Thuật toán điều khiển động cơ: Giải thích các phương pháp sáu bước, FOC và không cảm biến

Bảng thông số kỹ thuật có thể cho bạn biết rằng bộ điều khiển động cơ xử lý dòng điện 48 V và 60 A, nhưng nó sẽ không cho bạn biết động cơ phát ra âm thanh như thế nào ở tốc độ đi bộ, khung gầm rô-bốt của bạn sẽ cảm nhận được mô-men xoắn bao nhiêu hoặc liệu động cơ vẫn có thể kéo đi trên một ngọn đồi dốc hay không. Những hành vi đó được quyết định bởi thuật toán điều khiển động cơ được nhúng trong phần sụn. Ba dòng thống trị điều khiển động cơ đồng bộ DC không chổi than (BLDC) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM): chuyển mạch sáu bước, điều khiển hướng trường (FOC) và phương pháp quan sát không cảm biến. Đối với hầu hết các chương trình tự động hóa và phương tiện mới, FOC với thiết bị quan sát không cảm biến là mặc định trong thực tế, trong khi sáu bước vẫn là lựa chọn chi phí thấp cho các tải đơn giản. Các phần bên dưới giải thích các thuật toán này khác nhau như thế nào và sự khác biệt đó có ý nghĩa gì khi bạn chọn bộ điều khiển.

Thuật toán điều khiển động cơ thực sự làm được những gì

Mọi thuật toán điều khiển động cơ đều chạy cùng một vòng lặp cơ bản. Nó đọc hoặc ước tính vị trí rôto, so sánh dòng điện pha đo được với mô-men xoắn hoặc tốc độ được yêu cầu, tính toán các vectơ điện áp để khắc phục lỗi đó và áp dụng chúng vào biến tần trong khi bảo vệ giai đoạn nguồn. Thuật toán cũng quản lý tốc độ tăng tốc, giới hạn dòng điện, phanh tái tạo và phát hiện lỗi.

Việc lựa chọn thuật toán đặt ra giới hạn về độ mượt của mô-men xoắn, độ ồn âm thanh, hiệu suất và phản hồi động. Một bộ vi điều khiển mạnh mẽ không thể khắc phục được vòng điều khiển có cấu trúc kém và một thuật toán đơn giản có thể khiến một bộ điều khiển tốt trở nên thô thiển trong một ứng dụng xe đòi hỏi khắt khe.

Các nhóm thuật toán chính được sử dụng ngày nay

Chuyển mạch sáu bước (hình thang)

Chuyển mạch sáu bước cung cấp năng lượng cho hai trong số ba pha động cơ cùng một lúc và bước qua sáu trạng thái chuyển mạch. Nó rất đơn giản để thực hiện, sử dụng ít thời gian xử lý và hoạt động tự nhiên với các cảm biến Hall. Hạn chế là gợn sóng mô-men xoắn tại mỗi điểm chuyển mạch và tiếng ồn có thể nghe được ở tốc độ thấp. Sáu bước vẫn là sự lựa chọn hợp lý cho máy bơm, quạt và bộ truyền động lực kéo giá rẻ, nơi độ êm ái không quan trọng bằng giá cả.

Kiểm soát theo định hướng trường

Điều khiển hướng trường coi dòng điện stato là hai thành phần độc lập: một thành phần tạo ra mô-men xoắn và một thành phần điều khiển từ trường. Sau các phép biến đổi Clarke và Park, hai bộ điều khiển PI điều chỉnh các thành phần này và điều chế vectơ không gian chuyển đổi kết quả trở lại điện áp ba pha. FOC mang lại mô-men xoắn gần như không đổi, độ ồn thấp và hiệu suất cao trên phạm vi tốc độ, kể cả khi đứng yên.

FOC cần tính toán nhiều hơn sáu bước, nhưng điều đó không còn là hạn chế với các bộ vi điều khiển hiện đại. Đây là chế độ mặc định cho xe máy điện, bộ truyền động robot, tàu thủy và hầu hết các ứng dụng cần mô-men xoắn có thể dự đoán được.

Người quan sát không cảm biến

Các thuật toán không cảm biến ước tính vị trí rôto từ điện áp và dòng điện đo được thay vì từ cảm biến vị trí riêng biệt. Cảm biến EMF ngược là phương pháp đơn giản nhất và hoạt động tốt ở tốc độ trên vài trăm vòng/phút. Bộ quan sát chế độ trượt tăng thêm độ chắc chắn chống lại lỗi tham số và nhiễu đo lường. Bộ lọc Kalman mở rộng cung cấp các ước tính chính xác khi bị nhiễu nhưng cần điều chỉnh cẩn thận. Phun tần số cao kích thích từ trường của động cơ và cung cấp thông tin vị trí ở tốc độ 0 và rất thấp.

Sự cân bằng thực tế là giữa chi phí, khả năng tốc độ thấp và khả năng loại bỏ nhiễu. Việc loại bỏ cảm biến Hall và nối dây bộ mã hóa giúp giảm chi phí và cải thiện độ tin cậy nhưng chỉ khi chu kỳ hoạt động cho phép bộ ước tính thực hiện công việc của mình.

Điều khiển V/Hz vô hướng

Điều khiển vô hướng giữ một tỷ lệ cố định giữa điện áp và tần số và chủ yếu được sử dụng với động cơ cảm ứng xoay chiều. Nó đơn giản và không cần phản hồi vị trí, nhưng phản ứng mô-men xoắn của nó yếu. Nó ít xuất hiện hơn trong các hệ thống truyền động của xe nhỏ gọn vì những hệ thống đó sử dụng động cơ BLDC hoặc PMSM, trong đó FOC hoặc sáu bước mang lại kết quả tốt hơn.

So sánh các thuật toán theo ứng dụng

Chu kỳ nhiệm vụ khác nhau ủng hộ các thuật toán khác nhau. Một chiếc mô tô điện dành phần lớn thời gian ở tốc độ trên vài trăm vòng/phút, do đó, FOC không cảm biến với ước tính EMF ngược giúp giảm chi phí mà không ảnh hưởng đến hiệu suất di chuyển; khởi hành ngang dốc và di chuyển ở tốc độ thấp đã thúc đẩy các nhà thiết kế quay trở lại với cảm biến Hall. Khung gầm robot phải di chuyển về phía trước và lùi với độ chính xác cao, điều này đòi hỏi phải có cảm biến vị trí hoặc phun tần số cao. Khi nền tảng là robot giao hàng hoặc cơ sở thao tác di động, Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than phản ứng nhanh có thể là sự khác biệt giữa một ổ đĩa có cảm giác lag và một ổ đĩa theo dõi lệnh ngay lập tức.

Nhà cung cấp, nhà máy điều khiển động cơ DC không chổi than phản ứng nhanh R5 - APT Thượng Hải APT là R5 Nhà cung cấp bộ điều khiển động cơ DC không chổi than phản ứng nhanh và Bán buôn Nhà máy sản xuất bộ điều khiển động cơ DC không chổi than R5 phản ứng nhanh ở C... Xem sản phẩm →

Tàu thuyền chạy ở tốc độ ổn định trong nhiều giờ, do đó hiệu suất và độ ổn định nhiệt quan trọng hơn phản ứng nhất thời. ATV hoặc UTV nhận thấy tải trọng thay đổi đột ngột trên địa hình gồ ghề, điều này mang lại lợi ích cho người quan sát chắc chắn và khoảng không gian rộng rãi hiện tại. Bảng dưới đây tóm tắt những sự đánh đổi phổ biến.

Hãy coi bảng như một điểm khởi đầu, không phải là một phán quyết. Một bộ điều khiển được thiết kế tốt có thể thu hẹp nhiều khoảng trống này vì vòng lặp hiện tại và bộ quan sát của nó được điều chỉnh cùng nhau. Đó là lý do tại sao kinh nghiệm của nhà cung cấp bộ điều khiển với chu trình hoạt động thực tế của xe cũng quan trọng như tên thuật toán trên biểu dữ liệu.

Lựa chọn thuật toán ảnh hưởng như thế nào đến việc lựa chọn bộ điều khiển

Vì thuật toán tồn tại trong phần mềm nhúng nên phần cứng và phần sụn phải được thiết kế cùng nhau. Song song MOSFET xác định mức độ phân chia dòng điện đồng đều giữa các pha. Độ chính xác của cảm biến hiện tại đặt nền tảng cho vòng lặp hiện tại FOC. Cường độ ổ đĩa cổng ảnh hưởng đến tổn thất chuyển mạch và nhiễu điện từ. Thiết kế tản nhiệt quyết định bộ điều khiển có thể duy trì mô-men xoắn cực đại trong bao lâu. Một bộ điều khiển có silicon tốt nhưng phần sụn được điều chỉnh kém sẽ hiển thị độ gợn và nhiễu mô-men xoắn; một bộ điều khiển có phần mềm tốt nhưng khả năng cảm nhận dòng điện yếu sẽ bị ngắt hoặc bị hỏng. Đây là lý do tại sao hiện nay có rất nhiều sự chú ý về kỹ thuật dành cho vai trò của phần mềm trong điều khiển động cơ hiện đại .

Logic tương tự áp dụng cho chính động cơ. Điện trở stato, độ tự cảm pha và hằng số EMF ngược xác định những gì bộ điều khiển có thể và không thể làm. Bộ điều khiển được định mức 60 A sẽ không làm cho động cơ kém phù hợp hoạt động hiệu quả và việc điều chỉnh FOC quá mức có thể làm động cơ có khối lượng nhiệt thấp bị quá nóng. Yêu cầu ghép nối bộ điều khiển động cơ đã được xác thực là một phần của quy trình mua hàng chứ không phải là một việc cần cân nhắc.

Về mặt phần cứng, Bộ điều khiển động cơ hiệu suất cao dòng T ghép nối chương trình cơ sở FOC điện áp rộng với giai đoạn nguồn dành cho xe máy điện tử, e-ATV và bo mạch điện tử. Chúng là một ví dụ về thiết kế trong đó thuật toán điều khiển và biến tần được phát triển trong cùng một ngôi nhà, do đó phần sụn biết được giới hạn của phần cứng.

Nhà cung cấp, nhà máy bộ điều khiển động cơ hiệu suất cao dòng T APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 Nhà máy sản xuất bộ điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, Bộ điều khiển động cơ hiệu suất cao dòng T... Xem sản phẩm →

Tiêu chí đánh giá thực tế cho bộ điều khiển động cơ

Khi bạn so sánh các bộ điều khiển, hãy nhìn phía sau con số hiện tại cao nhất. Các điểm sau đây phân biệt bộ điều khiển hoạt động trên giấy với bộ điều khiển hoạt động trên đường.

• Xác nhận thuật toán nào phần sụn thực sự chạy. Một số bộ điều khiển giá rẻ quảng cáo FOC nhưng chuyển sang sáu bước ở tốc độ cao để ẩn giới hạn tính toán.
• Kiểm tra xem việc triển khai FOC là không cảm biến, dựa trên Hall hay có thể chuyển đổi. Cảm biến làm giảm hệ thống dây điện nhưng có thể gặp khó khăn ở tốc độ rất thấp nếu không đưa vào tần số cao.
• Hỏi cách điều chỉnh vòng lặp hiện tại. Động cơ có độ tự cảm pha khác nhau yêu cầu mức tăng khác nhau và việc điều chỉnh tự động giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình khởi động.
• Xem xét hành vi quá tải, bao gồm giới hạn dòng điện, giảm nhiệt và phục hồi lỗi. Những chi tiết này quyết định liệu chiếc xe có dừng lại an toàn hay khiến người lái bị mắc kẹt.
• Hãy xem xét tiếng ồn âm thanh. Nếu sản phẩm là xe máy điện hoặc robot giao hàng hoạt động gần người thì tiếng ồn là điểm bán hàng. các Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than cực kỳ yên tĩnh Nhà cung cấp, nhà máy điều khiển động cơ DC không chổi than siêu yên tĩnh A6 - Shanghai APT P APT là Nhà cung cấp Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than siêu yên A6 và Nhà máy bán buôn Bộ điều khiển động cơ DC không chổi than siêu yên A6 tại Trung Quốc... Xem sản phẩm → là một ví dụ thực tế về thiết kế hướng hình sin giúp giảm tiếng ồn chuyển mạch.

Các thuật toán điều khiển động cơ không nên chỉ được chọn từ sơ đồ khối. Trước tiên, hãy đặt chu kỳ hoạt động, phạm vi tốc độ, mức ồn và các yêu cầu về tốc độ thấp cho xe của bạn, sau đó so sánh bộ điều khiển với các mục tiêu đó. Sáu bước là hoàn toàn phù hợp cho một chiếc quạt, FOC là điểm khởi đầu phù hợp cho hầu hết các ứng dụng lực kéo và thiết bị quan sát không cảm biến là công cụ tiết kiệm chi phí khi phạm vi tốc độ cho phép. Bộ điều khiển tốt nhất là bộ điều khiển có thuật toán, giai đoạn công suất và hỗ trợ ứng dụng phù hợp với hồ sơ vận hành thực tế của sản phẩm của bạn.