การคุ้มครองสิ่งแวดล้อมเป็นหัวข้อที่น่าห่วงเสมอ เพื่อให้ได้ชีวิตที่มีคาร์บอนต่ำรัฐบาลในประเทศที่พัฒนาแล้วจะใช้ภาษีและค่าธรรมเนียมเพื่อลดการปล่อยคาร์บอนและการใช้พลังงาน มากกว่าครึ่งหนึ่งของกระแสไฟฟ้าใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ดังนั้นนักออกแบบจึงไม่จำเป็นต้องใช้การควบคุมและการออกแบบมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
บทความนี้จะแนะนำการใช้อัลกอริทึมการควบคุมทิศทางสนามแม่เหล็ก (FOC) และการมอดูเลตความถี่พัลส์ (PFM) เพื่อควบคุมมอเตอร์อย่างใกล้ชิดเพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงและมีประสิทธิภาพสูง
ขั้นตอนวิธีการควบคุมเชิงฟิลด์ (FOC)
การควบคุมแบบ Scalar (หรือปกติเรียกว่าการควบคุมแรงดันไฟฟ้า / ความถี่) เป็นวิธีการควบคุมง่ายๆที่จะเปลี่ยนแรงบิดและความเร็วของมอเตอร์โดยการเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟ (แรงดันไฟฟ้า) และความถี่ที่จ่ายให้กับสเตเตอร์ วิธีนี้ค่อนข้างง่ายและสามารถทำได้แม้จะมีไมโครโปรเซสเซอร์ 8/16 บิต อย่างไรก็ตามการออกแบบที่เรียบง่ายจะมาพร้อมกับข้อเสียที่ใหญ่ที่สุด - การขาดการควบคุมที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ วิธีการควบคุมนี้เพียงพอหากภาระคงที่ที่ความเร็วสูง แต่เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงโหลดระบบจะไม่สามารถตอบสนองได้อย่างรวดเร็วส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงาน
ในทางตรงกันข้าม FOC ให้การควบคุมมอเตอร์แน่น วิธีนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาสนามแม่เหล็กและกระแสสเตเตอร์ให้อยู่ในสถานะฉาก orthogonal (เช่นมุม 90 องศา) เพื่อให้ได้แรงบิดสูงสุด เนื่องจากข้อมูลเกี่ยวกับสนามแม่เหล็กที่ได้จากระบบมีค่าคงที่ (ไม่ว่าจะมาจากเครื่องเข้ารหัสหรือประมาณในการทำงานแบบเซนเซอร์) ก็สามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าของสเตเตอร์ได้อย่างแม่นยำเพื่อให้ได้แรงบิดเชิงกลสูงสุด
โดยทั่วไป FOC มีความซับซ้อนมากขึ้นและต้องมีการประมวลผลแบบ 32 บิตและการเร่งฮาร์ดแวร์ เหตุผลก็คือวิธีการนี้ต้องใช้โมดูลที่ซับซ้อนหลายอย่างเช่นการแปลงคลาร์กการแปลงของ Parker เป็นต้นเพื่อทำการแปลงระหว่างระบบพิกัดสามมิติหรือสองมิติเพื่อแยกความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและฟลักซ์จากสนามแม่เหล็ก
ดังแสดงในรูปที่ 1 ปัจจัยการผลิตที่จะต้องพิจารณาในการควบคุมมอเตอร์ ได้แก่ คำสั่งแรงบิดเป้าหมายการจ่ายกระแสและมุมของโรเตอร์ การแปลงและการคำนวณทำตามพารามิเตอร์เหล่านี้และคำนวณมูลค่าไดรฟ์ใหม่ของอุปกรณ์ไฟฟ้า เวลาที่ใช้ในการทำวัฏจักรของ FOC เรียกว่า loop time ตามที่คาดไว้ระยะเวลาของลูปที่สั้นลงระบบจะตอบสนองได้เร็วขึ้น ระบบตอบสนองอย่างรวดเร็วหมายความว่ามอเตอร์สามารถปรับความเร็วและชดเชยความผิดพลาดได้อย่างรวดเร็วในระยะเวลาอันสั้นสำหรับการทำงานของมอเตอร์ที่ราบรื่นและมีประสิทธิภาพสูงขึ้น
อัลกอริธึม FOC ถูกใช้โดยทั่วไปโดยใช้โปรเซสเซอร์แบบฝังตัวที่มีลูประหว่าง 50us และ 100us ขึ้นอยู่กับรุ่นและฮาร์ดแวร์ที่พร้อมใช้งาน นอกจากนี้ซอฟต์แวร์สามารถใช้ในการติดตั้ง FOC แต่ไม่สามารถรับประกันความแน่นอนได้ ดังนั้นการออกแบบจำนวนมากต้องอาศัยการเร่งฮาร์ดแวร์ของ FPGA เพื่อใช้ประโยชน์จากการกำหนดระดับและการประมวลผลความเร็วสูงของเทคโนโลยีนี้ การใช้เทคโนโลยี FPGA 28nm ที่ทันสมัยที่สุดระยะเวลาการวนรอบ FOC ปัจจุบันคือ 1.6US1 ซึ่งสั้นกว่าวิธีการซอฟต์แวร์อย่างมาก
เนื่องจากการควบคุมมอเตอร์ที่เพิ่มขึ้นไม่เพียง แต่ช่วยลดเสียงรบกวนเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความถูกต้องขณะนี้ลูปปัจจุบันส่วนใหญ่มีการใช้งานในฮาร์ดแวร์และมีแนวโน้มที่จะโยกย้ายลูปความเร็วและลูปตำแหน่งเข้าไปในการใช้งานฮาร์ดแวร์ วิธีนี้เป็นไปได้เนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบดิจิตอลอุปกรณ์เครื่องเดียวมีกำลังประมวลผลเพียงพอ เวลาในการควบคุมความเร็วรอบและเวลาในการควบคุมตำแหน่งโดย FPGA คือ 3.6us1 และ 18us1 ตามลำดับ นี่คือการปรับปรุงประสิทธิภาพที่สำคัญกว่าวิธีซอฟต์แวร์แบบดั้งเดิมเนื่องจากเวลาในการระบุสถานที่แบบดั้งเดิมมักอยู่ในช่วงมิลลิวินาที
การปรับ
การมอดูเลชันเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน รูปแบบการมอดูเลตที่แตกต่างกันสามารถใช้งานได้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการโหลดความต้องการด้านประสิทธิภาพและความต้องการของโปรแกรมและแผนการปรับโครงสร้างเหล่านี้มีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของระบบควบคุมมอเตอร์ รูปแบบการมอดูเลต (รูปที่ 2) จะวิเคราะห์แผนการปรับแบบต่างๆที่เราจะทบทวนในบทความนี้
รูปแบบการมอดูเลตขั้นพื้นฐานที่สุดใช้วิธีการปรับแบบหกขั้นตอนซึ่งหมายถึงการรวมกันของสะพานพลังงานสามเฟ็กต์ที่เป็นไปได้ (ยกเว้น 111 และ 000 รัฐที่ปิดสวิตช์ทั้งหมด) วิธีการสลับนี้แสดงเป็นจุดยอดสีฟ้าหกเหลี่ยม วิธีการปรับแบบหกขั้นตอนใช้พลังงานสูงสุดกับมอเตอร์นั่นคือแรงดันขาออกของอินเวอร์เตอร์เท่ากับ Vdc
ถึงแม้ว่ากำลังส่งออกมีขนาดใหญ่และการใช้งานการออกแบบทำได้ง่าย แต่ถ้ามอเตอร์ต้องการความแม่นยำสูงและมีความทนทานสูงไม่ควรใช้วิธีการปรับแบบ 6 ขั้นตอน เนื่องจากมอเตอร์ทำงานในสถานะที่ไม่ใช่แบบเส้นตรงและต้องการ "กระโดด" จากรัฐหนึ่ง (จุดสุดยอด) ไปยังสถานะอื่นและไม่สามารถทำงานได้อย่างราบรื่น
สำหรับการทำงานที่ราบรื่นของมอเตอร์สามารถใช้การมอดูเลตไซน์ได้ วิธีการปรับไซน์ (sinusoidal modulation) สามารถทำให้มอเตอร์ทำงานได้ราบรื่นหรือไม่? แม้ว่าวิธีนี้จะซับซ้อนกว่าวิธีการปรับแบบ 6 ขั้นตอนเล็กน้อยและไม่มีประสิทธิภาพในการใช้งานเนื่องจากเอาต์พุตของอินเวอร์เตอร์เพียงครึ่งหนึ่งของ Vdc โดยทั่วไป Vdc / 2 = 0.5 Vdc ในรูปแบบการมอดูเลตนี่จะแสดงเป็นวงกลมภายในของวงกลมสีแดง
เพื่อชดเชยการสูญเสียที่เกิดจากการมอดูเลตไซน์การเวคเตอร์เวคเตอร์ PWM (SVPWM) จะได้รับการมอดูเลต SVPWM สามารถให้แรงดันไฟฟ้าได้ 1 / √3Vdc = 0.5773Vdc คล้ายกับการมอดูเลตไซน์ (sinusoidal modulation) SVPWM ยังช่วยให้มอเตอร์ทำงานได้อย่างราบรื่น ในรูปแบบการมอดูเลตนี่จะแสดงเป็นวงกลมด้านนอกของวงกลมสีแดง รูปที่ 3 เป็นการเปรียบเทียบรูปคลื่นของวิธีการมอดูเลตไซน์และวิธีการมอดูเลต SVPWM
การมอดูเลตไซน์และการปรับเวกเตอร์เวกเตอร์ใช้การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (Pulse width modulation - PWM) ซึ่งเป็นหนึ่งในเทคนิคการปรับสภาพอุตสาหกรรมที่ใช้บ่อยที่สุด อย่างไรก็ตามการมอดูเลตความกว้างของชีพจรใช้ความถี่การมอดูเลตแบบคงที่เพื่อปรับการควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนความกว้างพัลส์ดังนั้นการเกิดฮาร์โมนิกจึงเป็นปัญหา ฮาร์โมนิกเป็นสาเหตุของ EMI การสั่นสะเทือนของมอเตอร์และการสูญเสียพลังงาน
ในการปราบปรามของฮาร์โมนิกสามารถใช้วิธีการมอดูเลตอื่นได้โดยใช้การมอดูเลตความถี่พัลส์ (PFM) การมอดูเลตความถี่พัลส์ช่วยให้พัลส์จำนวนน้อยสามารถจับได้ที่ความกว้างคงที่และปรับได้ในช่วงเวลาต่างๆ (ความถี่) ขึ้นอยู่กับค่าที่ต้องการ วิธีการมอดูเลตนี้จะลดฮาร์โมนิกส์เนื่องจากฮาร์โมนิกกระจายไปทั่วทุกความถี่
นี่คือการเปรียบเทียบการวิเคราะห์ความถี่ FFT (Fast Fourier Transform) ของ PWM และ PFM เห็นได้ชัดว่า PFM สามารถกำจัดการบิดเบือนของฮาร์มอนิกที่สามได้
