ตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิด: ประเภท วิธีการควบคุม และคู่มือการเลือก

ตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิดทำอะไรได้จริง

ความเร็วและตำแหน่งมักจะได้รับความสนใจมากที่สุดในการอภิปรายเกี่ยวกับการควบคุมมอเตอร์ แต่แรงบิดเป็นตัวแปรพื้นฐาน ซึ่งเป็นตัวกำหนดว่ามอเตอร์จะส่งแรงหมุนไปยังโหลดในช่วงเวลาใดก็ตาม ตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิดคือระบบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่รับผิดชอบในการควบคุมแรงเอาท์พุต ทำให้มั่นใจได้ว่ามอเตอร์จะสร้างแรงบิดตรงตามที่แอปพลิเคชันต้องการ ไม่ว่าจะหมายถึงการรักษาระดับให้คงที่ภายใต้โหลดที่แตกต่างกัน การติดตามสัญญาณอ้างอิงแบบไดนามิกในหน่วยมิลลิวินาที หรือการจำกัดเอาท์พุตเพื่อปกป้องส่วนประกอบทางกลดาวน์สตรีม

ความแตกต่างระหว่างการควบคุมแรงบิดและการควบคุมความเร็วนั้นควรค่าแก่การระบุอย่างชัดเจน ตัวควบคุมความเร็วจะพยายามรักษาความเร็วการหมุนของเป้าหมาย โดยปรับกระแสตามโหลดที่แตกต่างกัน ตัวควบคุมแรงบิดทำหน้าที่ตรงกันข้าม โดยจะตั้งค่าแรงหมุนโดยตรง โดยให้ความเร็วแปรผันตามที่ระบบกลไกกำหนด ในระบบโลกแห่งความเป็นจริงหลายๆ ระบบ เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า หุ่นยนต์ เครื่องม้วน ระบบขับเคลื่อนแบบฉุดลาก การควบคุมแรงบิดคือวงรอบด้านในซึ่งมีตัวควบคุมความเร็วหรือตำแหน่งอยู่ด้านบน คุณภาพของทอร์กลูปเป็นตัวกำหนดการตอบสนองของทุกสิ่งที่อยู่ด้านบน

ตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิดสมัยใหม่สร้างขึ้นโดยใช้สถาปัตยกรรม DC แบบไร้แปรงถ่าน (BLDC) และมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร (PMSM) ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมแรงบิดตามกระแสได้อย่างแม่นยำผ่านอัลกอริธึมการควบคุมที่ซับซ้อน การเลือกวิธีการควบคุมและฮาร์ดแวร์ที่ใช้ มีผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพ สัญญาณรบกวน การตอบสนองแบบไดนามิก และความน่าเชื่อถือของระบบ

วิธีการควบคุมหลัก: แนวทาง FOC, ดีทีซี และไร้เซนเซอร์

วิธีการควบคุมสามวิธีมีอิทธิพลต่อการออกแบบตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิดที่ทันสมัย แต่ละรายการแสดงถึงข้อดีข้อเสียทางวิศวกรรมที่แตกต่างกันระหว่างความแม่นยำ ความซับซ้อนในการคำนวณ ข้อกำหนดด้านฮาร์ดแวร์ และต้นทุน

การควบคุมเชิงภาคสนาม (FOC) หรือที่เรียกว่าการควบคุมเวกเตอร์ คือเกณฑ์มาตรฐานปัจจุบันสำหรับการควบคุมแรงบิดประสิทธิภาพสูง หลักการคือการแบ่งกระแสสเตเตอร์ออกเป็นสององค์ประกอบที่ไม่ขึ้นกับคณิตศาสตร์: ส่วนประกอบที่สร้างฟลักซ์ (แกน d) และส่วนประกอบที่สร้างแรงบิด (แกน q) ด้วยการควบคุมส่วนประกอบทั้งสองนี้อย่างเป็นอิสระต่อกันในหน้าต่างอ้างอิงที่หมุนได้ซึ่งซิงโครไนซ์กับโรเตอร์ ตัวควบคุมจึงได้รับการควบคุมแรงบิดแบบแยกส่วนที่แม่นยำแบบเดียวกันบนมอเตอร์ AC เหมือนกับที่มอเตอร์กระแสตรงธรรมดาที่มีการสับเปลี่ยนแปรงให้ตามธรรมชาติ ผลลัพธ์ที่ได้คือแรงบิดที่นุ่มนวลและกระเพื่อมต่ำตลอดช่วงความเร็วเต็ม ประสิทธิภาพสูง และการตอบสนองไดนามิกที่รวดเร็ว FOC ต้องการความรู้แบบเรียลไทม์เกี่ยวกับตำแหน่งโรเตอร์ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมาจากเซ็นเซอร์ฮอลล์ ตัวเข้ารหัส หรือรีโซลเวอร์ และพลังการประมวลผลที่เพียงพอในการรันคณิตศาสตร์การแปลงที่อัตราการอัพเดต PWM สำหรับมอเตอร์ BLDC และ PMSM ในการใช้งานที่มีความต้องการสูง รวมถึงยานพาหนะไฟฟ้า ไดรฟ์ CNC และหุ่นยนต์ FOC คือการใช้งานมาตรฐาน

ระบบควบคุมแรงบิดโดยตรง (DTC) ใช้แนวทางที่แตกต่างโดยพื้นฐาน แทนที่จะคำนวณเวคเตอร์แรงดันไฟฟ้าผ่านการแปลงกรอบอ้างอิง DTC เลือกสถานะการสลับสำหรับอินเวอร์เตอร์โดยตรงโดยอิงจากข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นทันทีระหว่างแรงบิดและค่าฟลักซ์ที่วัดได้กับเป้าหมาย สิ่งนี้จะกำจัดลูปควบคุมกระแสภายในและการแปลงพิกัดที่ FOC ต้องการ ส่งผลให้มีการตอบสนองแรงบิดที่รวดเร็วมาก การตัดสินใจเปลี่ยนจะเกิดขึ้นทุกๆ สองสามไมโครวินาที ข้อเสียเปรียบคือการกระเพื่อมของแรงบิดที่สูงขึ้นและพฤติกรรมการสลับที่ซับซ้อนมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับ FOC โดยทั่วไปจะพบ DTC ในการใช้งานไดรฟ์อุตสาหกรรมกำลังสูง โดยที่เวลาตอบสนองเป็นเกณฑ์หลัก

การควบคุมแบบไร้เซนเซอร์ ไม่ใช่อัลกอริธึมการควบคุมที่ชัดเจน แต่เป็นเทคนิคที่กำจัดเซ็นเซอร์ตำแหน่งโรเตอร์ทางกายภาพโดยการประมาณค่ามุมโรเตอร์จากกระแสและแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ที่วัดได้ ที่ความเร็วปานกลางถึงสูง การประมาณค่า back-EMF ช่วยให้ติดตามตำแหน่งโรเตอร์ได้อย่างแม่นยำ ที่ความเร็วต่ำ โดยที่ back-EMF มีขนาดเล็กเกินกว่าจะวัดได้อย่างน่าเชื่อถือ จำเป็นต้องมีผู้สังเกตการณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น (ตัวกรองคาลมานแบบขยาย ผู้สังเกตการณ์แบบเลื่อน) การใช้งานแบบไร้เซนเซอร์ช่วยลดต้นทุนของระบบ ขจัดจุดที่อาจเกิดความล้มเหลว และทำให้การติดตั้งง่ายขึ้น โดยที่ความแม่นยำและประสิทธิภาพลดลงที่ความเร็วต่ำมาก ตัวควบคุมมอเตอร์ BLDC สมัยใหม่หลายตัวมีตัวเลือกการทำงานแบบไร้เซ็นเซอร์ควบคู่ไปกับโหมดที่ใช้เซ็นเซอร์ ทำให้สามารถกำหนดค่าระบบให้เหมาะกับช่วงความเร็วและข้อกำหนดด้านความแม่นยำของแอปพลิเคชันได้

สถาปัตยกรรมตัวควบคุม: ฮาร์ดแวร์ที่ทำให้การควบคุมแรงบิดทำงานได้

การทำความเข้าใจอัลกอริธึมการควบคุมเป็นเพียงส่วนหนึ่งของภาพเท่านั้น สถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ของคอนโทรลเลอร์จะกำหนดว่าอัลกอริธึมสามารถดำเนินการด้วยความเร็วที่ต้องการได้หรือไม่ และสัญญาณไดรฟ์ผลลัพธ์ที่ได้นั้นจะสร้างเอาท์พุตมอเตอร์ที่สะอาดและมีประสิทธิภาพหรือไม่

ระยะกำลัง - โดยทั่วไปคือบริดจ์อินเวอร์เตอร์ MOSFET หรือ IGBT สามเฟส - แปลงคำสั่งการสลับ PWM ของคอนโทรลเลอร์เป็นแรงดันเฟสและกระแสที่ขับเคลื่อนมอเตอร์ ความถี่ในการสวิตชิ่ง การชดเชยเวลาตาย และการออกแบบเกตไดรฟ์ ล้วนส่งผลต่อการกระเพื่อมของแรงบิด ประสิทธิภาพ และเสียงแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้นจะลดการกระเพื่อมของกระแสไฟฟ้าและปรับปรุงความเรียบของแรงบิด แต่เพิ่มการสูญเสียการสวิตชิ่ง ความถี่ที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับตัวเหนี่ยวนำของมอเตอร์ ความสามารถในการกระจายความร้อนของตัวควบคุม และข้อกำหนดด้านเสียงของการใช้งาน

การตรวจจับกระแสคือสัญญาณป้อนกลับที่ปิดลูปควบคุมแรงบิด ตัวต้านทานสับเปลี่ยนในเส้นเฟสของมอเตอร์หรือบัส DC ให้การวัดแบบดิบ ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลของคอนโทรลเลอร์จะสุ่มตัวอย่างสิ่งเหล่านี้ในแต่ละรอบ PWM เพื่อป้อนลูปควบคุมปัจจุบัน ความแม่นยำ อัตราการสุ่มตัวอย่าง และการปฏิเสธสัญญาณรบกวนของเส้นทางการตรวจจับปัจจุบันจะกำหนดโดยตรงว่าตัวควบคุมสามารถควบคุมแรงบิดได้อย่างแม่นยำเพียงใด สำหรับการใช้งาน FOC คุณภาพการตรวจจับในปัจจุบันเป็นปัจจัยด้านฮาร์ดแวร์ที่ใหญ่ที่สุดเพียงปัจจัยเดียวที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการควบคุมแรงบิด

การสื่อสารและความสามารถในการตั้งโปรแกรมทำให้ตัวควบคุมแรงบิดสมัยใหม่แตกต่างจากไดรฟ์ที่มีฟังก์ชันคงที่แบบเก่า อินเทอร์เฟซ CAN บัส, RS-485, UART และ SPI ช่วยให้สามารถสั่งการอ้างอิงแรงบิดแบบไดนามิกจากตัวควบคุมควบคุม ทำให้ตัวควบคุมมอเตอร์ทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นแรงบิดภายในระบบควบคุมการเคลื่อนไหวที่ใหญ่ขึ้น ความสามารถในการกำหนดค่าพารามิเตอร์ รวมถึงขีดจำกัดกระแส ความถี่ PWM อัตราขยายของ PI และเกณฑ์การป้องกัน ช่วยให้สามารถปรับฮาร์ดแวร์ตัวควบคุมเดียวกันสำหรับประเภทมอเตอร์และโปรไฟล์แอปพลิเคชันที่แตกต่างกัน

เอพีที ตัวควบคุมมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่านสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและการเคลื่อนย้าย ใช้การควบคุมแรงบิดตาม FOC พร้อมโหมดการทำงานที่กำหนดค่าได้ ครอบคลุมทุกช่วงตั้งแต่ไดรฟ์แบบไร้เซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัดไปจนถึงการกำหนดค่าเซ็นเซอร์ประสิทธิภาพสูง ที่ ตัวควบคุมมอเตอร์ PMSM ประสิทธิภาพสูงซีรีส์ T ขยายไปยังแพลตฟอร์มมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ต้องการความหนาแน่นของแรงบิดสูงสุดและการตอบสนองแบบไดนามิก

ประเภทของมอเตอร์และข้อกำหนดในการควบคุมแรงบิด

ข้อมูลจำเพาะของตัวควบคุมแรงบิดไม่สามารถแยกออกจากมอเตอร์ที่ขับเคลื่อนได้ มอเตอร์ BLDC และ PMSM มีคุณลักษณะการควบคุมร่วมกันหลายประการ แต่มีความแตกต่างกันในเรื่องโครงสร้างของโรเตอร์และรูปคลื่น back-EMF ในลักษณะที่มีอิทธิพลต่อการออกแบบตัวควบคุม มอเตอร์ดุมและมอเตอร์ขับเคลื่อนกลาง — ทั้งคู่พบเห็นได้ทั่วไปในการใช้งานระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า — นำเสนอความท้าทายในการควบคุมแรงบิดที่แตกต่างกัน ซึ่งสะท้อนถึงบทบาททางกลไกในระบบขับเคลื่อน

มอเตอร์ดุมจะรวมมอเตอร์เข้ากับดุมล้อโดยตรง การควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ดุมคือการส่งแรงบิดโดยตรงไปยังพื้นผิวถนน โดยไม่มีการลดกลไกขั้นกลาง สิ่งนี้ต้องการเอาต์พุตแรงบิดที่ความเร็วต่ำสูงและการปรับแรงบิดที่แม่นยำ เพื่อความรู้สึกของผู้ขับขี่และการจัดการการยึดเกาะ เซ็นเซอร์ฮอลล์ในฮับให้ตำแหน่งโรเตอร์สำหรับลูป FOC แม้ว่าการใช้งานแบบไร้เซ็นเซอร์จะสามารถทำงานได้มากขึ้นเมื่ออัลกอริธึมของผู้สังเกตการณ์ได้รับการปรับปรุง เอพีที มอเตอร์ดุมไฟฟ้าที่ออกแบบมาสำหรับระบบขับเคลื่อนแบบรวมล้อ ได้รับการออกแบบมาเพื่อโปรไฟล์การส่งแรงบิดแบบขับเคลื่อนโดยตรง

มอเตอร์ขับเคลื่อนกลางเชื่อมต่อกับระบบขับเคลื่อนผ่านระบบเกียร์ที่มีอยู่ของจักรยานหรือยานพาหนะ มอเตอร์ทำงานที่ความเร็วสูงกว่าผ่านการลดเกียร์ ซึ่งหมายความว่าวงควบคุมแรงบิดจะจัดการช่วงการทำงานที่แตกต่างจากมอเตอร์ดุม การกำหนดค่ามิดไดรฟ์ช่วยให้มอเตอร์ทำงานได้ใกล้กับจุดประสิทธิภาพสูงสุดโดยไม่คำนึงถึงความเร็วของยานพาหนะ โดยระบบเกียร์จะจัดการกับการปรับอัตราส่วน สิ่งนี้ทำให้กลยุทธ์การควบคุมแรงบิด โดยเฉพาะประสิทธิภาพการโหลดบางส่วนและการจัดการแรงบิดที่สร้างใหม่ มีอิทธิพลต่อการใช้พลังงานในระดับระบบมากขึ้น เอพีที มอเตอร์ขับเคลื่อนกลางสำหรับการใช้งานควบคู่กับระบบส่งกำลังที่มีประสิทธิภาพสูง จัดการกับลักษณะการทำงานนี้ด้วยการออกแบบมอเตอร์ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับช่วง RPM และลักษณะแรงบิดของรอบการทำงานของไดรฟ์กลาง

ทรัพยากรด้านเทคนิคของอุตสาหกรรม ได้แก่ คำแนะนำทางเทคนิคโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการควบคุมแรงบิดของมอเตอร์ ครอบคลุมการใช้งาน FOC, DTC, PID และแบบไร้เซ็นเซอร์ โดยระบุการจับคู่ระหว่างตัวควบคุมกับมอเตอร์อย่างต่อเนื่องเป็นตัวกำหนดหลักของคุณภาพการควบคุมแรงบิดในโลกแห่งความเป็นจริง ซึ่งเป็นจุดที่ใช้กับการกำหนดค่ามอเตอร์ฮับและไดรฟ์กลางอย่างเท่าเทียมกัน

การเลือกตัวควบคุมมอเตอร์แรงบิดที่เหมาะสม

การเลือกคอนโทรลเลอร์จะลดตัวแปรลงเหลือ 5 ตัวแปร ได้แก่ อัตราแรงดันและกระแส การรองรับอัลกอริธึมการควบคุม อินเทอร์เฟซการสื่อสาร ความเข้ากันได้ของมอเตอร์ และสภาพแวดล้อมการใช้งาน การได้รับผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้องอย่างใดอย่างหนึ่งเหล่านี้ในระบบที่มีประสิทธิภาพต่ำกว่าหรือล้มเหลวก่อนเวลาอันควร

พิกัดแรงดันและกระแสต้องครอบคลุมทั้งจุดใช้งานที่กำหนดและความต้องการสูงสุดระหว่างสภาวะเร่งความเร็วและโอเวอร์โหลด ตัวควบคุมที่ระบุเฉพาะพิกัดกระแสต่อเนื่องของมอเตอร์จะตัดวงจรการป้องกันระหว่างการทำงานแบบไดนามิกปกติ แนวทางมาตรฐานคือการระบุกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องที่จุดทำงานที่กำหนดของมอเตอร์ และตรวจสอบความสามารถของกระแสไฟฟ้าสูงสุดเทียบกับโรเตอร์ที่ล็อกหรือกระแสหยุดของมอเตอร์ จากนั้นใช้การลดพิกัดที่เหมาะสมสำหรับสภาพแวดล้อมทางความร้อน

การสนับสนุนอัลกอริธึมการควบคุมจะกำหนดประสิทธิภาพของแรงบิดที่ทำได้ หากการใช้งานต้องการแรงบิดที่ราบรื่นที่ความเร็วต่ำ เช่น ในมอเตอร์ฮับแบบขับเคลื่อนโดยตรงหรือแอคชูเอเตอร์ทางอุตสาหกรรมที่มีความแม่นยำ จำเป็นต้องมี FOC ที่มีการตรวจจับกระแสไฟฟ้า หากต้นทุนและความเรียบง่ายเป็นข้อจำกัดหลัก และประสิทธิภาพที่ความเร็วต่ำไม่สำคัญ การควบคุมโหมดแรงดันไฟฟ้าแบบไร้เซ็นเซอร์ก็อาจเพียงพอ ชุดพารามิเตอร์ที่กำหนดค่าได้ของคอนโทรลเลอร์จะกำหนดว่าแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่กำหนดสามารถปรับให้เข้ากับมอเตอร์ประเภทต่างๆ ได้ดีเพียงใดโดยไม่ต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์

สำหรับผู้ประกอบระบบที่จัดหามอเตอร์และตัวควบคุมเป็นชุดที่ตรงกัน APT's รูปแบบการจับคู่ตัวควบคุมและมอเตอร์ครอบคลุมคำแนะนำการจับคู่เฉพาะการใช้งาน ให้กรอบการทำงานที่มีโครงสร้างสำหรับการปรับข้อมูลจำเพาะของตัวควบคุมให้สอดคล้องกับพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของมอเตอร์และข้อกำหนดรอบการทำงานของแอปพลิเคชัน โดยขจัดสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของความล้มเหลวของระบบควบคุมแรงบิดก่อนการทดสอบเดินเครื่อง