Moottorin säätö ja hyötysuhdekartat
Sähkömoottorin ohjain muuntaa kuljettajan vääntömomenttipyynnön tarkasti ajoitetuiksi vaihevirroiksi ja noudattaa samalla akun, invertterin, moottorin, renkaiden ja jäähdytysjärjestelmän rajoja. Sähköauton tuttu kaasupolkimen vaste on siis reaaliaikaisen säädön tulos, ei moottorin luontainen ominaisuus.
Säätöketju
Kaasupoljin ei ohjaa moottorin jännitettä suoraan. Ajoneuvon ohjelmisto tulkitsee polkimen asentoa yhdessä ajotilan, pyörän luiston, ajonvakautuksen, akun tilan, lämpörajojen ja komponenttivikojen kanssa. Sen jälkeen se pyytää positiivista tai negatiivista akselivääntöä.
Tyypillinen ajomoottorin ohjain käyttää sisäkkäisiä silmukoita. Hitaampi nopeus- tai vääntösilmukka määrittää tarvittavan moottorivirran, kun taas nopeammat virtasilmukat säätävät sähkömagneettista tilaa useita tuhansia kertoja sekunnissa. Ohjain mittaa vaihevirran ja DC-välipiirin jännitteen, arvioi tai mittaa roottorin asennon, laskee tavoitevaihejännitteet ja pyytää traction inverter tuottamaan ne pulssinleveysmodulaatiolla.
Tuloksen on pysyttävä vakaana nopeuden, vääntömomentin, akkujännitteen, lämpötilan ja magneettisen kyllästymisen muuttuessa. Säädön laatu vaikuttaa hyötysuhteeseen, ääneen, regeneratiiviseen jarrutukseen, pitoon ja komponenttien rasitukseen.
Kenttäsuuntautunut säätö
Kolmivaiheiset staattorivirrat ovat 120 sähköasteen vaihe-erossa, mikä tekee suorasta säädöstä hankalaa. Kenttäsuuntautunut säätö eli vektorisäätö muuntaa mitatut virrat matemaattisesti koordinaatistoon, joka pyörii moottorin magneettikentän mukana.
Muunnetulla virralla on kaksi pääkomponenttia:
- d-akselin virta muuttaa ensisijaisesti magneettivuota;
- q-akselin virta tuottaa ensisijaisesti vääntömomenttia yksinkertaisessa pintamagneettikoneessa.
Erottelu ei ole ehdoton kaikissa rakenteissa. Sisäisillä kestomagneeteilla varustetussa moottorissa d- ja q-akselivirtojen yhteisvaikutus tuottaa myös reluktanssivääntöä. Induktiomoottorit tarvitsevat arvion roottorivuosta ja jättämästä. Sähköisesti magnetoiduissa koneissa roottorin magnetointivirta on lisäksi oma säätömuuttujansa.
Kun ohjain on laskenut halutut d- ja q-akselijännitteet, käänteismuunnokset palauttavat ne paikallaan olevan koordinaatiston vaihekäskyiksi. Avaruusvektori- tai muu PWM-menetelmä valitsee sitten invertterin kytkentätilat, joiden keskimääräinen jännite seuraa pyydettyä vektoria.
Roottorin asento ja nopeus
Tarkka vektorisäätö tarvitsee roottorikentän sähköisen kulman. Resolveri, magneettinen enkooderi, induktiivinen anturi tai muu asentoanturi voi antaa tämän kulman suoraan. Ohjain laskee nopeuden yhdistämällä peräkkäisiä asentomittauksia.
Anturiton säätö arvioi kulman ja nopeuden mitatusta virrasta, käsketystä jännitteestä, vastasähkömotorisesta voimasta, induktanssin vaihtelusta tai tarkkailijamallista. Se voi vähentää laitteistoa ja johdotusta, mutta lähellä nollanopeutta arviointi on vaikeaa, koska vastasähkömotorisen voiman tieto heikkenee. Joissakin käytöissä anturitietoa ja mallipohjaista arviota yhdistetään uskottavuustarkastukseen tai rajoitettuun käyttöön.
Kulmavirhe kääntää ohjaimen olettaman d-q-koordinaatiston pois todellisen roottorin suunnasta. Se voi vähentää saatavaa vääntöä, lisätä virtaa ja lämpöä, synnyttää aaltoilua tai vaarantaa vakauden. Asennon tunnistus on siksi suorituskyvyn ja toiminnallisen turvallisuuden osa, ei pelkkä nopeusmittari.
MTPA, perusnopeus ja kentänheikennys
Pienellä ja keskisuurella nopeudella ohjain pyrkii yleensä tuottamaan vaaditun väännön mahdollisimman pienellä hyödyllisellä staattorivirralla. Enimmäisvääntö ampeeria kohti eli MTPA valitsee d-q-virtayhdistelmän, joka minimoi virran tietyllä väännöllä. Pintamagneettimoottorissa d-akselivirta voi olla lähellä nollaa, kun taas ulkonapainen sisämagneettimoottori voi hyödyntää negatiivista d-akselivirtaa reluktanssivääntöön.
Moottorin nopeuden kasvaessa vastasähkömotorinen voima ja induktiivinen jännite käyttävät yhä suuremman osan invertterin käytettävissä olevasta jännitteestä. Perusnopeus on likimääräinen piste, jossa jännitteestä tulee virran sijasta aktiivinen raja. Sen yläpuolella käytetään kentänheikennystä.
Kestomagneettimoottorissa negatiivinen d-akselivirta luo staattorikentän, joka vastustaa osaa staattoriin kytkeytyvästä magneettivuosta. Se ei heikennä itse kestomagneetteja. Pienempi nettovuokytkentä rajoittaa vastasähkömotorista voimaa ja sallii suuremman nopeuden, mutta virtakapasiteetti jakautuu kentänheikennyksen ja väännöntuoton kesken. Vääntö laskee ja kuparihäviöt kasvavat.
Vielä suuremmalla nopeudella enimmäisvääntö volttia kohti eli MTPV voi valita jäljellä olevan jännitteen parhaiten hyödyntävän virtakulman. Virran, jännitteen, roottorinopeuden, demagnetoitumisen ja lämpötilan rajat muodostavat yhdessä tutut vakioväännön ja likimääräisen vakiotehon alueet.
Hyötysuhdekartat ja optimaalinen säätö
Sähkövirran minimoiva käsky ei aina minimoi koko käyttöyksikön häviötä. Kupari-, rauta- ja magneettihäviöt, invertterin kytkentä- ja johtumishäviöt, roottorin magnetointihäviö, vaihteistohäviö ja jäähdytyspumpun teho reagoivat eri tavoin nopeuteen ja vääntöön.
Sarjatuotannon ohjaimet käyttävät siksi kalibroituja karttoja ja fysikaalisia malleja. Kussakin toimintapisteessä ne voivat valita:
- d- ja q-akselivirtojen tavoitteet;
- roottorin magnetoinnin sähköisesti magnetoidussa moottorissa;
- PWM-strategian ja kytkentätaajuuden;
- etu- ja taka-akselin välisen väännön monimoottorisessa ajoneuvossa;
- tehdäänkö akseli virrattomaksi tai irrotetaanko se;
- sallitun väännön nykyisten ja ennustettujen lämpötilojen perusteella.
Hyötysuhteen optimoinnin on sovittava yhteen vasteen, melun, jänniteaaltoilun, akun rajojen ja varamarginaalien kanssa. Laboratorio-optimin liian aggressiivinen tavoittelu voi heikentää ajettavuutta tai vikasietoisuutta.
Regenerointi ja väännön tarkkuus
Regeneratiivinen jarrutus kääntää tehon suunnan, mutta käyttää samaa virransäädön perustaa. Ajoneuvo pyytää negatiivista pyörävääntöä, moottori tuottaa sähkötehoa ja invertteri palauttaa hallittua tasavirtaa korkeajänniteväylään.
Käytettävää regenerointia voivat rajoittaa akun varaustila, kennojen lämpötila, lataustehon rajat, renkaiden pito, moottorin nopeus tai invertterin lämpötila. Jarrujen yhteiskäyttö täyttää eron kitkajarruilla ja ylläpitää pyydettyä hidastuvuutta sekä ajoneuvon vakautta.
Väännön tarkkuus on tärkeää myös positiivisessa vedossa. Ajonvakautus- ja luistonestojärjestelmät luottavat siihen, että käyttöyksikkö tuottaa pyydetyn väännön nopeasti ja ennustettavasti. Ohjain voi arvioida todellisen väännön virrasta, roottorin asennosta, kalibroiduista moottoriparametreista ja lämpötilasta, sillä sarjatuotantoautossa on harvoin vääntöanturia jokaisella moottoriakselilla.
Vikojen käsittely
Ohjain valvoo jatkuvasti vaihevirtoja, DC-välipiirin jännitettä, roottorin asentoa, puolijohteiden ja moottorin lämpötilaa, eristystilaa ja viestintää. Uskottavuustarkastukset vertaavat rinnakkaista tietoa. Jos mittaukset eivät täsmää tai raja ylittyy, järjestelmä voi vähentää vääntöä, poistaa moottorin käytöstä, lopettaa kytkennän tai avata korkeajännitekontaktorit.
Puolijohteiden hilaohjauksen poistaminen ei tee kaikista moottoreista sähköisesti passiivisia. Pyörivä kestomagneettimoottori voi yhä tuottaa jännitettä. Turvallisen tilan suunnittelussa huomioidaan siksi avoimen piirin vastasähkömotorinen voima, oikosulkuvääntö, ylinopeus, invertterin vikatilat ja se, voiko toinen akseli ylläpitää hallittua etenemistä.
Jatka moottoriartikkelien sarjaa
Palaa sivulle Electric Motors and Drive Units nähdäksesi koko moottoreita ja käyttöyksiköitä käsittelevän sarjan.