Motorregeling en efficiëntiekaarten

Een elektromotorregelaar zet het koppelverzoek van de bestuurder om in nauwkeurig getimede fasestromen en bewaakt daarbij de grenzen van accu, omvormer, motor, banden en koelsysteem. De vertrouwde reactie op het stroompedaal van een elektrische auto is dus het resultaat van realtime regeling, niet van een inherente motoreigenschap.

De regelketen

Het stroompedaal stuurt niet rechtstreeks een motorspanning aan. De voertuigsoftware interpreteert de pedaalstand samen met rijmodus, wielslip, stabiliteitsregeling, accutoestand, thermische grenzen en componentstoringen. Vervolgens vraagt zij positief of negatief askoppel aan.

Een typische tractieregelaar gebruikt geneste lussen. Een tragere snelheids- of koppellus bepaalt de benodigde motorstroom, terwijl snellere stroomlussen de elektromagnetische toestand vele duizenden keren per seconde regelen. De regelaar meet fasestroom en DC-tussenkringspanning, schat of meet de rotorpositie, berekent gewenste fasespanningen en laat de traction inverter deze met pulsbreedtemodulatie opwekken.

Het resultaat moet stabiel blijven wanneer snelheid, koppel, accuspanning, temperatuur en magnetische verzadiging veranderen. De regelkwaliteit beïnvloedt efficiëntie, akoestiek, regeneratief remmen, tractie en componentbelasting.

Veldgeoriënteerde regeling

De driefasige statorstromen zijn 120 elektrische graden verschoven, waardoor directe regeling lastig is. Veldgeoriënteerde regeling, ook vectorregeling genoemd, transformeert de gemeten stromen wiskundig naar een coördinatenstelsel dat met het magnetische veld van de motor meedraait.

De getransformeerde stroom heeft twee hoofdcomponenten:

de d-asstroom verandert hoofdzakelijk de magnetische flux;
de q-asstroom produceert hoofdzakelijk koppel in een eenvoudige machine met oppervlaktemagneten.

Het onderscheid is niet absoluut voor elke topologie. In een motor met inwendige permanente magneten levert de wisselwerking tussen d- en q-asstroom ook reluctantiekoppel. Inductiemotoren hebben een schatting van rotorflux en slip nodig. Elektrisch bekrachtigde machines voegen de rotorveldstroom als extra regelvariabele toe.

Nadat de regelaar de gewenste d- en q-asspanningen heeft berekend, zetten inverse transformaties deze terug in stationaire fasecommando’s. Ruimtevector- of een andere PWM-methode selecteert vervolgens schakeltoestanden van de omvormer waarvan de gemiddelde spanning de gevraagde vector volgt.

Rotorpositie en snelheid

Nauwkeurige vectorregeling vereist de elektrische hoek van het rotorveld. Een resolver, magnetische encoder, inductieve sensor of andere positiesensor kan deze hoek rechtstreeks leveren. De regelaar combineert positiemetingen over de tijd om de snelheid te bepalen.

Sensorloze regeling schat hoek en snelheid uit gemeten stroom, opgedragen spanning, tegen-EMK, inductantievariatie of een waarnemermodel. Dat kan hardware en bedrading verminderen, maar rond stilstand is de schatting moeilijk omdat de informatie uit tegen-EMK zwak wordt. Sommige aandrijvingen combineren sensorgegevens en modelgebaseerde schatting voor plausibiliteitscontrole of beperkte werking.

Een hoekfout verdraait het aangenomen d-q-stelsel ten opzichte van de werkelijke rotor. Daardoor kan beschikbaar koppel afnemen, stroom en warmte toenemen, rimpel ontstaan of stabiliteit in gevaar komen. Positiedetectie is daarom een prestatie- en functioneleveiligheidscomponent, niet slechts een snelheidsmeter.

MTPA, basissnelheid en veldverzwakking

Bij lage en middelhoge snelheid zoekt de regelaar doorgaans het vereiste koppel met zo weinig mogelijk bruikbare statorstroom. Maximumkoppel per ampère, MTPA, kiest een d-q-stroomcombinatie die de stroom voor een bepaald koppel minimaliseert. Bij een motor met oppervlaktemagneten kan de d-asstroom vrijwel nul zijn; een saliënte motor met inwendige magneten kan negatieve d-asstroom benutten voor reluctantiekoppel.

Naarmate de motorsnelheid stijgt, gebruiken tegen-EMK en inductieve spanning meer van de beschikbare omvormerspanning. De basissnelheid is ongeveer het punt waarop spanning, en niet stroom, de actieve grens wordt. Daarboven past de regelaar veldverzwakking toe.

In een permanentmagneetmotor wekt negatieve d-asstroom een statorveld op dat een deel van de met de stator gekoppelde magneetflux tegenwerkt. De permanente magneten zelf worden niet zwakker gemaakt. De lagere nettoflux beperkt de tegen-EMK en maakt een hogere snelheid mogelijk, maar de stroomcapaciteit wordt dan verdeeld over veldverzwakking en koppelproductie. Het koppel daalt en extra koperverlies ontstaat.

Bij nog hogere snelheid kan maximumkoppel per volt, MTPV, de stroomhoek kiezen die de resterende spanning optimaal benut. Grenzen voor stroom, spanning, rotorsnelheid, demagnetisatie en temperatuur vormen samen de bekende gebieden met constant koppel en ongeveer constant vermogen.

Efficiëntiekaarten en optimale regeling

De opdracht die elektrische stroom minimaliseert, minimaliseert niet altijd het totale verlies van de aandrijfeenheid. Koper-, ijzer- en magneetverlies, schakel- en geleidingsverlies van de omvormer, rotorbekrachtigingsverlies, tandwielverlies en vermogen van de koelpomp reageren verschillend op snelheid en koppel.

Productieregelaars gebruiken daarom gekalibreerde kaarten en fysische modellen. Op elk bedrijfspunt kunnen zij kiezen:

gewenste d- en q-asstromen;
rotorbekrachtiging in een elektrisch bekrachtigde motor;
PWM-strategie en schakelfrequentie;
verdeling van koppel tussen voor- en achteras in een voertuig met meerdere motoren;
of een as spanningsloos of ontkoppeld moet worden;
toegestaan koppel op basis van huidige en voorspelde temperaturen.

Efficiëntieoptimalisatie moet samengaan met respons, geluid, spanningsrimpel, accugrenzen en reservemarges. Een regelaar die te agressief een laboratoriumoptimum nastreeft, kan slechte rijdbaarheid of onvoldoende fouttolerantie veroorzaken.

Regeneratie en koppelnauwkeurigheid

Regeneratief remmen keert de vermogensstroom om, maar gebruikt dezelfde basis voor stroomregeling. Het voertuig vraagt negatief wielkoppel, de motor wekt elektrisch vermogen op en de omvormer voert geregelde gelijkstroom terug naar de hoogspanningsbus.

Beschikbare regeneratie kan worden beperkt door de laadtoestand van de accu, celtemperatuur, laadvermogensgrenzen, bandengrip, motorsnelheid of omvormertemperatuur. Remmenging vult het verschil aan met wrijvingsremmen en handhaaft de gevraagde vertraging en voertuigstabiliteit.

Koppelnauwkeurigheid is ook belangrijk bij positieve aandrijving. Stabiliteits- en tractiesystemen vertrouwen erop dat de aandrijfeenheid het gevraagde koppel snel en voorspelbaar levert. De regelaar kan werkelijk koppel schatten uit stroom, rotorpositie, gekalibreerde motorparameters en temperatuur, omdat een productieauto zelden op elke motoras een koppelsensor heeft.

Storingsafhandeling

De regelaar bewaakt voortdurend fasestromen, DC-tussenkringspanning, rotorpositie, halfgeleider- en motortemperatuur, isolatiestatus en communicatie. Plausibiliteitscontroles vergelijken redundante informatie. Als metingen afwijken of een grens wordt overschreden, kan het systeem het koppel verlagen, een motor uitschakelen, het schakelen stoppen of de hoogspanningscontactors openen.

Het uitschakelen van halfgeleiderpoorten maakt niet elke motor elektrisch inert. Een draaiende permanentmagneetmotor kan spanning blijven opwekken. Het ontwerp van de veilige toestand houdt daarom rekening met tegen-EMK bij open circuit, kortsluitkoppel, overtoeren, storingsmodi van de omvormer en de vraag of een andere as gecontroleerde aandrijving kan handhaven.

Ga verder met de motorenreeks

Ga terug naar Electric Motors and Drive Units voor de volledige reeks over motoren en aandrijfeenheden.