کنترل کننده موتور گشتاور: انواع، روش های کنترل و راهنمای انتخاب

آنچه که یک کنترل کننده موتور گشتاور در واقع انجام می دهد

سرعت و موقعیت اغلب در بحث‌های کنترل موتور بیشترین توجه را به خود جلب می‌کنند، اما گشتاور متغیر اساسی است - متغیری که تعیین می‌کند موتور در هر لحظه چه مقدار نیروی چرخشی به بار خود وارد می‌کند. کنترل‌کننده موتور گشتاور، سیستم سخت‌افزاری و نرم‌افزاری است که مسئول تنظیم آن خروجی نیرو است، و اطمینان حاصل می‌کند که موتور دقیقاً گشتاور مورد نیاز برنامه را تولید می‌کند، خواه این به معنای نگه داشتن یک سطح ثابت تحت بارهای متغیر، ردیابی سیگنال مرجع دینامیکی در میلی‌ثانیه یا محدود کردن خروجی برای محافظت از اجزای مکانیکی پایین‌دست باشد.

تمایز بین کنترل گشتاور و کنترل سرعت ارزش دارد که به وضوح بیان شود. یک کنترل کننده سرعت تلاش می کند تا سرعت چرخشی هدف را حفظ کند و جریان را با تغییر بارها تنظیم کند. یک کنترل‌کننده گشتاور برعکس عمل می‌کند: نیروی چرخشی را مستقیماً تنظیم می‌کند و اجازه می‌دهد سرعت آن‌طور که سیستم مکانیکی دستور می‌دهد تغییر کند. در بسیاری از سیستم های دنیای واقعی - وسایل نقلیه الکتریکی، رباتیک، ماشین های پیچ در پیچ، محرک های کششی - کنترل گشتاور حلقه داخلی است که یک کنترل کننده سرعت یا موقعیت در بالای آن قرار می گیرد. کیفیت حلقه گشتاور میزان پاسخگویی همه چیز بالای آن را تعیین می کند.

کنترل‌کننده‌های موتور گشتاور مدرن پیرامون معماری‌های DC بدون جاروبک (BLDC) و موتور سنکرون مغناطیس دائم (PMSM) ساخته شده‌اند که امکان تنظیم دقیق گشتاور مبتنی بر جریان را از طریق الگوریتم‌های کنترل پیچیده فراهم می‌کند. انتخاب روش کنترل - و سخت افزاری که آن را پیاده سازی می کند - تأثیر مستقیمی بر کارایی، نویز، پاسخ دینامیکی و قابلیت اطمینان سیستم دارد.

روش‌های کنترل اصلی: روش‌های FOC، DTC و بدون سنسور

سه روش کنترل بر طراحی کنترل کننده موتور گشتاور مدرن غالب است. هر کدام نشان دهنده یک مبادله مهندسی متفاوت بین دقت، پیچیدگی محاسباتی، نیازهای سخت افزاری و هزینه است.

کنترل میدان گرا (FOC) که کنترل برداری نیز نامیده می شود، معیار فعلی برای تنظیم گشتاور با عملکرد بالا است. اصل این است که جریان استاتور را به دو جزء مستقل از نظر ریاضی تجزیه کنیم: یک جزء تولید کننده شار (محور d) و یک جزء تولید کننده گشتاور (محور q). با کنترل این دو جزء به طور مستقل در یک قاب مرجع چرخشی که با روتور هماهنگ شده است، کنترل کننده همان کنترل دقیق گشتاور جدا شده را روی یک موتور AC به دست می آورد که یک موتور DC ساده با کموتاسیون برس به طور طبیعی فراهم می کند. نتیجه خروجی گشتاور صاف و کم موج در سراسر محدوده سرعت کامل، راندمان بالا و پاسخ دینامیکی سریع است. FOC به دانش زمان واقعی از موقعیت روتور - معمولاً از یک سنسور هال، رمزگذار یا حل کننده - و قدرت پردازش کافی برای اجرای ریاضیات تبدیل با نرخ به روز رسانی PWM نیاز دارد. برای موتورهای BLDC و PMSM در کاربردهای سخت از جمله وسایل نقلیه الکتریکی، درایوهای CNC و روباتیک، FOC اجرای استاندارد است.

کنترل مستقیم گشتاور (DTC) رویکردی اساسا متفاوت اتخاذ می کند. به جای محاسبه بردارهای ولتاژ از طریق تبدیل قاب مرجع، DTC حالت های سوئیچینگ را برای اینورتر مستقیماً بر اساس خطای لحظه ای بین مقادیر گشتاور و شار اندازه گیری شده و هدف انتخاب می کند. این امر حلقه کنترل جریان داخلی و تغییرات مختصاتی را که FOC به آن نیاز دارد حذف می‌کند و منجر به پاسخ گشتاور بسیار سریع می‌شود - تصمیمات سوئیچینگ هر چند میکروثانیه اتفاق می‌افتد. مبادله در مقایسه با FOC، ریپل گشتاور بالاتر و رفتار سوئیچینگ پیچیده تر است. DTC معمولاً در برنامه‌های درایو صنعتی پرقدرت یافت می‌شود که زمان پاسخ‌دهی معیار اصلی است.

کنترل بدون سنسور یک الگوریتم کنترل مجزا نیست، بلکه تکنیکی است که حسگر فیزیکی موقعیت روتور را با تخمین زاویه روتور از جریان‌ها و ولتاژهای اندازه‌گیری شده موتور حذف می‌کند. در سرعت های متوسط ​​تا بالا، تخمین EMF برگشتی، ردیابی دقیق موقعیت روتور را فراهم می کند. در سرعت‌های پایین - جایی که EMF پشتی برای اندازه‌گیری قابل اعتماد بسیار کوچک است - به ناظران پیچیده‌تری (فیلترهای کالمن گسترده، ناظران حالت کشویی) نیاز است. پیاده‌سازی‌های بدون سنسور هزینه سیستم را کاهش می‌دهند، نقطه بالقوه خرابی را حذف می‌کنند و نصب را ساده می‌کنند، به قیمت کاهش دقت و عملکرد در سرعت‌های بسیار پایین. بسیاری از کنترل‌کننده‌های موتور BLDC مدرن، عملکرد بدون حسگر را به‌عنوان یک گزینه در کنار حالت‌های مبتنی بر حسگر ارائه می‌کنند و به سیستم اجازه می‌دهند تا برای محدوده سرعت و الزامات دقت برنامه پیکربندی شود.

معماری کنترلر: سخت افزاری که باعث می شود کنترل گشتاور کار کند

درک الگوریتم کنترل تنها بخشی از تصویر است. معماری سخت‌افزاری کنترل‌کننده تعیین می‌کند که آیا الگوریتم می‌تواند با سرعت مورد نیاز اجرا شود و سیگنال‌های درایو حاصل واقعاً خروجی موتور تمیز و کارآمدی تولید می‌کنند یا خیر.

مرحله قدرت - معمولاً یک پل اینورتر سه فاز ماسفت یا IGBT - دستورات سوئیچینگ PWM کنترلر را به ولتاژها و جریان های فازی تبدیل می کند که موتور را به حرکت در می آورد. فرکانس سوئیچینگ، جبران زمان مرده، و طراحی درایو دروازه، همگی بر امواج گشتاور، راندمان و نویز الکترومغناطیسی تأثیر می‌گذارند. فرکانس های سوئیچینگ بالاتر موج جریان را کاهش می دهد و صافی گشتاور را بهبود می بخشد اما تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد. فرکانس بهینه به اندوکتانس موتور، قابلیت اتلاف حرارت کنترلر و نیازهای نویز برنامه بستگی دارد.

سنجش جریان سیگنال بازخوردی است که حلقه کنترل گشتاور را می بندد. مقاومت های شنت در خطوط فاز موتور یا گذرگاه DC اندازه گیری خام را فراهم می کنند. مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال کنترلر در هر چرخه PWM از آنها نمونه‌برداری می‌کنند تا حلقه کنترل فعلی را تغذیه کنند. دقت، نرخ نمونه‌برداری و رد نویز مسیر سنجش جریان مستقیماً تعیین می‌کند که کنترل‌کننده چقدر می‌تواند گشتاور را تنظیم کند. برای اجرای FOC، کیفیت سنجش جریان تنها بزرگترین عامل سخت افزاری است که بر عملکرد کنترل گشتاور تأثیر می گذارد.

ارتباطات و قابلیت برنامه ریزی، کنترل کننده های گشتاور مدرن را از درایوهای قدیمی با عملکرد ثابت متمایز می کند. رابط‌های CAN باس، RS-485، UART و SPI به مرجع گشتاور اجازه می‌دهند که به صورت دینامیکی از یک کنترل‌کننده نظارتی فرمان داده شود و کنترل‌کننده موتور را قادر می‌سازد تا به عنوان یک محرک گشتاور در یک سیستم کنترل حرکت بزرگ‌تر عمل کند. پیکربندی پارامتر - از جمله محدودیت‌های جریان، فرکانس PWM، افزایش PI و آستانه‌های حفاظتی - به سخت‌افزار کنترل‌کننده یکسان اجازه می‌دهد تا برای انواع مختلف موتور و پروفایل‌های کاربردی تنظیم شود.

APT ها کنترل کننده های موتور DC بدون جاروبک برای کاربردهای صنعتی و متحرک کنترل گشتاور مبتنی بر FOC را با حالت‌های عملیاتی قابل تنظیم اجرا کنید، که طیف کاملی از درایوهای بدون حسگر فشرده تا پیکربندی‌های حسگر با عملکرد بالا را پوشش می‌دهد. را کنترلرهای موتور PMSM با کارایی بالا سری T این را به پلت فرم‌های موتور سنکرون آهنربای دائمی که حداکثر چگالی گشتاور و پاسخ دینامیکی مورد نیاز است گسترش دهید.

انواع موتور و الزامات کنترل گشتاور آنها

مشخصات کنترل کننده گشتاور را نمی توان از موتوری که آن را هدایت می کند جدا کرد. موتورهای BLDC و PMSM ویژگی‌های کنترلی زیادی دارند، اما در ساخت روتور و شکل موج پشتی EMF به روش‌هایی که بر طراحی کنترل‌کننده تأثیر می‌گذارد، با هم تفاوت دارند. موتورهای هاب و موتورهای میانی – که هر دو در کاربردهای حمل و نقل الکترونیکی رایج هستند – چالش‌های کنترل گشتاور متمایز را ارائه می‌کنند که نقش مکانیکی آنها را در پیشرانه منعکس می‌کند.

موتورهای هاب موتور را مستقیماً در توپی چرخ ادغام می کنند. کنترل گشتاور یک موتور توپی اساساً تحویل مستقیم گشتاور به سطح جاده است، بدون کاهش مکانیکی میانی. این نیاز به خروجی گشتاور با سرعت پایین و مدولاسیون دقیق گشتاور برای احساس سوار و مدیریت کشش دارد. حسگرهای هال در هاب موقعیت روتور را برای حلقه FOC فراهم می‌کنند، اگرچه پیاده‌سازی‌های بدون حسگر با بهبود الگوریتم‌های ناظر به طور فزاینده‌ای قابل اجرا هستند. APT ها موتورهای توپی الکتریکی که برای سیستم های محرک یکپارچه با چرخ طراحی شده اند برای این مشخصات تحویل گشتاور مستقیم درایو طراحی شده اند.

موتورهای وسط محرک از طریق گیربکس موجود دوچرخه یا وسیله نقلیه به پیشرانه متصل می شوند. موتور با سرعت بالاتر از طریق کاهش دنده کار می کند، به این معنی که حلقه کنترل گشتاور محدوده عملکرد متفاوتی را نسبت به موتور هاب مدیریت می کند. تنظیمات میانی درایو به موتور اجازه می‌دهد بدون توجه به سرعت خودرو به نقطه اوج بازده خود نزدیک‌تر عمل کند و گیربکس با انطباق نسبت کار می‌کند. این باعث می شود استراتژی کنترل گشتاور - به ویژه بهره وری بار جزئی و مدیریت گشتاور احیا کننده - بر مصرف انرژی در سطح سیستم تأثیرگذارتر باشد. APT ها موتورهای درایو میانی برای کاربردهای جفت انتقال با راندمان بالا این مشخصات عملیاتی را با طراحی‌های موتور بهینه‌سازی شده برای محدوده RPM و ویژگی‌های گشتاور سیکل‌های وظیفه در اواسط محرک بررسی کنید.

منابع فنی صنعت از جمله راهنمای فنی دقیق در مورد روش‌های کنترل گشتاور موتور که FOC، DTC، PID و پیاده‌سازی‌های بدون سنسور را پوشش می‌دهد. ، به طور مداوم تطابق کنترل کننده-موتور را به عنوان عامل اصلی تعیین کننده کیفیت کنترل گشتاور در دنیای واقعی شناسایی می کند - نکته ای که به طور یکسان در مورد موتور هاب و پیکربندی های درایو میانی اعمال می شود.

انتخاب کنترل کننده موتور گشتاور مناسب

انتخاب کنترلر به پنج متغیر کاهش می یابد: رتبه بندی ولتاژ و جریان، پشتیبانی از الگوریتم کنترل، رابط ارتباطی، سازگاری موتور و محیط برنامه. دریافت هر یک از این اشتباهات منجر به سیستمی می شود که یا ضعیف عمل می کند یا پیش از موعد از کار می افتد.

درجه بندی ولتاژ و جریان باید هم نقطه عملیاتی اسمی و هم پیک تقاضا را در شرایط شتاب و اضافه بار پوشش دهد. کنترل‌کننده‌ای که فقط برای رتبه‌بندی جریان پیوسته موتور مشخص شده است، در حین کارکرد دینامیکی معمولی، با حفاظت خاموش می‌شود. رویکرد استاندارد این است که جریان پیوسته را در نقطه کار نامی موتور مشخص کنید و قابلیت پیک جریان را در برابر جریان قفل شده یا استال موتور بررسی کنید، سپس یک کاهش مناسب برای محیط حرارتی اعمال کنید.

پشتیبانی از الگوریتم کنترل عملکرد گشتاور قابل دستیابی را تعیین می کند. اگر کاربرد به گشتاور صاف در سرعت کم نیاز دارد - مانند یک موتور هاب درایو مستقیم یا یک محرک صنعتی دقیق - FOC با سنجش جریان مورد نیاز است. اگر هزینه و سادگی محدودیت های اولیه هستند و عملکرد سرعت پایین حیاتی نیست، کنترل حالت ولتاژ بدون حسگر ممکن است کافی باشد. مجموعه پارامترهای قابل تنظیم کنترلر تعیین می کند که چگونه یک پلت فرم سخت افزاری می تواند با انواع موتورهای مختلف بدون تغییرات سخت افزاری سازگار شود.

برای یکپارچه‌سازهای سیستم که موتور و کنترلر را به عنوان یک مجموعه منطبق منبع می‌کنند، APT's طرح جفت شدن کنترلر و موتور که توصیه های تطبیق خاص برنامه را پوشش می دهد یک چارچوب ساختاریافته برای تراز کردن مشخصات کنترلر با پارامترهای الکتریکی موتور و الزامات چرخه کار کاربردی ارائه می‌کند - از بین بردن رایج‌ترین منبع خرابی سیستم کنترل گشتاور قبل از راه‌اندازی.