Использование векторного управления электродвигателями на транспорте

Лучшее решение задачи векторного управления – использование комплекса InstaSPIN­FOC от Texas Instruments, вместе с программным алгоритмом FAST. Этот комплекс начального уровня можно использовать для создания простых и надёжных конструкций двигателей с высоким КПД для любого электротранспорта.

Электромоторы стали неотъемлемой частью современных автомобилей (см. рис. 1). Сейчас на один автомобиль среднего класса приходится в среднем 10 насосов и компрессоров и около 40 электродвигателей в целом. В зависимости от списка дополнительного оборудования в автомобиле их количество может возрасти до 100 штук. Например, в машинах премиум­класса. Помимо водяных и топливных насосов, электроприводы используются для адаптивного управления подвеской, вентиляторами, компрессорами, усилителем руля, стеклоочистителями и стеклоподъёмниками, шторками и т.д.

Конечно, перспективный рынок для электромоторов – это электромобили. Речь идёт не только о транспортных средствах на чистой электрической тяге (BMW i3, VW e­UP и Opel Ampera, Tesla и т.п.), но и об автомобилях с гибридными силовыми установками (с двигателем внутреннего сгорания, дополненным электродвигателем). В коммерческом сегменте электродвигатели используются, в частности, для электроавтобусов.

Требования к электродвигателям в автомобилях

Электродвигатели, используемые в транспортных средствах, должны соответствовать следующим требованиям:

Эти требования относятся как к тяговым электромоторам (например, двигателям в колёсах), так и к моторам привода насосов, вентиляторов, стеклоподъёмников или усилителя руля.

Повышение КПД электродвигателей

Векторное управление – признанный метод повышения КПД любых электромоторов, как тяговых, так и вспомогательных, используемых в автомобилях. Векторный метод управления имеет ряд преимуществ:

С другой стороны, векторное управление имеет и ряд недостатков. Наиболее существенный из них – необходимость использования датчика положения ротора. Он может быть как физическим, так и программным – эмуляцией датчика через сложное ПО. Датчик необходим для определения точного положения ротора. Это позволяет создавать такое магнитное поле в статоре, которое обеспечит максимальный крутящий момент.

Однако из­за использования физических датчиков и программных наблюдателей затраты на создание узлов агрегатов возрастают, а также увеличивается частота ошибок, особенно в транспортных применениях. Согласно данным голландского производителя двигателей для электроавтобусов e­Traction, датчики векторных систем управления оказались наиболее ненадёжной частью всей силовой установки.

Традиционная реализация, в том числе с наблюдателем со скользящим режимом, требует наличия у конструкторов большого опыта. К тому же соответствующие элементы управления отличаются недостаточной стабильностью на небольших скоростях. Это особенно неприятно во время фазы ускорения и на низкоскоростных двигателях.

Комплекс InstaSPIN­FOC

InstaSPIN­FOC был разработан компанией Texas Instruments для решения задачи векторного управления без использования датчиков. InstaSPIN­FOC – комплекс, состоящий из программного алгоритма FAST (Flux, Angle, Speed, Torque, то есть поток, угол, скорость, момент), заменяющего физический датчик, и микроконтроллера C2000 Piccolo, который имеет в своём ПЗУ все решения для векторного управления (см. рис. 2).

Благодаря InstaSPIN­FOC, FAST и С2000, разработчики могут за пару минут настроить любой тип трёхфазного синхронного или асинхронного двигателя, изменяя скорость и нагрузку. Соответствующее программное обеспечение было интегрировано Texas Instruments в ПЗУ микроконтроллера, причём его цена входит в стоимость контроллера. Texas Instruments предоставляет для разработчиков библиотеки управления электродвигателями (модули, драйверы, справочные системы и документация) в среде MotorWare на основе последних веяний в области объектно­ориентированного программирования на C и API­кодирования. Специалисты могут использовать бесплатный GUI­компоновщик для удобной разработки графической среды, которая подойдёт для лабораторных испытаний.

Кроме того, в пакет входит бесплатный инструмент моделирования InstaSPIN для интерактивного онлайн­моделирования работы InstaSPIN­FOC. Используя параметры различных двигателей и различные сценарии нагрузки, конструкторы получат представление о функциональности InstaSPIN­FOC и FAST­алгоритма в реальных условиях.

Оптимизация любого типа электромоторов

InstaSPIN­FOC (см. рис. 3) даёт много преимуществ по сравнению с традиционными методами (например, метод с наблюдателем скользящего режима Люенбергера).

В частности, комплекс позволяет легко разрабатывать надёжные электродвигатели прямого привода с низкой скоростью вращения и высоким моментом. Такие двигатели подходят для электровелосипедов, мототележек для гольфа и электромопедов. Кроме того, такие двигатели применяют в гибридных приводах и электромобилях, а также на коммерческой технике. Поскольку алгоритм FAST делает точные оценки магнитного потока, угла ротора, скорости и крутящего момента на всём временном промежутке, то зачастую можно отказаться от датчиков положения вала.

Комплекс InstaSPIN­FOC доступен для микроконтроллеров Piccolo F2806xF на 90 МГц / 32 бита с плавающей точкой и для бюджетной серии Piccolo F2802xF.

Двигатели, с которыми работает InstaSPIN­FOC:

Повышение энергоэффективности и сокращение количества компонентов

На энергопотребление положительно влияет и то, что информация об угле поворота оси сохраняется даже тогда, когда скорость ротора значительно ниже 60 об/мин^–1, когда крутящий момент максимальный, когда направление вращения меняется или когда двигатель глохнет, а затем немедленно запускается. Стартёрные режимы, заложенные в InstaSPIN­FOC, обеспечивают определение угла ротора менее чем за один электрический цикл. Это важно для автомобилей, оснащённых системой Старт/стоп, или чисто электрических транспортных средств, поскольку так двигатель запускается без каких­либо проблем.

Ещё одно преимущество состоит в том, что для InstaSPIN­FOC не нужна сложная проводка. В устройствах, где применяется механический датчик, зачастую требуется прокладка длинного экранированного кабеля. Если не обеспечить защиту от помех, то окружающие системы могут вносить в сигнал значительные искажения (шумы и т.п.).

Применение системы в электромобилях и электровелосипедах

InstaSPIN­FOC с алгоритмом FAST и средой PowerWarp хорошо подходит для моторов с высоким крутящим моментом при низких оборотах двигателя. В частности, для электромобилей и электровелосипедов. Например, комплекс InstaSPIN­FOC для двигателей своих велосипедов использует компания Royal Dutch Gazelle. Обычные блоки управления без датчиков не могут обеспечить требуемого крутящего момента на скоростях ниже 3–4 км/ч, а InstaSPIN­FOC обеспечивает его сразу после старта. Компании Royal Dutch Gazelle, по словам её специалистов, удалось значительно сократить и сроки разработки, что стало ещё одним преимуществом решения от Texas Instruments. Благодаря этому разработчикам велосипедов удалось сосредоточиться на других задачах, в частности, на оптимизации управления батареей.

Голландская компания E­Traction производит приводы, электродвигатели и дополнительные компоненты для электрических транспортных средств (в том числе и городских автобусов). Прямой привод серии The Wheel, разработанный компанией с использованием комплекта от Texas Instruments, обеспечивает крутящий момент между 800 и 10000 Нм. Кроме того, e­Traction использует InstaSPIN­FOC для насосов, компрессоров и стартёр­генераторов на основе асинхронных двигателей, а также для синхронных двигателей в ступицах колёс.

Причина, по которой компания e­Traction выбрала InstaSPIN­FOC, в том, что комплекс позволяет обеспечить желаемый крутящий момент немедленно после запуска. К тому же практика показала, что использование системы без физического датчика положительно сказывается на её надёжности и безопасности. Да и сложных калибровок система не требует.

Электроприводы, основанные на векторном управлении без датчика, могут применяться для многих вспомогательных механизмов. К ним относятся и помощники для пожилых и инвалидов, облегчающие передвижения людей и подъём по лестницам. Они востребованы в электроскутерах, инвалидных колясках, тележках для гольфа и электрических мотоциклах. Рынок электродвигателей для таких компактных применений не меньше, чем рынок моторов для электромобилей и коммерческого электротранспорта.

InstaSPIN­FOC Motion – система контроля скорости

Электродвигатели с комплексом InstaSPIN­FOC должны эффективно и безотказно управлять скоростью, чтобы демпфировать резкие ускорения и неравномерное движение электротранспорта. Система InstaSPIN­Motion – бессенсорное решение для устройств, требующих точного контроля скорости и надёжной плавной работы. С помощью InstaSPIN­Motion жёсткость системы привода может быть настроена во всём рабочем диапазоне, с использованием полосы пропускания в качестве единственной переменной (см. рис. 4). Дополнительные области применения – устройства, в которых постоянно происходят динамические изменения.

Дополнительный компонент Insta­SPIN­Motion – SpinTAC, разработанный компанией LineStream Technologies, Inc., – обеспечивает надёжное динамическое управление при любых скоростях и нагрузках электропривода. Максимальной точности SpinTAC достигает, используя момент инерции. Калькулятор инерции автоматически определяет её через обратную связь с работающим электродвигателем.

На выходе SpinTAC выдаёт три типа кривых (см. рис. 5). Использование их обеспечивает дополнительную плавность режимов: InstaSPIN­Motion подбирает скорость для получения обратной связи, которая может варьироваться от очень мягкой до очень жёсткой. Этот единый коэффициент усиления регулятора (полоса пропускания) работает во всём диапазоне скорости и нагрузки, благодаря чему, в отличие от ПИД­регулирования по многим переменным, времени на настройку уходит меньше, поскольку эти системы часто требуют десятка (а то и больше) коэффициентов скоростей и нагрузочных коэффициентов для того, чтобы охватить весь спектр возможных динамических условий.

Характеристики работы трансмиссии

SpinTAC также упрощает переключение между передачами. В отличие от табличных алгоритмов, SpinTAC, для достижения плавного, подстраиваемого перехода между двумя передачами, использует процессор.

SpinTAC автоматически создаёт оптимальную кривую, подходящую требованиям заказчика по настройке трансмиссии и к ограничениям ускорения для типа кривой, заложенной конструкторами:

На основании данных или кривых конструкторы могут настроить переключение между двумя передачами. Например, более плавный переход может быть реализован для самоката, предназначенного для пожилых людей, в то время как более агрессивные настройки подойдут для спортивных автомобилей, электронных скутеров или электромотоциклов.

При использовании InstaSPIN­Motion вместе с SpinTAC имитируется поведение двигателя внутреннего сгорания (плавное, постепенное увеличение крутящего момента) в электрическом транспортном средстве. В свою очередь, такая имитация упростит восприятие электромобилей водителями традиционных автомобилей.

Использование PowerWarp для повышения КПД

Алгоритм PowerWarp программного обеспечения в InstaSPIN­FOC можно использовать для повышения КПД асинхронных электродвигателей переменного тока, особенно при низких нагрузках. PowerWarp позволяет динамически сбалансировать крутящий момент и скорость, что сохранит стабильность системы управления. Принцип основан на снижении потерь в обмотке статора и ротора двигателя. Как показали испытания Texas Instruments, при использовании алгоритма PowerWarp потребление энергии асинхронными приводами переменного тока можно снизить на 28%. Это важно для электромобилей, например для Tesla (модели Tesla Motors оснащаются трёхфазными асинхронными двигателями переменного тока).

Основная экономия достигается в диапазоне частичной нагрузки. При полной нагрузке много сэкономить не удастся. Но поскольку большинство двигателей редко работают в условиях полной нагрузки, PowerWarp позволит существенно уменьшить энергозатраты.

InstaSPIN­FOC – жизнеспособная альтернатива традиционным технологиям. Особенно она пригодится конструкторам систем управления асинхронными электромоторами переменного тока. Этот тип мотора соответствует всем требованиям, предъявляемым электродвигателям для транспорта: надёжность и длительный срок службы, невысокая стоимость, экономия материалов при производстве.

Заключение

Векторные методы управления без датчиков, в частности InstaSPIN­FOC, имеют значительные преимущества по сравнению с сенсорными решениями. Особенно это относится к сегменту электромобилей. Надёжность и максимальный крутящий момент на любых оборотах – важные факторы для электрических транспортных средств и двигателей, используемых в компрессорах, насосах и системах кондиционирования воздуха. Благодаря InstaSPIN­FOC векторное управление без датчиков стало доступным и для них.

Литература

1. www.automotive­eetimes.com/content/using­field­oriented­control­electric­drives­vehicles.