หากคุณล็อคความเร็วรถเข็นแทน นั่นจะเป็นการควบคุมความเร็ว

การควบคุมแรงบิดยังเป็นฟังก์ชันป้องกันอีกด้วย ตัวควบคุมที่ตั้งโปรแกรมไว้ให้ส่งกระแสไฟไม่เกิน 15 นิวตันเมตรจะไม่ส่งกระแสไฟออก 20 นิวตันเมตร แม้ว่าคนขับจะร้องขอก็ตาม การลื่นไถลของล้อบนกรวดที่หลวม ตัวกระตุ้นที่ถูกบล็อก หรือแบริ่งที่ถูกยึดบางส่วน จะไม่แปลไปสู่ความเค้นของระบบขับเคลื่อนโดยตรงอีกต่อไป นี่คือสาเหตุที่การจำกัดแรงบิดมักถูกใช้เป็นฟังก์ชันด้านความปลอดภัยในระบบการเคลื่อนที่

ตัวควบคุมแบบไร้แปรงถ่านให้แรงบิดที่ควบคุมได้อย่างไร

ในมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านหรือมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร แรงบิดจะแปรผันตามกระแสกระดองในแกนการสร้างพื้นที่สี่เหลี่ยมจัตุรัส การควบคุมแรงบิดจึงเป็นการควบคุมในปัจจุบัน ตัวควบคุมที่ออกแบบมาอย่างดีจะวัดกระแสเฟส เปรียบเทียบส่วนประกอบที่สร้างแรงบิดกับคำสั่งแรงบิด และปรับรูปแบบการสลับอินเวอร์เตอร์เพื่อลดข้อผิดพลาด วงกระแสภายในนี้เป็นจุดที่การควบคุมแรงบิดใช้งานได้จริง

การควบคุมเชิงภาคสนามและวงปัจจุบัน

การควบคุมเชิงสนาม หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า FOC จะแปลงกระแสสามเฟสที่วัดได้เป็นสององค์ประกอบในกรอบอ้างอิงที่หมุนได้: ส่วนประกอบที่สร้างสนามแม่เหล็กบนแกน d และส่วนประกอบที่สร้างแรงบิดบนแกน q ตัวควบคุมจะสั่งกระแสแกน q ให้ตรงกับแรงบิดที่ต้องการ และรักษากระแสแกน d ให้อยู่ใกล้ศูนย์สำหรับ PMSM ที่ติดตั้งบนพื้นผิว แบนด์วิธของลูปปัจจุบันนี้จะตัดสินว่าการแก้ไขแรงบิดจะเกิดขึ้นได้เร็วแค่ไหน ลูปที่อัปเดตที่ 10 ถึง 20 kHz จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดในเวลาไม่กี่มิลลิวินาที ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างการรวบรวมข้อมูลที่เสถียรและการเคลื่อนไหวที่กระตุกที่ความเร็วต่ำ FOC เป็นเหตุผลหลัก เทคโนโลยีมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรยังคงปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง สำหรับการใช้งานด้านการยึดเกาะ: ฮาร์ดแวร์เดียวกันนี้ให้แรงบิดที่นุ่มนวลกว่า ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และการเบรกแบบสร้างใหม่ผ่านการเปลี่ยนแปลงซอฟต์แวร์เพียงอย่างเดียว

การตอบสนองของเซ็นเซอร์และการทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์

คุณภาพการควบคุมแรงบิดขึ้นอยู่กับการป้อนกลับตำแหน่งของโรเตอร์เป็นอย่างมาก เซ็นเซอร์ฮอลล์ให้ความละเอียดหยาบ 60 องศา ซึ่งเพียงพอสำหรับการเปลี่ยนรูปสี่เหลี่ยมคางหมู แต่ไม่ใช่สำหรับแรงบิดที่ราบรื่นที่ความเร็วต่ำ ตัวเข้ารหัสและรีโซลเวอร์ให้มุมโรเตอร์ที่ต่อเนื่อง ช่วยให้ FOC สามารถเก็บแรงบิดได้อย่างแม่นยำแม้จะอยู่ใกล้จุดหยุดนิ่ง อัลกอริธึมไร้เซ็นเซอร์จะประมาณตำแหน่งโรเตอร์จาก back-EMF ซึ่งจะขจัดค่าใช้จ่ายของเซ็นเซอร์ แต่ไม่สามารถรักษาแรงบิดเต็มที่ที่ความเร็วเป็นศูนย์ได้ โดยที่ไม่มี back-EMF อยู่ ไดรฟ์การผลิตจำนวนมากใช้กลยุทธ์แบบไฮบริด: การสตาร์ทโดยใช้เซ็นเซอร์และการทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์ที่สูงกว่าสองสามร้อย RPM

การตรวจจับกระแสเฟสมีความสำคัญไม่แพ้กัน ตัวต้านทานแบบสับเปลี่ยนด้านต่ำมีราคาไม่แพงแต่ไวต่อสัญญาณรบกวน เซ็นเซอร์เฟสในตัวมีราคาสูงกว่าและให้การวัดที่สะอาดกว่าที่กระแสต่ำ ความถี่ในการสุ่มตัวอย่างและการกรองสัญญาณปัจจุบันจะกำหนดระลอกแรงบิดในทางปฏิบัติที่เห็นบนเพลา ดังนั้นควรอ่านตัวเลขแรงบิดในแผ่นข้อมูลพร้อมกับสถาปัตยกรรมการตรวจจับที่ใช้ในตัวควบคุม

เหตุใดการควบคุมแรงบิดจึงมีความสำคัญในการใช้งานจริง

การควบคุมแรงบิดจะเปลี่ยนพฤติกรรมที่วัดได้ในการใช้งานหลักทุกประเภทในยานยนต์ไฟฟ้าและหุ่นยนต์

• มอเตอร์ไซค์ไฟฟ้า. การออกตัวแบบควบคุมบนทางลาด การป้องกันการลื่นไถลของล้อบนยางมะตอยเปียก และการเบรกแบบสร้างใหม่ซึ่งใช้แรงบิดเชิงลบในทางลาดที่เรียบ เมื่อไม่มีการจำกัดแรงบิด มอเตอร์สามารถทำงานอย่างรุนแรงเมื่อผู้ขับขี่บิดคันเร่ง
• โครงหุ่นยนต์. การจำกัดแรงบิดช่วยปกป้องเกียร์และมอเตอร์ในระหว่างการชน เมื่อหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติขับเข้าไปในสิ่งกีดขวางที่ไม่คาดคิด ตัวควบคุมจะปิดกระแสไฟฟ้าแทนที่จะป้อนกำลังเต็มเข้าสู่ระบบขับเคลื่อน
• รถ ATV และ UTV ไฟฟ้า การคลานด้วยความเร็วต่ำบนภูมิประเทศที่ไม่เรียบต้องใช้แรงบิดต่ำที่แม่นยำ ระบบควบคุมความเร็วมีแนวโน้มที่จะพุ่งสูงขึ้นเมื่อล้อสูญเสียและกลับมายึดเกาะได้
• มอเตอร์ไฟฟ้าติดท้ายเรือ แรงผลักดันต่อกระแสและลมอย่างต่อเนื่องทำให้ตัวควบคุมต้องตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดได้เร็วกว่าวงจรความเร็วสามารถทำได้

ที่ การปรับเปลี่ยนผลิตภัณฑ์มอเตอร์ไดรฟ์ในหลายสถานการณ์ สะท้อนถึงความต้องการนี้อย่างชัดเจน: แพลตฟอร์มตัวควบคุมเดียวต้องรองรับคำสั่งแรงบิดที่หลากหลาย ตั้งแต่ล้อหุ่นยนต์ขนาดเล็กไปจนถึงระบบขับเคลื่อน ATV ขนาดใหญ่

ข้อมูลจำเพาะสำคัญที่กำหนดคุณภาพแรงบิด

เมื่อจัดหาตัวควบคุมสำหรับการใช้งานที่ไวต่อแรงบิด อัตรากระแสต่อเนื่องและกระแสสูงสุดเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น ข้อมูลจำเพาะต่อไปนี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อพฤติกรรมของแรงบิด

1. อัตราการอัปเดตลูปปัจจุบัน อัตราการอัปเดตที่สูงขึ้น โดยทั่วไปคือ 10 ถึง 20 kHz ช่วยลดความล่าช้าระหว่างการเปลี่ยนแปลงคำสั่งแรงบิดและการเปลี่ยนแปลงแรงบิดจริงบนเพลา
2. ความถี่พีเอ็มดับเบิลยู ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นจะลดการกระเพื่อมของกระแสไฟฟ้าและเสียงรบกวนที่ได้ยิน แต่จะเพิ่มการสูญเสียการสวิตชิ่ง ตัวควบคุมที่มุ่งเป้าไปที่การทำงานที่เงียบจะเลือกความถี่ที่ทำให้ทั้งสองอย่างสมดุลกัน
3. ความละเอียดและสัญญาณรบกวนในการตรวจจับปัจจุบัน ที่ smallest measurable current step sets the smallest torque step. A noisy sensing circuit produces torque chatter at low load.
4. ระลอกแรงบิด แรงบิดกระเพื่อมต่ำช่วยให้การหมุนราบรื่นที่ความเร็วต่ำ ซึ่งมีความสำคัญต่อข้อต่อหุ่นยนต์และใบพัด
5. ความสามารถในการโอเวอร์โหลด แรงบิดสูงสุดชั่วคราวสำหรับการออกตัวบนทางลาดชันและการจัดการกับสิ่งกีดขวางมักจะเกินพิกัดต่อเนื่อง ตรวจสอบกราฟโอเวอร์โหลดเทียบกับรอบการทำงานจริง
6. ที่rmal behaviour. แรงบิดคงที่ถูกกำหนดโดยการออกแบบการระบายความร้อนของคอนโทรลเลอร์ ตัวควบคุมที่เร่งความเร็วตั้งแต่เนิ่นๆ จะลดแรงบิดที่มีอยู่อย่างเงียบๆ ในระหว่างการทำงานที่ยาวนานขึ้น

คุณภาพของส่วนประกอบมีความสำคัญมากกว่าตัวเลข ไดรฟ์ที่ควบคุมแรงบิดจะสลับกระแสเฟสหลายร้อยครั้งต่อวินาที และความต้านทานเป็นระยะๆ ในขั้วต่อหรือข้อต่อบัดกรีจะปรากฏเป็นเสียงการวัดกระแสไฟฟ้าที่กลายเป็นเสียงสั่นของแรงบิด นี่คือเหตุผลว่าทำไมคุณภาพวัสดุของฮาร์ดแวร์จึงเป็นข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่ถูกต้องตามกฎหมาย ไม่ใช่แค่คำกล่าวอ้างทางการตลาดเท่านั้น

นอกจากนี้ ยังควรตรวจสอบตัวเลขระลอกแรงบิดในเอกสารข้อมูลด้วยมอเตอร์จริงในระหว่างการทดสอบต้นแบบ ผู้ผลิตจะวัดการกระเพื่อมของแรงบิดภายใต้สภาวะที่ได้รับการควบคุมซึ่งอาจไม่ตรงกับเฟรมการผลิต ความเหนี่ยวนำของขดลวดเฉพาะ หรือความถี่ PWM ที่โครงการวางแผนจะใช้ การทดสอบม้านั่งสั้นที่บันทึกแรงบิดที่ความเร็วหลายจุดจะเผยให้เห็นปัญหาส่วนใหญ่ที่กลายเป็นข้อร้องเรียนในภาคสนามในภายหลัง

การจับคู่คอนโทรลเลอร์กับมอเตอร์และรอบการทำงาน

ประสิทธิภาพการควบคุมแรงบิดเป็นคุณสมบัติของระบบ ไม่ใช่คุณสมบัติของตัวควบคุมโดยแยกออกจากกัน วงจรกระแสไฟจะถูกปรับตามความเหนี่ยวนำและความต้านทานของขดลวดมอเตอร์ เชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์ตัวเดียวกันเข้ากับมอเตอร์ที่มีพารามิเตอร์ต่างกัน และการตอบสนองของแรงบิดอาจเกิดการสั่นหรือซบเซาได้ นี่คือสาเหตุที่การจับคู่คอนโทรลเลอร์และมอเตอร์เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบระบบมีความสำคัญมากกว่าการเลือกส่วนประกอบใดส่วนประกอบเพียงอย่างเดียว

สำหรับการใช้งานที่ต้องการการตอบสนองแรงบิดที่รวดเร็ว R5-2215 คอนโทรลเลอร์มอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านตอบสนองรวดเร็ว ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดความล่าช้าระหว่างคำสั่งแรงบิดและแรงบิดของเพลากล สำหรับแพลตฟอร์มที่คำนึงถึงประสิทธิภาพ เช่น รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าในเมือง A4-2313 ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านประสิทธิภาพสูง เก็บแรงบิดได้อย่างแม่นยำพร้อมทั้งลดการสูญเสียทางไฟฟ้า สำหรับสถาปัตยกรรมไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูงที่มีความต้องการแรงบิดแบบไดนามิก ตัวควบคุมมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงซีรีส์ T ครอบคลุมขอบเขตที่กว้างขึ้นซึ่งโดยทั่วไปแล้วรถ ATV, UTV และแพลตฟอร์มหุ่นยนต์ขนาดใหญ่ต้องการ

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

A4 ซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านประสิทธิภาพสูง, โรงงาน - เซี่ยงไฮ้ A APT คือซัพพลายเออร์ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านประสิทธิภาพสูง A4 และโรงงานขายส่งตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน A4 ประสิทธิภาพสูง ... ดูผลิตภัณฑ์ →

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

ซอฟต์แวร์มีบทบาทสำคัญในที่นี่ การสร้างทางลาดแรงบิด การปรับลูปปัจจุบัน และลักษณะการทำงานผิดพลาดได้รับการกำหนดค่าไว้ในเฟิร์มแวร์ ดังนั้นจึงสามารถปรับฮาร์ดแวร์เดียวกันสำหรับอีไบค์บรรทุกสินค้า รถเข็นวีลแชร์ หรือไดรฟ์ทางทะเลได้ การเปลี่ยนการจัดการแรงบิดไปสู่ซอฟต์แวร์เป็นหนึ่งในหัวข้อหลักของบทความโดยละเอียด บทบาทของซอฟต์แวร์ในตัวควบคุมมอเตอร์สมัยใหม่ .

บทสรุป

การควบคุมแรงบิดไม่ใช่องค์ประกอบหรืออัลกอริธึมเดียว โดยทำงานผ่านห่วงโซ่การตรวจจับกระแส ข้อมูลป้อนกลับตำแหน่งโรเตอร์ เฟิร์มแวร์ลูปปัจจุบัน สเตจอินเวอร์เตอร์ และคุณภาพของตัวเชื่อมต่อทางกายภาพ สำหรับ OEM ที่สร้างยานพาหนะไฟฟ้าและเครื่องจักรเคลื่อนที่ ความสามารถในการควบคุมแรงบิดได้อย่างราบรื่นจะเป็นตัวกำหนดว่าผลิตภัณฑ์ให้ความรู้สึกที่คาดเดาได้และปรับปรุงภายใต้โหลดจริงหรือไม่ การประเมินแบนด์วิดท์ลูปปัจจุบัน แรงบิดกระเพื่อม พฤติกรรมโอเวอร์โหลด และความสามารถในการกำหนดค่าซอฟต์แวร์ในระหว่างขั้นตอนการเลือกคอนโทรลเลอร์เป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการหลีกเลี่ยงการปรับปรุงวิศวกรรมด้านความสามารถในการขับเคลื่อนในภายหลังในโปรเจ็กต์