Bộ điều khiển động cơ mô-men xoắn: Các loại, phương pháp điều khiển & hướng dẫn lựa chọn

Bộ điều khiển động cơ mô-men xoắn thực sự làm được những gì

Tốc độ và vị trí thường được chú ý nhiều nhất trong các cuộc thảo luận về điều khiển động cơ, nhưng mô-men xoắn là biến số cơ bản - yếu tố quyết định lực quay mà động cơ cung cấp cho tải của nó tại bất kỳ thời điểm nào. Bộ điều khiển động cơ mô-men xoắn là hệ thống phần cứng và phần mềm chịu trách nhiệm điều chỉnh lực đầu ra đó, đảm bảo động cơ tạo ra chính xác mô-men xoắn mà ứng dụng yêu cầu, cho dù điều đó có nghĩa là giữ mức không đổi dưới tải khác nhau, theo dõi tín hiệu tham chiếu động tính bằng mili giây hay giới hạn đầu ra để bảo vệ các bộ phận cơ khí hạ lưu.

Cần phải nêu rõ sự khác biệt giữa điều khiển mô-men xoắn và điều khiển tốc độ. Bộ điều khiển tốc độ cố gắng duy trì tốc độ quay mục tiêu, điều chỉnh dòng điện khi tải thay đổi. Bộ điều khiển mô-men xoắn thực hiện ngược lại: nó đặt trực tiếp lực quay, cho phép tốc độ thay đổi theo yêu cầu của hệ thống cơ học. Trong nhiều hệ thống trong thế giới thực - xe điện, robot, máy cuộn dây, bộ truyền động lực kéo - điều khiển mô-men xoắn là vòng bên trong mà bộ điều khiển tốc độ hoặc vị trí đặt lên trên. Chất lượng của vòng mô-men xoắn xác định khả năng phản hồi của mọi thứ phía trên nó.

Bộ điều khiển động cơ mô-men xoắn hiện đại được xây dựng dựa trên kiến ​​trúc động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) và DC không chổi than, cho phép điều chỉnh mô-men xoắn dựa trên dòng điện chính xác thông qua các thuật toán điều khiển phức tạp. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển — và phần cứng thực hiện phương pháp đó — có tác động trực tiếp đến hiệu quả, tiếng ồn, phản hồi động và độ tin cậy của hệ thống.

Các phương pháp kiểm soát cốt lõi: Phương pháp tiếp cận FOC, DTC và không cảm biến

Ba phương pháp điều khiển chiếm ưu thế trong thiết kế bộ điều khiển động cơ mô-men xoắn hiện đại. Mỗi cái thể hiện sự cân bằng kỹ thuật khác nhau giữa độ chính xác, độ phức tạp tính toán, yêu cầu phần cứng và chi phí.

Điều khiển hướng trường (FOC) , còn được gọi là điều khiển vectơ, là tiêu chuẩn hiện tại cho việc điều chỉnh mô-men xoắn hiệu suất cao. Nguyên tắc là phân tách dòng điện stato thành hai thành phần độc lập về mặt toán học: thành phần tạo từ thông (trục d) và thành phần tạo mô-men xoắn (trục q). Bằng cách điều khiển hai thành phần này một cách độc lập trong một khung tham chiếu quay được đồng bộ hóa với rôto, bộ điều khiển đạt được khả năng điều khiển mô-men xoắn tách rời, chính xác tương tự đối với động cơ AC mà động cơ DC đơn giản có chuyển mạch chổi than cung cấp một cách tự nhiên. Kết quả là đầu ra mô-men xoắn mượt mà, ít gợn sóng trên toàn dải tốc độ, hiệu suất cao và phản ứng động nhanh. FOC yêu cầu kiến ​​thức theo thời gian thực về vị trí rôto — thường là từ cảm biến Hall, bộ mã hóa hoặc bộ phân giải — và đủ sức mạnh xử lý để chạy phép toán biến đổi ở tốc độ cập nhậtPWM. Đối với động cơ BLDC và PMSM trong các ứng dụng đòi hỏi khắt khe bao gồm xe điện, bộ truyền động CNC và robot, FOC là giải pháp triển khai tiêu chuẩn.

Kiểm soát mô-men xoắn trực tiếp (DTC) có một cách tiếp cận cơ bản khác nhau. Thay vì tính toán vectơ điện áp thông qua chuyển đổi khung tham chiếu, DTC chọn trạng thái chuyển đổi cho biến tần trực tiếp dựa trên sai số tức thời giữa giá trị từ thông và mô-men xoắn mục tiêu và đo được. Điều này giúp loại bỏ vòng điều khiển dòng điện bên trong và các phép biến đổi tọa độ mà FOC yêu cầu, dẫn đến phản ứng mô-men xoắn rất nhanh — các quyết định chuyển đổi xảy ra cứ sau vài micro giây. Sự đánh đổi là độ gợn mô-men xoắn cao hơn và hành vi chuyển đổi phức tạp hơn so với FOC. DTC thường được tìm thấy nhiều nhất trong các ứng dụng truyền động công nghiệp công suất cao trong đó thời gian đáp ứng là tiêu chí chính.

Điều khiển không cảm biến không phải là một thuật toán điều khiển riêng biệt mà là một kỹ thuật loại bỏ cảm biến vị trí rôto vật lý bằng cách ước tính góc rôto từ dòng điện và điện áp đo được của động cơ. Ở tốc độ trung bình đến cao, ước tính EMF ngược cung cấp khả năng theo dõi vị trí rôto chính xác. Ở tốc độ thấp - nơi EMF ngược quá nhỏ để đo một cách đáng tin cậy - cần có các bộ quan sát phức tạp hơn (bộ lọc Kalman mở rộng, bộ quan sát chế độ trượt). Việc triển khai không có cảm biến giúp giảm chi phí hệ thống, loại bỏ điểm lỗi tiềm ẩn và đơn giản hóa việc cài đặt, với cái giá là giảm độ chính xác và hiệu suất ở tốc độ rất thấp. Nhiều bộ điều khiển động cơ BLDC hiện đại cung cấp tùy chọn vận hành không cảm biến bên cạnh các chế độ dựa trên cảm biến, cho phép cấu hình hệ thống theo yêu cầu về phạm vi tốc độ và độ chính xác của ứng dụng.

Kiến trúc bộ điều khiển: Phần cứng giúp điều khiển mô-men xoắn hoạt động

Hiểu thuật toán điều khiển chỉ là một phần của bức tranh. Kiến trúc phần cứng của bộ điều khiển xác định liệu thuật toán có thể thực thi ở tốc độ yêu cầu hay không và liệu các tín hiệu dẫn động thu được có thực sự tạo ra đầu ra động cơ sạch, hiệu quả hay không.

Giai đoạn cấp nguồn - thường là cầu biến tần MOSFET hoặc IGBT ba pha - chuyển đổi các lệnh chuyển đổi tín hiệu điều khiển động cơ (PWM) của bộ điều khiển thành điện áp pha và dòng điện điều khiển động cơ. Tần số chuyển mạch, bù thời gian chết và thiết kế truyền động cổng đều ảnh hưởng đến độ gợn mô-men xoắn, hiệu suất và nhiễu điện từ. Tần số chuyển mạch cao hơn làm giảm độ gợn dòng điện và cải thiện độ trơn của mô-men xoắn nhưng làm tăng tổn thất chuyển mạch; tần số tối ưu phụ thuộc vào độ tự cảm của động cơ, khả năng tản nhiệt của bộ điều khiển và yêu cầu về tiếng ồn của ứng dụng.

Cảm biến hiện tại là tín hiệu phản hồi đóng vòng điều khiển mô-men xoắn. Điện trở song song trong đường dây pha động cơ hoặc bus DC cung cấp phép đo thô; bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số của bộ điều khiển lấy mẫu các tín hiệu này ở mỗi chu kỳPWM để cung cấp cho vòng điều khiển hiện tại. Độ chính xác, tốc độ lấy mẫu và loại bỏ tiếng ồn của đường dẫn cảm biến hiện tại xác định trực tiếp mức độ chính xác mà bộ điều khiển có thể điều chỉnh mô-men xoắn. Đối với việc triển khai FOC, chất lượng cảm biến dòng điện là yếu tố phần cứng lớn nhất ảnh hưởng đến hiệu suất kiểm soát mô-men xoắn.

Khả năng giao tiếp và khả năng lập trình giúp phân biệt bộ điều khiển mô-men xoắn hiện đại với các bộ truyền động chức năng cố định cũ hơn. Các giao diện CAN bus, RS-485, UART và SPI cho phép tham chiếu mô-men xoắn được ra lệnh linh hoạt từ bộ điều khiển giám sát, cho phép bộ điều khiển động cơ hoạt động như một bộ truyền động mô-men xoắn trong hệ thống điều khiển chuyển động lớn hơn. Khả năng cấu hình tham số - bao gồm các giới hạn hiện tại, tần số xung, mức tăng PI và ngưỡng bảo vệ - cho phép điều chỉnh cùng một phần cứng bộ điều khiển cho các loại động cơ và cấu hình ứng dụng khác nhau.

APT bộ điều khiển động cơ DC không chổi than cho các ứng dụng công nghiệp và di động triển khai điều khiển mô-men xoắn dựa trên FOC với các chế độ vận hành có thể định cấu hình, bao gồm toàn bộ phạm vi từ bộ truyền động nhỏ gọn không cảm biến đến cấu hình cảm biến hiệu suất cao. các Bộ điều khiển động cơ PMSM hiệu suất cao dòng T mở rộng điều này đến các nền tảng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu nơi yêu cầu mật độ mô-men xoắn tối đa và phản ứng động.

Các loại động cơ và yêu cầu kiểm soát mô-men xoắn của chúng

Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển mô-men xoắn không thể tách rời khỏi động cơ mà nó điều khiển. Động cơ BLDC và PMSM có chung nhiều đặc tính điều khiển nhưng khác nhau về cấu trúc rôto và dạng sóng EMF ngược theo những cách ảnh hưởng đến thiết kế bộ điều khiển. Động cơ trung tâm và động cơ truyền động giữa — cả hai đều phổ biến trong các ứng dụng di động điện tử — đưa ra những thách thức kiểm soát mô-men xoắn riêng biệt phản ánh vai trò cơ học của chúng trong hệ thống truyền động.

Động cơ trung tâm tích hợp động cơ trực tiếp vào trục bánh xe. Điều khiển mô-men xoắn của động cơ trung tâm về cơ bản là truyền mô-men xoắn trực tiếp tới mặt đường mà không có sự giảm cơ học trung gian. Điều này đòi hỏi công suất mô-men xoắn ở tốc độ thấp cao và điều chế mô-men xoắn chính xác để mang lại cảm giác lái và quản lý lực kéo cho người lái. Cảm biến Hall trong trung tâm cung cấp vị trí rôto cho vòng FOC, mặc dù việc triển khai không có cảm biến ngày càng khả thi khi thuật toán quan sát được cải thiện. APT Động cơ trung tâm điện được thiết kế cho hệ thống truyền động tích hợp bánh xe được thiết kế cho cấu hình phân phối mô-men xoắn dẫn động trực tiếp này.

Động cơ dẫn động giữa kết nối với hệ thống truyền động thông qua hộp số hiện có của xe đạp hoặc xe cộ. Động cơ hoạt động ở tốc độ cao hơn, thông qua việc giảm tốc, có nghĩa là vòng điều khiển mô-men xoắn quản lý phạm vi hoạt động khác với động cơ trung tâm. Cấu hình dẫn động giữa cho phép động cơ hoạt động gần hơn với điểm hiệu suất cao nhất bất kể tốc độ xe, với hộp số xử lý việc điều chỉnh tỷ số. Điều này làm cho chiến lược kiểm soát mô-men xoắn — đặc biệt là hiệu quả tải từng phần và quản lý mô-men tái tạo — có ảnh hưởng nhiều hơn đến mức tiêu thụ năng lượng ở cấp hệ thống. APT động cơ truyền động giữa cho các ứng dụng kết hợp truyền động hiệu suất cao giải quyết cấu hình vận hành này bằng các thiết kế động cơ được tối ưu hóa cho phạm vi RPM và đặc tính mô-men xoắn của các chu kỳ làm việc truyền động giữa.

Nguồn lực kỹ thuật của ngành, bao gồm hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về các phương pháp điều khiển mô-men xoắn động cơ bao gồm triển khai FOC, DTC, PID và không cảm biến , luôn xác định sự phù hợp giữa bộ điều khiển-động cơ là yếu tố chính quyết định chất lượng điều khiển mô-men xoắn trong thế giới thực — một điểm áp dụng như nhau cho cấu hình động cơ trung tâm và dẫn động giữa.

Chọn bộ điều khiển mô-men xoắn phù hợp

Lựa chọn bộ điều khiển giảm xuống còn năm biến: định mức điện áp và dòng điện, hỗ trợ thuật toán điều khiển, giao diện truyền thông, khả năng tương thích của động cơ và môi trường ứng dụng. Việc gặp phải bất kỳ sai sót nào trong số này sẽ dẫn đến hệ thống hoạt động kém hiệu quả hoặc bị lỗi sớm.

Xếp hạng điện áp và dòng điện phải bao gồm cả điểm vận hành danh nghĩa và nhu cầu cao nhất trong điều kiện tăng tốc và quá tải. Bộ điều khiển chỉ được chỉ định cho định mức dòng điện liên tục của động cơ sẽ ngắt bảo vệ trong quá trình vận hành động bình thường. Phương pháp tiêu chuẩn là xác định dòng điện liên tục tại điểm vận hành định mức của động cơ và xác minh khả năng dòng điện cực đại so với dòng điện bị khóa rôto hoặc dòng điện chết máy của động cơ, sau đó áp dụng mức giảm định mức thích hợp cho môi trường nhiệt.

Hỗ trợ thuật toán điều khiển xác định hiệu suất mô-men xoắn có thể đạt được. Nếu ứng dụng yêu cầu mô-men xoắn mượt mà ở tốc độ thấp - như trong động cơ trung tâm truyền động trực tiếp hoặc bộ truyền động công nghiệp chính xác - thì cần phải có FOC với cảm biến dòng điện. Nếu chi phí và tính đơn giản là những hạn chế chính và hiệu suất tốc độ thấp không quan trọng thì điều khiển chế độ điện áp không cảm biến có thể phù hợp. Bộ tham số có thể cấu hình của bộ điều khiển xác định mức độ thích ứng của nền tảng phần cứng nhất định với các loại động cơ khác nhau mà không cần thay đổi phần cứng.

Đối với các nhà tích hợp hệ thống tìm nguồn cung ứng động cơ và bộ điều khiển dưới dạng một bộ phù hợp, APT sơ đồ ghép nối bộ điều khiển và động cơ bao gồm các đề xuất kết hợp dành riêng cho ứng dụng cung cấp một khung có cấu trúc để căn chỉnh các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển cho phù hợp với các thông số điện của động cơ và các yêu cầu về chu kỳ nhiệm vụ của ứng dụng - loại bỏ nguồn lỗi phổ biến nhất của hệ thống điều khiển mô-men xoắn trước khi vận hành.