Бесщеточные двигатели переменного тока (BLAC) приводятся в действие синусоидальными переменными токами, и благодаря перекошенным магнитам и синусоидально распределенным обмоткам в их статорах они также создают синусоидальную обратную ЭДС. Синусоидальная коммутация является распространенным способом управления двигателями BLAC, поскольку она обеспечивает очень стабильную выходную мощность крутящего момента при незначительных пульсациях крутящего момента. Но на высоких скоростях синусоидальная коммутация начинает снижать эффективность двигателя. Другой метод, известный как управление, ориентированное по полю (FOC), или управление вектором потока, также генерирует синусоидальные сигналы и обеспечивает постоянный крутящий момент, но он обеспечивает более высокую эффективность двигателя, особенно на высоких скоростях.

Выходной крутящий момент в любом двигателе максимален, когда магнитные поля статора и ротора ортогональны (под углом 90 градусов) друг другу. Синусоидальная коммутация генерирует вращающийся вектор тока с постоянной величиной и направлением, ортогональным ротору. (Напомним, что векторы имеют обе величины и направление.) Для достижения этого генерируются два из трех фазных токов статора, сдвинутых по фазе друг от друга на 120 градусов, в зависимости от положения ротора, которое обеспечивается энкодером. Третий определяется с использованием действующего закона Кирхгофа. В результате получается плавно вращающийся вектор тока с постоянной величиной, который всегда ортогонален ротору.

Действующий закон Кирхгофа утверждает, что в любом соединении электрической цепи сумма токов, поступающих в соединение, равна сумме токов, вытекающих наружу. В случае трехфазного двигателя я_а + Я_b + Я_c = 0. Таким образом, если измеряются два тока, третий должен быть отрицательной суммой первых двух, чтобы поддерживать нулевую сумму трех.

Синусоидальная коммутация обеспечивает плавное движение с очень малой пульсацией крутящего момента. Но по мере увеличения частоты вращения двигателя эффективность снижается. Это связано с тем, что с увеличением скорости частота командных сигналов синусоидального тока также увеличивается, что затрудняет отслеживание командных сигналов контроллерами контура тока. Кроме того, с увеличением скорости обратная ЭДС двигателя увеличивается по частоте и амплитуде. В результате возникает задержка по фазе между статором и ротором, из-за чего вектор тока отклоняется от оптимального 90-градусного выравнивания с потоком ротора. Это уменьшает крутящий момент, создаваемый при заданном токе, и снижает КПД двигателя.

Там, где синусоидальная коммутация основана на трехфазной системе, зависящей от времени и скорости, управление, ориентированное на поле, преобразует эту систему в двухкоординатную систему — d и q, — которая не зависит от времени, аналогично управлению постоянным током. Есть два входа для FOC — компонент крутящего момента (выровненный по координате q) и компонент потока (выровненный по координате d).

Сначала, способом, аналогичным синусоидальному управлению, измеряется ток в двух обмотках (напомним, что ток в одной из обмоток не контролируется — это отрицательная сумма токов в первых двух обмотках). Затем используется преобразование Кларка для преобразования трех осей тока в двухосевую систему. Результирующие двухфазные сигналы имеют ту же амплитуду, что и исходные трехфазные сигналы.

Затем используется преобразование парка для преобразования двухосевой системы из фиксированной системы отсчета во вращающуюся систему отсчета, которая синхронизирована с потоком вращения ротора. Результатом являются значения d и q. Ток по оси d выровнен с потоком ротора, а ток по оси q ортогонален потоку ротора. Поскольку он ортогонален потоку ротора, ток по оси q отвечает за создание крутящего момента. Другими словами, крутящий момент увеличивается за счет увеличения тока по оси q и уменьшается за счет уменьшения тока по оси q.

Отдельный PI-контроллер используется для каждой оси, d и q, для считывания текущих сигналов ошибки и усиления их для подачи напряжения на двигатель. Но поскольку напряжения находятся на вращающейся системе отсчета, выполняется обратное преобразование Парка, которое преобразует их обратно в стационарную систему отсчета. Затем выполняется обратное преобразование Кларка, чтобы преобразовать два напряжения обратно в три значения, чтобы их можно было подать на три обмотки двигателя.

Хотя на первый взгляд управление, ориентированное на поле, кажется более сложным (и, по общему признанию, оно более математически трудоемкое), снижение стоимости технологии обработки делает его жизнеспособным решением для многих систем управления движением. С другой стороны, синусоидальное управление является предпочтительным выбором для простого и недорогого управления бесщеточными двигателями.

Автор изображения: National Instruments Corporation