Motorstyrning och verkningsgradsdiagram
En elmotorstyrenhet omvandlar förarens begäran om vridmoment till exakt tidsatta fasströmmar samtidigt som den respekterar gränserna för batteri, växelriktare, motor, däck och kylsystem. En elbils välbekanta gasrespons är därför resultatet av reglering i realtid, inte en inneboende motoregenskap.
Reglerkedjan
Gaspedalen styr inte motorspänningen direkt. Fordonets programvara tolkar pedalläget tillsammans med körläge, hjulslirning, stabilitetskontroll, batteritillstånd, termiska gränser och komponentfel. Därefter begär den positivt eller negativt axelvridmoment.
En typisk traktionsregulator använder nästlade slingor. En långsammare hastighets- eller vridmomentslinga bestämmer nödvändig motorström, medan snabbare strömslingor reglerar det elektromagnetiska tillståndet många tusen gånger per sekund. Styrenheten mäter fasström och DC-mellanledsspänning, uppskattar eller mäter rotorläget, beräknar önskade fasspänningar och låter traction inverter återge dem med pulsbreddsmodulering.
Resultatet måste förbli stabilt när hastighet, vridmoment, batterispänning, temperatur och magnetisk mättnad förändras. Reglerkvaliteten påverkar verkningsgrad, akustik, regenerativ bromsning, grepp och komponentbelastning.
Fältorienterad reglering
Trefasiga statorströmmar är förskjutna 120 elektriska grader, vilket gör direkt reglering besvärlig. Fältorienterad reglering, även kallad vektorreglering, transformerar matematiskt de uppmätta strömmarna till ett koordinatsystem som roterar med motorns magnetfält.
Den transformerade strömmen har två huvudkomponenter:
- d-axelströmmen ändrar främst det magnetiska flödet;
- q-axelströmmen skapar främst vridmoment i en enkel maskin med ytmagneter.
Uppdelningen är inte absolut för alla topologier. I en motor med invändiga permanentmagneter skapar samspelet mellan d- och q-axelström även reluktansmoment. Induktionsmotorer behöver en uppskattning av rotorflöde och eftersläpning. Elektriskt exciterade maskiner lägger till rotorns fältström som ytterligare en styrvariabel.
När styrenheten har beräknat önskade d- och q-axelspänningar omvandlar inversa transformationer dem tillbaka till stationära faskommandon. Rymdvektor- eller en annan PWM-metod väljer sedan växelriktarens kopplingstillstånd så att medelspänningen följer den begärda vektorn.
Rotorläge och hastighet
Noggrann vektorreglering kräver den elektriska vinkeln för rotorfältet. En resolver, magnetisk pulsgivare, induktiv sensor eller annan lägesgivare kan ge vinkeln direkt. Styrenheten kombinerar lägesprov över tid för att beräkna hastigheten.
Sensorlös reglering uppskattar i stället vinkel och hastighet från uppmätt ström, beordrad spänning, mot-EMK, induktansvariation eller en observatörsmodell. Det kan minska maskinvara och kablage, men nära stillastående är uppskattningen svår eftersom informationen från mot-EMK blir svag. Vissa drivsystem kombinerar sensordata och modellbaserad uppskattning för rimlighetskontroll eller degraderad drift.
Ett vinkelfel vrider regulatorns antagna d-q-system bort från den verkliga rotorn. Det kan minska tillgängligt vridmoment, öka ström och värme, skapa rippel eller hota stabiliteten. Lägesavkänning är därför en prestanda- och funktionssäkerhetskomponent, inte bara en hastighetsmätare.
MTPA, bashastighet och fältförsvagning
Vid låg och medelhög hastighet söker regulatorn normalt det begärda vridmomentet med minsta användbara statorström. Maximalt vridmoment per ampere, MTPA, väljer en d-q-strömkombination som minimerar strömmen för ett visst vridmoment. I en motor med ytmagneter kan d-axelströmmen ligga nära noll, medan en salient motor med invändiga magneter kan utnyttja negativ d-axelström för reluktansmoment.
När motorhastigheten stiger använder mot-EMK och induktiv spänning mer av växelriktarens tillgängliga spänning. Bashastigheten är ungefär den punkt där spänning i stället för ström blir den aktiva gränsen. Ovanför den använder regulatorn fältförsvagning.
I en permanentmagnetmotor skapar negativ d-axelström ett statorfält som motverkar en del av magnetflödet genom statorn. Den minskar inte permanentmagneterna i sig. Den lägre nettoflödeslänkningen begränsar mot-EMK och tillåter högre hastighet, men strömkapaciteten delas då mellan fältförsvagning och vridmomentsproduktion. Vridmomentet minskar och ytterligare kopparförluster uppstår.
Vid ännu högre hastighet kan maximalt vridmoment per volt, MTPV, välja den strömvinkel som bäst utnyttjar återstående spänning. Gränser för ström, spänning, rotorhastighet, avmagnetisering och temperatur skapar tillsammans de välkända områdena med konstant vridmoment och ungefär konstant effekt.
Verkningsgradsdiagram och optimal reglering
Kommandot som minimerar elektrisk ström minimerar inte alltid drivenhetens totala förlust. Koppar-, järn- och magnetförluster, växelriktarens kopplings- och ledningsförluster, rotorexciteringsförlust, växelförlust och kylpumpseffekt reagerar olika på hastighet och vridmoment.
Seriestyrenheter använder därför kalibrerade kartor och fysikaliska modeller. Vid varje driftpunkt kan de välja:
- mål för d- och q-axelström;
- rotorexcitering i en elektriskt exciterad motor;
- PWM-strategi och kopplingsfrekvens;
- fördelning av vridmoment mellan fram- och bakaxel i ett flermotorfordon;
- om en axel ska göras strömlös eller frikopplas;
- tillåtet vridmoment utifrån aktuella och förutsedda temperaturer.
Optimering av verkningsgraden måste fungera tillsammans med respons, buller, spänningsrippel, batterigränser och reservmarginaler. En regulator som alltför aggressivt jagar ett laboratorieoptimum kan ge dåliga köregenskaper eller otillräcklig feltolerans.
Regenerering och vridmomentsnoggrannhet
Regenerativ bromsning vänder effektflödet men använder samma grundläggande strömreglering. Fordonet begär negativt hjulvridmoment, motorn genererar elektrisk effekt och växelriktaren matar kontrollerad likström tillbaka till högspänningsbussen.
Tillgänglig regenerering kan begränsas av batteriets laddningsnivå, celltemperatur, gränser för laddningseffekt, däckgrepp, motorhastighet eller växelriktartemperatur. Bromsblandningen täcker skillnaden med friktionsbromsar och bibehåller förarens begärda retardation samt fordonets stabilitet.
Vridmomentsnoggrannhet är också viktig vid positiv drivning. Stabilitets- och traktionssystem förlitar sig på att drivenheten ger beordrat vridmoment snabbt och förutsägbart. Styrenheten kan uppskatta faktiskt vridmoment från ström, rotorläge, kalibrerade motorparametrar och temperatur, eftersom ett seriefordon sällan har en vridmomentsgivare på varje motoraxel.
Felhantering
Styrenheten övervakar kontinuerligt fasströmmar, DC-mellanledsspänning, rotorläge, halvledar- och motortemperatur, isolationsstatus och kommunikation. Rimlighetskontroller jämför redundant information. Om mätningar inte stämmer överens eller en gräns överskrids kan systemet minska vridmomentet, inaktivera en motor, stoppa kopplingen eller öppna högspänningskontaktorerna.
Att stänga av halvledarnas grindar gör inte varje motor elektriskt inaktiv. En roterande permanentmagnetmotor kan fortsätta alstra spänning. Utformningen av säkert tillstånd beaktar därför mot-EMK vid öppen krets, kortslutningsmoment, övervarv, växelriktarens fellägen och om en annan axel kan upprätthålla kontrollerad framdrivning.
Fortsätt genom motorserien
Gå tillbaka till Electric Motors and Drive Units för hela serien om motorer och drivenheter.