Motorstyring og virkningsgradskort
En elmotorstyring omsætter førerens ønske om moment til præcist timede fasestrømme, samtidig med at den overholder grænserne for batteri, inverter, motor, dæk og kølesystem. En elbils velkendte speederrespons er derfor et resultat af styring i realtid og ikke en iboende egenskab ved motoren.
Styringskæden
Speederen styrer ikke motorspændingen direkte. Bilens software fortolker pedalstillingen sammen med køretilstand, hjulslip, stabilitetskontrol, batteritilstand, termiske grænser og komponentfejl. Derefter anmoder den om positivt eller negativt akselmoment.
En typisk traktionsstyring bruger indlejrede sløjfer. En langsommere hastigheds- eller momentsløjfe fastlægger den nødvendige motorstrøm, mens hurtigere strømsløjfer regulerer den elektromagnetiske tilstand mange tusinde gange i sekundet. Styringen måler fasestrøm og DC-mellemkredsspænding, estimerer eller måler rotorpositionen, beregner de ønskede fasespændinger og beder traction inverter om at gengive dem ved pulsbreddemodulation.
Resultatet skal forblive stabilt, når hastighed, moment, batterispænding, temperatur og magnetisk mætning ændrer sig. Styringskvaliteten påvirker virkningsgrad, akustik, regenerativ bremsning, vejgreb og komponentbelastning.
Feltorienteret styring
Trefasede statorstrømme er forskudt 120 elektriske grader, hvilket gør direkte styring besværlig. Feltorienteret styring, også kaldet vektorstyring, transformerer matematisk de målte strømme til et koordinatsystem, der roterer med motorens magnetfelt.
Den transformerede strøm har to hovedkomponenter:
- d-aksestrømmen ændrer primært den magnetiske flux;
- q-aksestrømmen skaber primært moment i en enkel maskine med overflademagneter.
Skellet er ikke absolut for alle topologier. I en motor med indvendige permanentmagneter skaber samspillet mellem d- og q-aksestrøm også reluktansmoment. Induktionsmotorer kræver et estimat af rotorflux og slip. Elektrisk exciterede maskiner tilføjer rotorens feltstrøm som endnu en styringsvariabel.
Når styringen har beregnet de ønskede d- og q-aksespændinger, omdanner inverse transformationer dem tilbage til stationære fasekommandoer. Rumvektor- eller en anden PWM-metode vælger derefter inverterens koblingstilstande, så middelspændingen følger den ønskede vektor.
Rotorposition og hastighed
Præcis vektorstyring kræver rotorfeltets elektriske vinkel. En resolver, magnetisk encoder, induktiv sensor eller anden positionssensor kan levere vinklen direkte. Styringen kombinerer positionsmålinger over tid for at beregne hastigheden.
Sensorløs styring estimerer i stedet vinkel og hastighed ud fra målt strøm, kommanderet spænding, modelektromotorisk kraft, induktansvariation eller en observatormodel. Det kan reducere hardware og ledningsføring, men estimering er vanskelig nær stilstand, fordi informationen fra modelektromotorisk kraft bliver svag. Nogle drev kombinerer sensordata og modelbaseret estimering til plausibilitetskontrol eller nøddrift.
En vinkelfejl drejer styringens antagne d-q-system væk fra den virkelige rotor. Det kan reducere det tilgængelige moment, øge strøm og varme, skabe pulseringer eller true stabiliteten. Positionsmåling er derfor en ydelses- og funktionssikkerhedskomponent, ikke blot et speedometer.
MTPA, basishastighed og feltsvækkelse
Ved lav og mellem hastighed søger styringen normalt det nødvendige moment med mindst mulig nyttig statorstrøm. Maksimalt moment pr. ampere, MTPA, vælger en d-q-strømkombination, der minimerer strømmen for et givet moment. I en motor med overflademagneter kan d-aksestrømmen være tæt på nul, mens en salient motor med indvendige magneter kan udnytte negativ d-aksestrøm til reluktansmoment.
Når motorhastigheden stiger, bruger modelektromotorisk kraft og induktiv spænding mere af inverterens tilgængelige spænding. Basishastigheden er omtrent det punkt, hvor spænding frem for strøm bliver den aktive grænse. Over dette punkt anvender styringen feltsvækkelse.
I en permanentmagnetmotor skaber negativ d-aksestrøm et statorfelt, der modvirker en del af magnetfluxen gennem statoren. Den svækker ikke selve permanentmagneterne. Den lavere nettoflux begrænser modelektromotorisk kraft og tillader højere hastighed, men strømkapaciteten deles nu mellem feltsvækkelse og momentproduktion. Momentet falder, og der opstår ekstra kobbertab.
Ved endnu højere hastighed kan maksimalt moment pr. volt, MTPV, vælge den strømvinkel, der udnytter den resterende spænding bedst. Grænser for strøm, spænding, rotorhastighed, afmagnetisering og temperatur skaber tilsammen de velkendte områder med konstant moment og omtrent konstant effekt.
Virkningsgradskort og optimal styring
Den kommando, der minimerer strømmen, minimerer ikke altid drivlinjens samlede tab. Kobber-, jern- og magnettab, inverterens koblings- og ledningstab, tab ved rotorexcitering, geartab og kølepumpens effekt reagerer forskelligt på hastighed og moment.
Produktionsstyringer bruger derfor kalibrerede kort og fysiske modeller. Ved hvert driftspunkt kan de vælge:
- mål for d- og q-aksestrøm;
- rotorexcitering i en elektrisk exciteret motor;
- PWM-strategi og koblingsfrekvens;
- fordeling af moment mellem for- og bagaksel i en bil med flere motorer;
- om en aksel skal gøres strømløs eller frakobles;
- tilladt moment ud fra aktuelle og forventede temperaturer.
Optimering af virkningsgraden skal fungere sammen med respons, støj, spændingsrippel, batterigrænser og reserver. En styring, der for aggressivt forfølger et laboratorieoptimum, kan give dårlig køreegenskaber eller utilstrækkelig fejltolerance.
Regenerering og momentnøjagtighed
Regenerativ bremsning vender effektstrømmen, men bygger på samme strømstyring. Bilen anmoder om negativt hjulmoment, motoren producerer elektrisk effekt, og inverteren sender kontrolleret jævnstrøm tilbage til højspændingsbussen.
Den tilgængelige regenerering kan begrænses af batteriets ladetilstand, celletemperatur, grænser for ladeeffekt, dækgreb, motorhastighed eller invertertemperatur. Bremseblanding udfylder forskellen med friktionsbremser og bevarer den ønskede deceleration og bilens stabilitet.
Momentnøjagtighed er også vigtig ved positiv fremdrift. Stabilitets- og traktionssystemer er afhængige af, at drivenheden leverer det ønskede moment hurtigt og forudsigeligt. Styringen kan estimere det faktiske moment ud fra strøm, rotorposition, kalibrerede motorparametre og temperatur, fordi en produktionsbil sjældent har en momentsensor på hver motoraksel.
Fejlhåndtering
Styringen overvåger løbende fasestrømme, DC-mellemkredsspænding, rotorposition, halvleder- og motortemperatur, isolationstilstand og kommunikation. Plausibilitetskontroller sammenligner redundante oplysninger. Hvis målinger er uenige, eller en grænse overskrides, kan systemet reducere momentet, deaktivere en motor, stoppe koblingen eller åbne højspændingskontaktorerne.
At slukke halvledernes gates gør ikke enhver motor elektrisk inaktiv. En roterende permanentmagnetmotor kan fortsat generere spænding. Konstruktionen af den sikre tilstand tager derfor højde for tomgangsspænding fra modelektromotorisk kraft, kortslutningsmoment, overhastighed, inverterfejl og om en anden aksel kan opretholde kontrolleret fremdrift.
Fortsæt gennem motorserien
Gå tilbage til Electric Motors and Drive Units for hele serien om motorer og drivenheder.