کنترل گشتاور توضیح داده شده: راهنمای عملی برای انتخاب کنترل کننده موتور BLDC

یک موتورسیکلت برقی را در حالی که مسافری را حمل می کند، روی یک سطح شیب دار شیب دار نگه داشته است. یک کنترل‌کننده سرعت سرعت هدف پایینی را نگه می‌دارد، اما یک ضربه کوچک دریچه گاز می‌تواند پرتاب کنترل‌شده را به یک حرکت تند و شدید تبدیل کند. اکنون یک ربات تحویل دهنده را در حال عبور از دری که کمی خیلی باریک است تصور کنید. اگر کنترل کننده با جریان کامل به فشار دادن ادامه دهد، گیربکس ضربه را جذب می کند. هر دو موقعیت با کنترل گشتاور حل می شوند، حالت عملیاتی که نیروی چرخشی تولید شده موتور را به جای سرعت یا موقعیت آن تنظیم می کند.

این مقاله برای مهندسان و تیم های پروژه OEM نوشته شده است که در حال ارزیابی کنترل کننده های موتور بدون جاروبک برای موتورسیکلت های الکتریکی، شاسی ربات، ATV های الکتریکی، UTV ها و موتورهای بیرونی هستند. ما توضیح خواهیم داد که کنترل گشتاور در یک درایو BLDC یا PMSM به چه معناست، چگونه کنترلر به آن دست می یابد، و کدام مشخصات تعیین می کنند که آیا گشتاور در عملکرد دنیای واقعی صاف و پاسخگو است یا خیر.

کنترل گشتاور در واقع به چه معناست

کنترل گشتاور جریان تحویل شده به موتور را تنظیم می کند به طوری که گشتاور شفت از دستوری که سوار، راننده یا کنترل کننده حرکت داده است پیروی کند. سرعت هدف را حفظ نمی کند. موقعیت روتور را نگه نمی دارد. موتور به سادگی هر سرعتی را که از گشتاور اعمال شده و بار متصل به شفت حاصل می شود تولید می کند.

یک مقایسه ساده کمک می کند. هنگامی که یک گاری دستی را فشار می دهید، بازوهای شما نیرو وارد می کنند و گاری با هر سرعتی که این نیرو در برابر مقاومت غلتشی و شیب ایجاد می کند حرکت می کند. بازوهای شما در حال انجام کنترل گشتاور هستند. اگر به جای آن سرعت چرخ دستی را قفل کرده باشید، این کنترل سرعت خواهد بود.

کنترل گشتاور نیز یک عملکرد محافظتی است. کنترل کننده ای که برنامه ریزی شده است تا بیش از 15 نیوتن متر را ارائه دهد، به سادگی 20 نیوتن متر خروجی نمی دهد، حتی اگر راننده آن را بخواهد. لغزش چرخ روی شن شل، یک محرک مسدود شده یا یک یاتاقان تا حدی مسدود شده دیگر مستقیماً به تنش خط محرکه تبدیل نمی شود. به همین دلیل است که محدود کردن گشتاور اغلب به عنوان یک عملکرد ایمنی در سیستم های حرکتی استفاده می شود.

چگونه یک کنترل کننده براشلس گشتاور کنترل شده را تحویل می دهد

در یک موتور DC بدون جاروبک یا یک موتور سنکرون آهنربای دائم، گشتاور متناسب با جریان آرمیچر در محور مربع است. بنابراین کنترل گشتاور کنترل جریان است. یک کنترل‌کننده با طراحی خوب، جریان‌های فاز را اندازه‌گیری می‌کند، جزء تولیدکننده گشتاور را با فرمان گشتاور مقایسه می‌کند، و الگوی سوئیچ اینورتر را برای کاهش خطا تنظیم می‌کند. این حلقه جریان داخلی جایی است که کنترل گشتاور در واقع زندگی می کند.

کنترل میدان گرا و حلقه جاری

کنترل میدان گرا، که معمولا FOC نامیده می شود، جریان های سه فاز اندازه گیری شده را به دو جزء در یک قاب مرجع چرخان تبدیل می کند: یک جزء مغناطیسی در محور d و یک جزء تولید کننده گشتاور در محور q. کنترل کننده به جریان محور q دستور می دهد تا با گشتاور درخواستی مطابقت داشته باشد و جریان محور d را برای PMSM نصب شده روی سطح نزدیک به صفر نگه می دارد. پهنای باند این حلقه فعلی تعیین می کند که اصلاحات گشتاور با چه سرعتی انجام می شود. یک حلقه به روز شده در 10 تا 20 کیلوهرتز به تغییرات بار در چند میلی ثانیه واکنش نشان می دهد، که تفاوت بین یک خزیدن پایدار و یک حرکت لکنت در سرعت کم است. FOC یک دلیل اصلی است فن آوری موتور سنکرون آهنربای دائم به پیشرفت خود ادامه می دهد برای کاربردهای کششی: همان سخت افزار گشتاور نرم تر، راندمان بالاتر و ترمز احیا کننده را تنها از طریق تغییرات نرم افزاری ارائه می دهد.

بازخورد سنسور و عملکرد بدون سنسور

کیفیت کنترل گشتاور به شدت به بازخورد موقعیت روتور بستگی دارد. حسگرهای هال وضوح درشت و 60 درجه ای را ارائه می دهند که برای جابجایی ذوزنقه ای کافی است اما برای گشتاور صاف در سرعت کم کافی نیست. رمزگذارها و تفکیک‌کننده‌ها زاویه روتور پیوسته را ارائه می‌کنند و به FOC اجازه می‌دهند تا گشتاور دقیق را حتی نزدیک به حالت سکون نگه دارد. الگوریتم‌های بدون حسگر موقعیت روتور را از EMF پشتی تخمین می‌زنند، که هزینه سنسور را حذف می‌کند اما نمی‌تواند گشتاور کامل را در سرعت صفر در جایی که هیچ EMF برگشتی وجود ندارد حفظ کند. بسیاری از درایوهای تولید از یک استراتژی ترکیبی استفاده می‌کنند: راه‌اندازی مبتنی بر حسگر و دویدن بدون سنسور بالاتر از چند صد دور در دقیقه.

سنجش جریان فاز به همان اندازه مهم است. مقاومت های شنت سمت پایین ارزان هستند اما به نویز حساس هستند. سنسورهای فاز یکپارچه هزینه بیشتری دارند و اندازه گیری تمیزتری را در جریان های کم ارائه می دهند. فرکانس نمونه برداری و فیلتر کردن سیگنال جریان، موج گشتاور عملی را که روی شفت مشاهده می شود تنظیم می کند، بنابراین ارقام گشتاور در برگه داده باید همراه با معماری حسگر مورد استفاده در کنترل کننده خوانده شوند.

چرا کنترل گشتاور در برنامه های واقعی مهم است؟

کنترل گشتاور رفتار قابل اندازه گیری را در هر دسته کاربردی اصلی در تحرک الکتریکی و روباتیک تغییر می دهد.

• موتور سیکلت های برقی. پرتاب های کنترل شده در شیب ها، جلوگیری از لغزش چرخ در آسفالت خیس، و ترمز احیا کننده که گشتاور منفی را در یک سطح شیب دار صاف اعمال می کند. بدون محدودیت گشتاور، وقتی موتورسوار دریچه گاز را می پیچد، موتور می تواند به شدت درگیر شود.
• شاسی ربات. محدودیت گشتاور از چرخ دنده ها و موتورها در هنگام برخورد محافظت می کند. هنگامی که یک ربات متحرک مستقل وارد یک مانع غیرمنتظره می شود، کنترلر به جای اینکه تمام توان را به پیشرانه وارد کند، جریان را محدود می کند.
• ATV و UTV برقی. خزیدن با سرعت کم در زمین های ناهموار نیاز به خروجی دقیق گشتاور کم دارد. هنگامی که چرخ ها از دست می دهند و دوباره کشش را به دست می آورند، یک سیستم کنترل سرعت تمایل به افزایش پیدا می کند.
• موتورهای قایق الکتریکی. رانش ثابت در برابر جریان و باد مستلزم آن است که کنترل کننده به تغییرات بار سریعتر از یک حلقه سرعت پاسخ دهد.

این انطباق چند سناریویی محصولات محرک موتور دقیقاً منعکس کننده این تقاضا است: یک پلت فرم کنترل کننده باید طیف گسترده ای از فرمان های گشتاور را از چرخ های ربات کوچک گرفته تا خطوط محرکه ATV بزرگ انجام دهد.

مشخصات کلیدی که کیفیت گشتاور را تعیین می کند

هنگامی که منبع کنترلی را برای یک برنامه حساس به گشتاور تهیه می کنید، رتبه بندی جریان پیوسته و جریان اوج تنها نقطه شروع است. مشخصات زیر تأثیر بزرگی بر رفتار گشتاور دارد.

1. نرخ به روز رسانی حلقه فعلی. نرخ به روز رسانی بالاتر، معمولاً 10 تا 20 کیلوهرتز، تأخیر بین تغییر فرمان گشتاور و تغییر گشتاور واقعی روی شفت را کوتاه می کند.
2. فرکانس PWM فرکانس سوئیچینگ بالاتر موج جریان و نویز شنیداری را کاهش می دهد اما تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد. کنترل‌کننده‌هایی که هدفشان عملکرد بی‌صدا است، فرکانسی را انتخاب می‌کنند که هر دو را متعادل می‌کند.
3. وضوح حسگر جریان و نویز. این smallest measurable current step sets the smallest torque step. A noisy sensing circuit produces torque chatter at low load.
4. موج گشتاور. موج گشتاور کم، چرخش را در سرعت کم صاف نگه می دارد، که برای مفاصل و پروانه های ربات مهم است.
5. قابلیت اضافه بار. اوج گشتاور گذرا برای شروع در سربالایی و جابجایی موانع معمولاً از امتیاز پیوسته فراتر می رود. منحنی اضافه بار را در برابر چرخه وظیفه واقعی بررسی کنید.
6. اینrmal behaviour. گشتاور پایدار توسط طراحی حرارتی کنترلر تنظیم می شود. کنترل‌کننده‌ای که زودتر گاز می‌گیرد، در طول کارکرد طولانی‌مدت، بی‌صدا گشتاور موجود را کاهش می‌دهد.

کیفیت اجزا فراتر از اعداد اهمیت دارد. یک درایو کنترل شده با گشتاور، جریان فاز را صدها بار در ثانیه سوئیچ می کند، و هرگونه مقاومت متناوب در اتصالات یا اتصالات لحیم کاری به عنوان نویز اندازه گیری جریان ظاهر می شود که به پچ پچ گشتاور تبدیل می شود. به همین دلیل است که کیفیت مواد سخت افزار یک مشخصات مهندسی قانونی است، نه تنها یک ادعای بازاریابی.

همچنین ارزش بررسی ارقام موج‌های گشتاور صفحه داده با موتور واقعی را در طول آزمایش نمونه اولیه دارد. سازندگان، امواج گشتاور را در شرایط کنترل‌شده‌ای اندازه‌گیری می‌کنند که ممکن است با قاب تولید، اندوکتانس سیم‌پیچ خاص یا فرکانس PWM که پروژه قصد استفاده از آن را دارد، مطابقت نداشته باشد. یک تست نیمکت کوتاه که گشتاور را در چندین نقطه سرعت ثبت می کند، بیشتر مسائلی را که بعداً به شکایات میدانی تبدیل می شوند، آشکار می کند.

تطبیق کنترلر با موتور و چرخه وظیفه

عملکرد کنترل گشتاور یک ویژگی سیستم است، نه یک ویژگی کنترل کننده به صورت مجزا. حلقه جریان با اندوکتانس و مقاومت سیم پیچ موتور تنظیم می شود. همان کنترل کننده را به یک موتور با پارامترهای مختلف وصل کنید و پاسخ گشتاور می تواند نوسانی یا کند شود. به همین دلیل است که جفت کردن کنترلر و موتور به عنوان بخشی از طراحی سیستم بیشتر از انتخاب هر یک از اجزاء به تنهایی اهمیت دارد.

برای کاربردهایی که نیاز به پاسخ سریع گشتاور دارند، کنترلر موتور DC بدون جاروبک R5-2215 با واکنش سریع برای به حداقل رساندن تاخیر بین فرمان گشتاور و گشتاور مکانیکی شفت طراحی شده است. برای پلت فرم های حساس به کارایی مانند موتورسیکلت های برقی شهری، کنترل کننده موتور DC بدون جاروبک با راندمان بالا A4-2313 گشتاور را دقیقا نگه می دارد و در عین حال تلفات الکتریکی را کاهش می دهد. برای معماری های ولتاژ بالا و توان بالا با نیاز به گشتاور دینامیکی، کنترلر موتور با کارایی بالا سری T پوشش وسیع تری را پوشش می دهد که معمولاً ATV ها، UTV ها و پلت فرم های ربات بزرگتر نیاز دارند.

تولید کنندگان کنترلرهای موتور با کارایی بالا سری T، کارخانه APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 کارخانه کنترلرهای موتور سنکرون مغناطیس دائمی، کنترل موتور با کارایی بالا سری T... مشاهده محصول →

تامین کنندگان کنترل کننده موتور DC بدون جاروبک با راندمان بالا A4، کارخانه - شانگهای A APT تامین کنندگان کنترل کننده موتور DC بدون جاروبک با راندمان بالا A4 و کارخانه کنترل کننده موتور DC بدون جاروبک با راندمان بالا A4 عمده فروشی ... مشاهده محصول →

تامین کنندگان کنترل کننده موتور DC بدون برس پاسخ سریع R5، کارخانه - Shanghai APT APT تامین کنندگان کنترل کننده موتور DC بدون برس پاسخ سریع R5 و کارخانه کنترل کننده موتور DC بدون برس پاسخ سریع R5 در C... مشاهده محصول →

نرم افزار در اینجا نقش اصلی را ایفا می کند. شکل دهی رمپ گشتاور، تنظیم حلقه جریان، و رفتار خطا در سیستم عامل پیکربندی شده است، بنابراین همان سخت افزار را می توان برای یک دوچرخه الکتریکی باری، یک صندلی چرخدار یا یک درایو دریایی تنظیم کرد. تغییر مدیریت گشتاور به نرم افزار یکی از موضوعات مقاله مفصلی است نقش نرم افزار در کنترل کننده های موتور مدرن .

نتیجه گیری

کنترل گشتاور یک جزء یا الگوریتم واحد نیست. از طریق زنجیره سنجش جریان، بازخورد موقعیت روتور، سیستم عامل حلقه جریان، مرحله اینورتر و کیفیت اتصال فیزیکی عبور می کند. برای OEM هایی که وسایل نقلیه الکتریکی و ماشین های متحرک می سازند، توانایی تنظیم گشتاور به آرامی تعیین می کند که آیا محصول تحت بارهای واقعی قابل پیش بینی و تصفیه شده است یا خیر. ارزیابی پهنای باند حلقه فعلی، ریپل گشتاور، رفتار اضافه بار و پیکربندی نرم افزار در مرحله انتخاب کنترلر مستقیم ترین راه برای جلوگیری از مهندسی مجدد قابلیت رانندگی در آینده در پروژه است.