Цифровая пространственно-векторная модуляция при фиксированном напряжении шины постоянного тока (DC шина), питающей электропривод, позволяет синтезировать на 15% большее результирующее выходное напряжение, в сравнении с классической синусоидальной коммутацией. Это предоставляет определенное преимущество для разработчиков, желающих увеличить скорость вращения двигателей при подключении одного и того же напряжения питания. Далее, мы в несколько шагов рассмотрим принцип работы пространственно-векторной модуляции.
Синусоидальный ток
Сервоконтроллеры бесколлекторных электродвигателей реализуют трехфазную систему синусоидальных напряжений, каждая со сдвигом на 120 электрических градусов. Синусоиды напряжения в свою очередь производят ток в каждой из трех обмоток статора, также со сдвигом на 120 градусов. Синусоидальный ток внутри обмоток статора наводит магнитное поле, которое в свою очередь создает усилие, вращающее ротор на постоянных магнитах. Данная форма тока позволяет развивать крутящий момент без пульсаций.
Синусоидальная коммутация
Классический сервоусилитель с синусоидальной коммутацией является аналоговым ШИМ усилителем с синусоидальным трехфазным напряжением на выходе, амплитуда которого ограничена напряжением питания DC шины. Если перенести трехфазную систему напряжений на векторную диаграмму и отметить три временных интервала, со сдвигом на 120 градусов каждый, то мы сможем увидеть, что технология синусоидальной модуляции имеет максимальное результирующее напряжение равное половине величины напряжения питания DC шины VDC/2. Классический синусоидальный усилитель разработан с целью получения аналоговых сигналов от контроллера движения и питания обмоток электродвигателя синусоидальным током, производя тем самым плавную синусоидальную коммутацию.
Форма сигналов напряжений при синусоидальной коммутации и их векторная диаграмма
Пространственный вектор выходного напряжения
Пространственный вектор результирующего выходного напряжения является синусоидой, чей центр «плавает» в пространстве и соответственно не ограничен. Как формируется пространственный вектор? Сервоусилитель трехфазного бесколлекторного электродвигателя формирует базовые векторы напряжения, за счет последовательного перехода одного в другое восьми различных состояний силовых ключей, шесть из которых образуют активные векторы и два нулевые. Шесть активных векторов состояния изображены на диаграмме состояний.
Путем последовательного включения двух смежных векторов состояния (образующих сектор), а также нулевого вектора, можно сформировать положение пространственного вектора выходного напряжения в каждом из шести секторов.
Алгоритм модуляции пространственного вектора определяет сектор для желаемого пространственного вектора выходного напряжения путем поиска угла, рассчитанного по формуле tan-1(VIm/VRe). Затем необходимый пространственный вектор разбивается на компоненты векторов состояния, которые могут быть получены на выходной ступени в течение периода переключения. Вектор выходного напряжения ограничен по величине окружности, вписанной в шестиугольник, образованный активными векторами состояний. Так, к примеру, чтобы сформировать пространственный вектор напряжения, расположенный в первом секторе, величина необходимого вектора проецируется под прямым углом на активный вектор состояния 1 и активный вектор состояния 2. Во время периода переключения, алгоритм модуляции пространственного вектора определит время, необходимое активному состоянию 1, активному состоянию 2 и нулевому состоянию, для получения величины и угла формируемого пространственного вектора.
Форма сигналов напряжений при пространственно-векторной
модуляциии их векторная диаграмма
Модуляции пространственного вектора
Современный сервоусилитель являет собой цифровой ШИМ усилитель с синусоидальным трехфазным напряжением на выходе, каждая со сдвигом на 120 градусов и ограниченным напряжением питания DC шины. Однако, если мы перенесем трехфазное напряжение на векторную диаграмму, то, учитывая обычную тригонометрию треугольника «а» (углы 30°, 60°, 90°; стороны 1, 2, √3). мы сможем увидеть, что технология модуляции пространственного вектора имеет максимальное результирующее напряжение равное V DC/√3. Поскольку вектора вращаются, их центр не ограничен. Когда два вектора находятся в максимальной амплитуде, третий находится в нуле, когда все три вектора находятся в одинаковой амплитуде, ни один из них не находится в максимуме.
Цифровые ШИМ сервоусилители от компании Copley Controls используют технологию пространственно-векторной модуляции. Данная технология позволяет получить точный контроль момента, задействовать лишь три ключа каждую шестую часть периода, вместо шести при использовании классической синусоидальной коммутации и как было рассмотрено выше, увеличить на 15% величину результирующего выходного напряжения DC шины, подключенной к электроприводу, исходя из соотношения VDC/√3 / VDC/2. Помимо стандартных сервоусилителей, компания Copley Controls предлагает контроллеры для работы в самых экстремальных условиях серии Ruggedized (R-series). Данная серия контроллеров отличается повышенной прочностью, способна выдержать перепады температур, высокий уровень влажности, вибрации и удары. Благодаря этим преимуществам, серия контроллеров Ruggedized находит широкое применение в военной, морской, авиационной и нефтеперерабатывающей отраслях.
Усиленные контроллеры серии Ruggedized работают как в режиме «stand alone», так и в сетевых режимах, поддерживают различные форматы команд, включая «шаг-направление», индексатор, «точка-точка». Сервоконтроллеры позволяют реализовать следящию систему по скорости, моменту, позиции, кроме того они поддерживают различные типы датчиков обратной связи: цифровые датчики Холла, инкрементальные энкодеры, аналоговые sin/cos энкодеры, резольверы. Данная линейка контроллеров совместима с интерфейсами CANopen, RS-232, RS-422 и RS-485. Питание от однофазной либо трехфазной сети переменного тока, напряжением от 100 до 240 В AC, с максимальной выходной мощностью до 3 кВт, также доступны сервоконтроллеры с питанием от источника постоянного тока.
И.Н. Герасимов,
журнал «Конструктор-машиностроитель», №4, 2013
