Bảo vệ môi trường luôn là một chủ đề quan tâm. Để đạt được một cuộc sống carbon thấp, chính phủ ở các nước phát triển sử dụng thuế và phí để giảm lượng khí thải carbon và sử dụng năng lượng. Hơn một nửa số điện được sử dụng để điều khiển động cơ, vì vậy các nhà thiết kế không cần phải sử dụng thiết kế và điều khiển động cơ hiệu quả hơn.
Bài viết này sẽ giới thiệu việc sử dụng thuật toán điều khiển hướng từ trường (FOC) và điều chế tần số xung (PFM) để điều khiển chặt chẽ động cơ để đạt được độ chính xác cao và hiệu quả cao.
Thuật toán điều khiển hướng trường (FOC)
Điều khiển vô hướng (hay thường được gọi là điều khiển điện áp / tần số) là phương pháp điều khiển đơn giản giúp thay đổi mô-men xoắn và tốc độ của động cơ bằng cách thay đổi nguồn điện (điện áp) và tần số cung cấp cho stato. Phương pháp này khá đơn giản và có thể được thực hiện ngay cả với bộ vi xử lý 8/16 bit. Tuy nhiên, thiết kế đơn giản đi kèm với nhược điểm lớn nhất - thiếu kiểm soát mạnh mẽ và đáng tin cậy. Phương pháp điều khiển này là đủ nếu tải được giữ không đổi ở tốc độ cao. Nhưng một khi tải thay đổi, hệ thống không thể phản hồi nhanh chóng, dẫn đến mất năng lượng.
Ngược lại, FOC cung cấp điều khiển động cơ chặt chẽ. Phương pháp này được thiết kế để duy trì dòng điện stato và từ trường ở trạng thái trực giao (nghĩa là ở góc 90 độ) để đạt được mô-men xoắn cực đại. Do thông tin liên quan đến từ trường mà hệ thống thu được là không đổi (cho dù thu được từ bộ mã hóa hoặc ước tính trong hoạt động không cảm biến), nó có thể điều khiển chính xác dòng điện stato để đạt được mô-men cơ học tối đa.
Nhìn chung, FOC phức tạp hơn và yêu cầu bộ xử lý 32 bit và tăng tốc phần cứng. Lý do là phương pháp này đòi hỏi một số mô-đun chuyên sâu tính toán, như biến đổi Clark, biến đổi Parker, v.v., để thực hiện chuyển đổi lẫn nhau giữa các hệ tọa độ ba chiều hoặc hai chiều để rút ra mối quan hệ giữa dòng điện và từ thông.
Như được hiển thị trong Hình 1, các đầu vào được xem xét để điều khiển động cơ bao gồm lệnh mô-men xoắn mục tiêu, dòng cung cấp và góc rôto. Việc chuyển đổi và tính toán được thực hiện dựa trên các tham số này và giá trị ổ đĩa mới của thiết bị điện tử công suất được tính toán. Thời gian cần thiết để hoàn thành một chu kỳ FOC được gọi là thời gian vòng lặp. Theo dự kiến, thời gian vòng lặp càng ngắn, hệ thống sẽ phản hồi càng nhanh. Một hệ thống phản ứng nhanh có nghĩa là động cơ có thể nhanh chóng điều chỉnh tải và bù lỗi trong một khoảng thời gian ngắn hơn để vận hành động cơ mượt mà hơn và hiệu quả cao hơn.
Thuật toán FOC thường được triển khai bằng cách sử dụng bộ xử lý nhúng với thời gian lặp từ 50us đến 100us, tùy thuộc vào kiểu máy và phần cứng có sẵn. Ngoài ra, phần mềm có thể được sử dụng để thực hiện FOC, nhưng sự chắc chắn của nó không thể được đảm bảo. Do đó, một số lượng lớn các thiết kế dựa vào khả năng tăng tốc phần cứng của FPGA để tận dụng tính quyết định và xử lý tốc độ cao của công nghệ này. Sử dụng công nghệ FPGA 28nm tiên tiến nhất, thời gian vòng lặp FOC điển hình là 1.6us1, ngắn hơn đáng kể so với phương pháp phần mềm.
Do điều khiển động cơ được tăng cường không chỉ làm giảm tiếng ồn mà còn cải thiện hiệu quả và độ chính xác, hầu hết các vòng hiện tại hiện đang được triển khai trong phần cứng và có xu hướng di chuyển các vòng tốc độ và vòng lặp vị trí vào việc triển khai phần cứng. Cách tiếp cận này là có thể bởi vì với sự tiến bộ của công nghệ mạch điện tử kỹ thuật số, một thiết bị duy nhất có đủ sức mạnh tính toán. Thời gian của vòng điều khiển tốc độ và thời gian của vòng điều khiển vị trí được thực hiện bởi FPGA lần lượt là 3,6us1 và 18us1. Đây là một cải tiến hiệu suất đáng kể so với các cách tiếp cận phần mềm truyền thống vì thời gian vòng lặp vị trí truyền thống thường nằm trong phạm vi mili giây.
điều chế
Điều chế cũng là một mô-đun chính để cải thiện hiệu quả năng lượng. Các sơ đồ điều chế khác nhau có thể được sử dụng tùy thuộc vào tải, yêu cầu hiệu suất và yêu cầu ứng dụng, và các sơ đồ điều chế này có tác động đáng kể đến hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ. Sơ đồ điều chế (Hình 2) phân tích một số sơ đồ điều chế mà chúng ta sẽ xem xét trong bài viết này.
Sơ đồ điều chế cơ bản nhất sử dụng phương pháp điều chế sáu bước, đại diện cho sáu tổ hợp cầu điện ba pha có thể (không bao gồm 111 và 000 trạng thái null, trong đó tất cả các công tắc đều bị tắt). Phương pháp chuyển đổi này được biểu diễn dưới dạng sáu đỉnh màu xanh của hình lục giác. Phương pháp điều chế sáu bước áp dụng công suất tối đa cho động cơ, nghĩa là điện áp đầu ra của biến tần bằng Vdc.
Mặc dù công suất đầu ra lớn và việc thực hiện thiết kế đơn giản, nhưng nếu động cơ đòi hỏi độ chính xác cao và độ bền cao, không nên sử dụng phương pháp điều chế sáu bước. Điều này là do động cơ chạy ở trạng thái phi tuyến tính và cần phải "nhảy" từ trạng thái này (đỉnh) sang trạng thái khác và không thể chạy trơn tru.
Để vận hành trơn tru hơn của động cơ, có thể sử dụng điều chế hình sin. Phương pháp điều chế hình sin có thể làm cho động cơ chạy trơn tru? Mặc dù phương pháp này phức tạp hơn một chút so với phương pháp điều chế sáu bước và không có lợi thế về hiệu quả, vì đầu ra của biến tần chỉ bằng một nửa Vdc, về cơ bản là Vdc / 2 = 0,5 Vdc. Trên sơ đồ điều chế, điều này được biểu diễn dưới dạng vòng tròn bên trong của vòng tròn màu đỏ.
Để bù đắp cho những tổn thất do điều chế hình sin, điều chế vectơ không gian (SVPWM) được lấy. SVPWM có thể cung cấp điện áp 1 / 3Vdc = 0,5773Vdc. Tương tự như điều chế hình sin, SVPWM cũng cho phép động cơ chạy trơn tru. Trên sơ đồ điều chế, điều này được biểu diễn dưới dạng vòng tròn ngoài của vòng tròn màu đỏ. Hình 3 là so sánh dạng sóng của phương pháp điều chế hình sin và phương pháp điều chế SVPWM.
Cả điều chế hình sin và điều chế véc tơ không gian đều sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM), một trong những kỹ thuật điều chế công nghiệp phổ biến nhất. Tuy nhiên, điều chế độ rộng xung sử dụng tần số điều chế cố định để điều chỉnh điều khiển điện áp cung cấp bằng cách thay đổi độ rộng xung, do đó, sự xuất hiện của sóng hài là một vấn đề. Sóng hài là nguyên nhân gây ra EMI, rung động cơ và mất năng lượng.
Để triệt tiêu sóng hài, một phương pháp điều chế khác có thể được sử dụng, cụ thể là sử dụng điều chế tần số xung (PFM). Điều chế tần số xung cho phép giữ một số lượng nhỏ xung ở độ rộng cố định và được điều chế ở các khoảng thời gian (tần số) khác nhau tùy thuộc vào giá trị mong muốn. Phương pháp điều chế này làm giảm sóng hài vì sóng hài được trải trên tất cả các tần số.
Đây là so sánh phân tích tần số FFT (Biến đổi Fourier nhanh) của PWM và PFM. Có thể thấy rõ rằng PFM có thể loại bỏ biến dạng sóng hài thứ ba.
