Sterowanie silnikiem i mapy sprawności
Sterownik silnika elektrycznego przekształca żądanie momentu kierowcy w precyzyjnie zsynchronizowane prądy fazowe, przestrzegając ograniczeń akumulatora, falownika, silnika, opon i układu chłodzenia. Znana reakcja samochodu elektrycznego na pedał przyspieszenia jest zatem wynikiem sterowania w czasie rzeczywistym, a nie wrodzoną cechą silnika.
Łańcuch sterowania
Pedał przyspieszenia nie zadaje bezpośrednio napięcia silnika. Oprogramowanie pojazdu interpretuje jego położenie wraz z trybem jazdy, poślizgiem kół, kontrolą stabilności, stanem akumulatora, ograniczeniami cieplnymi i usterkami podzespołów. Następnie żąda dodatniego albo ujemnego momentu na osi.
Typowy sterownik napędu wykorzystuje zagnieżdżone pętle. Wolniejsza pętla prędkości lub momentu wyznacza wymagany prąd silnika, a szybsze pętle prądowe regulują stan elektromagnetyczny wiele tysięcy razy na sekundę. Sterownik mierzy prąd fazowy i napięcie obwodu pośredniego DC, szacuje lub mierzy położenie wirnika, oblicza docelowe napięcia fazowe i zleca traction inverter ich odtworzenie za pomocą modulacji szerokości impulsu.
Wynik musi pozostawać stabilny mimo zmian prędkości, momentu, napięcia akumulatora, temperatury i nasycenia magnetycznego. Jakość sterowania wpływa na sprawność, akustykę, hamowanie regeneracyjne, trakcję i obciążenie podzespołów.
Sterowanie zorientowane polowo
Trójfazowe prądy stojana są przesunięte o 120 stopni elektrycznych, co utrudnia bezpośrednie sterowanie. Sterowanie zorientowane polowo, zwane też sterowaniem wektorowym, matematycznie przekształca zmierzone prądy do układu współrzędnych obracającego się z polem magnetycznym silnika.
Przekształcony prąd ma dwie główne składowe:
- prąd osi d przede wszystkim zmienia strumień magnetyczny;
- prąd osi q przede wszystkim wytwarza moment w prostej maszynie z magnesami powierzchniowymi.
Podział nie jest bezwzględny dla każdej topologii. W silniku z wewnętrznymi magnesami trwałymi wzajemne oddziaływanie prądów osi d i q wytwarza także moment reluktancyjny. Silniki indukcyjne wymagają oszacowania strumienia wirnika i poślizgu. Maszyny ze wzbudzeniem elektrycznym dodają prąd wzbudzenia wirnika jako kolejną zmienną sterującą.
Po obliczeniu żądanych napięć osi d i q transformacje odwrotne przekształcają je z powrotem w nieruchome polecenia fazowe. Metoda wektora przestrzennego lub inna metoda PWM wybiera następnie stany przełączania falownika, których średnie napięcie podąża za żądanym wektorem.
Położenie i prędkość wirnika
Dokładne sterowanie wektorowe wymaga elektrycznego kąta pola wirnika. Rezolwer, enkoder magnetyczny, czujnik indukcyjny lub inny czujnik położenia może podać ten kąt bezpośrednio. Sterownik łączy kolejne próbki położenia, aby wyznaczyć prędkość.
Sterowanie bezczujnikowe szacuje kąt i prędkość na podstawie zmierzonego prądu, zadanego napięcia, siły przeciwelektromotorycznej, zmian indukcyjności lub modelu obserwatora. Może ograniczyć sprzęt i okablowanie, lecz w pobliżu prędkości zerowej estymacja jest trudna, ponieważ informacja z siły przeciwelektromotorycznej słabnie. Niektóre napędy łączą dane z czujników i estymację modelową w celu kontroli wiarygodności lub pracy awaryjnej.
Błąd kąta obraca przyjęty przez sterownik układ d-q względem rzeczywistego wirnika. Może to zmniejszyć dostępny moment, zwiększyć prąd i temperaturę, wywołać tętnienia lub zagrozić stabilności. Pomiar położenia jest więc elementem osiągów i bezpieczeństwa funkcjonalnego, a nie tylko prędkościomierzem.
MTPA, prędkość bazowa i osłabianie pola
Przy małej i średniej prędkości sterownik zwykle dąży do uzyskania wymaganego momentu przy najmniejszym użytecznym prądzie stojana. Maksymalny moment na amper, czyli MTPA, wybiera kombinację prądów d-q minimalizującą prąd dla danego momentu. W silniku z magnesami powierzchniowymi prąd osi d może być bliski zeru, natomiast silnik wydatnobiegunowy z magnesami wewnętrznymi może wykorzystać ujemny prąd osi d do uzyskania momentu reluktancyjnego.
Wraz ze wzrostem prędkości silnika siła przeciwelektromotoryczna i napięcie indukcyjne zużywają coraz większą część napięcia dostępnego z falownika. Prędkość bazowa to przybliżony punkt, w którym aktywną granicą staje się napięcie zamiast prądu. Powyżej niej sterownik stosuje osłabianie pola.
W silniku z magnesami trwałymi ujemny prąd osi d tworzy pole stojana przeciwne do części strumienia magnesów sprzężonego ze stojanem. Nie osłabia samych magnesów trwałych. Mniejsze wypadkowe sprzężenie strumienia ogranicza siłę przeciwelektromotoryczną i pozwala na wyższą prędkość, ale zdolność prądowa jest wtedy dzielona między osłabianie pola i wytwarzanie momentu. Moment spada i rosną dodatkowe straty w miedzi.
Przy jeszcze wyższej prędkości maksymalny moment na wolt, czyli MTPV, może wybrać kąt prądu najlepiej wykorzystujący pozostałe napięcie. Granice prądu, napięcia, prędkości wirnika, rozmagnesowania i temperatury wspólnie tworzą znane obszary stałego momentu i w przybliżeniu stałej mocy.
Mapy sprawności i optymalne sterowanie
Polecenie minimalizujące prąd elektryczny nie zawsze minimalizuje łączne straty zespołu napędowego. Straty w miedzi, żelazie i magnesach, straty przełączania i przewodzenia falownika, straty wzbudzenia wirnika, przekładni oraz moc pompy chłodzenia różnie reagują na prędkość i moment.
Sterowniki produkcyjne korzystają więc z kalibrowanych map i modeli fizycznych. W każdym punkcie pracy mogą wybierać:
- wartości docelowe prądu osi d i q;
- wzbudzenie wirnika w silniku ze wzbudzeniem elektrycznym;
- strategię PWM i częstotliwość przełączania;
- podział momentu między przód i tył w pojeździe wielosilnikowym;
- czy oś ma być pozbawiona zasilania lub odłączona;
- dopuszczalny moment na podstawie aktualnej i przewidywanej temperatury.
Optymalizacja sprawności musi współistnieć z reakcją, hałasem, tętnieniem napięcia, ograniczeniami akumulatora i marginesami rezerwy. Sterownik zbyt agresywnie dążący do optimum laboratoryjnego może pogorszyć właściwości jezdne lub zapewnić niewystarczającą odporność na usterki.
Rekuperacja i dokładność momentu
Hamowanie regeneracyjne odwraca przepływ mocy, ale korzysta z tej samej podstawy sterowania prądem. Pojazd żąda ujemnego momentu na kołach, silnik wytwarza energię elektryczną, a falownik zwraca kontrolowany prąd stały do magistrali wysokiego napięcia.
Dostępna rekuperacja może być ograniczona przez stan naładowania akumulatora, temperaturę ogniw, limity mocy ładowania, przyczepność opon, prędkość silnika lub temperaturę falownika. Łączenie hamulców uzupełnia różnicę hamulcami ciernymi, zachowując żądane opóźnienie i stabilność pojazdu.
Dokładność momentu ma znaczenie również przy dodatnim napędzie. Układy stabilizacji i kontroli trakcji polegają na szybkim i przewidywalnym wytwarzaniu zadanego momentu przez zespół napędowy. Sterownik może szacować rzeczywisty moment na podstawie prądu, położenia wirnika, skalibrowanych parametrów silnika i temperatury, ponieważ pojazd seryjny rzadko ma czujnik momentu na każdym wale silnika.
Obsługa usterek
Sterownik stale sprawdza prądy fazowe, napięcie obwodu pośredniego DC, położenie wirnika, temperaturę półprzewodników i silnika, stan izolacji oraz komunikację. Kontrole wiarygodności porównują informacje nadmiarowe. Jeśli pomiary są sprzeczne lub zostanie przekroczona granica, system może zmniejszyć moment, wyłączyć silnik, przerwać przełączanie lub otworzyć styczniki wysokiego napięcia.
Wyłączenie bramek półprzewodników nie powoduje elektrycznej bezczynności każdego silnika. Wirujący silnik z magnesami trwałymi może nadal wytwarzać napięcie. Projekt stanu bezpiecznego uwzględnia zatem siłę przeciwelektromotoryczną obwodu otwartego, moment zwarciowy, nadmierną prędkość, tryby awarii falownika oraz możliwość utrzymania kontrolowanego napędu przez inną oś.
Kontynuuj serię o silnikach
Wróć do Electric Motors and Drive Units, aby zobaczyć całą serię o silnikach i zespołach napędowych.