Motorstyring og virkningsgradskart
En motorstyring i en elbil omsetter førerens ønske om dreiemoment til nøyaktig tidsstyrte fasestrømmer, samtidig som den respekterer grensene til batteriet, vekselretteren, motoren, dekkene og kjølesystemet. Den velkjente gassresponsen i en elbil er derfor et resultat av sanntidsstyring, ikke en iboende egenskap ved motoren.
Styringskjeden
Gasspedalen styrer ikke motorspenningen direkte. Bilens programvare tolker pedalstillingen sammen med kjøremodus, hjulslipp, stabilitetskontroll, batteritilstand, termiske grenser og komponentfeil. Deretter ber den om positivt eller negativt dreiemoment på akselen.
En typisk trekkraftstyring bruker nøstede sløyfer. En langsommere hastighets- eller momentsløyfe bestemmer nødvendig motorstrøm, mens raskere strømsløyfer regulerer den elektromagnetiske tilstanden mange tusen ganger i sekundet. Styringen måler fasestrøm og DC-mellomkretsspenning, anslår eller måler rotorposisjonen, beregner ønskede fasespenninger og ber traction inverter gjengi dem ved hjelp av pulsbreddemodulasjon.
Resultatet må være stabilt når hastighet, dreiemoment, batterispenning, temperatur og magnetisk metning endres. Styringskvaliteten påvirker virkningsgrad, akustikk, regenerativ bremsing, veigrep og belastningen på komponentene.
Feltorientert styring
Trefasede statorstrømmer er forskjøvet med 120 elektriske grader, noe som gjør direkte styring tungvint. Feltorientert styring, også kalt vektorstyring, transformerer matematisk de målte strømmene til et koordinatsystem som roterer med motorens magnetfelt.
Den transformerte strømmen har to hovedkomponenter:
- d-aksestrømmen endrer først og fremst den magnetiske fluksen;
- q-aksestrømmen produserer først og fremst dreiemoment i en enkel maskin med overflatemonterte magneter.
Skillet er ikke absolutt for alle topologier. I en motor med innvendige permanentmagneter gir samspillet mellom d- og q-aksestrøm også reluktansmoment. Induksjonsmotorer trenger et estimat av rotorfluks og slipp. Elektrisk eksiterte maskiner legger til rotorens feltstrøm som enda en styringsvariabel.
Etter at styringen har beregnet ønskede d- og q-aksespennninger, omdanner inverse transformasjoner dem tilbake til stasjonære fasekommandoer. Romvektor- eller en annen PWM-metode velger så vekselretterens koblingstilstander slik at middelspenningen følger den etterspurte vektoren.
Rotorposisjon og hastighet
Nøyaktig vektorstyring krever den elektriske vinkelen til rotorfeltet. En resolver, magnetisk enkoder, induktiv sensor eller annen posisjonssensor kan gi vinkelen direkte. Styringen kombinerer posisjonsmålinger over tid for å beregne hastigheten.
Sensorløs styring anslår i stedet vinkel og hastighet ut fra målt strøm, kommandert spenning, motelektromotorisk kraft, variasjon i induktans eller en observatørmodell. Det kan redusere maskinvare og kabling, men nær stillstand er estimeringen vanskelig fordi informasjonen fra motelektromotorisk kraft blir svak. Enkelte drivsystemer kombinerer sensordata og modellbasert estimering for plausibilitetskontroll eller redusert drift.
En vinkelfeil dreier styringens antatte d-q-system bort fra den virkelige rotoren. Det kan redusere tilgjengelig dreiemoment, øke strøm og varme, skape rippel eller true stabiliteten. Posisjonsmåling er derfor en komponent for ytelse og funksjonssikkerhet, ikke bare en hastighetsmåler.
MTPA, basishastighet og feltsvekking
Ved lav og middels hastighet søker styringen vanligvis det nødvendige dreiemomentet med minst mulig nyttig statorstrøm. Maksimalt dreiemoment per ampere, MTPA, velger en d-q-strømkombinasjon som minimerer strømmen for et gitt dreiemoment. I en motor med overflatemagneter kan d-aksestrømmen ligge nær null, mens en salient motor med innvendige magneter kan utnytte negativ d-aksestrøm til reluktansmoment.
Når motorhastigheten stiger, bruker motelektromotorisk kraft og induktiv spenning mer av vekselretterens tilgjengelige spenning. Basishastigheten er omtrent punktet der spenning, ikke strøm, blir den aktive grensen. Over dette bruker styringen feltsvekking.
I en permanentmagnetmotor skaper negativ d-aksestrøm et statorfelt som motvirker en del av magnetfluksen gjennom statoren. Den reduserer ikke selve permanentmagnetene. Den lavere netto flukskoblingen begrenser motelektromotorisk kraft og tillater høyere hastighet, men strømkapasiteten deles da mellom feltsvekking og produksjon av dreiemoment. Dreiemomentet faller, og det oppstår ekstra kobbertap.
Ved enda høyere hastighet kan maksimalt dreiemoment per volt, MTPV, velge strømvinkelen som utnytter den gjenværende spenningen best. Grenser for strøm, spenning, rotorhastighet, avmagnetisering og temperatur skaper sammen de kjente områdene med konstant dreiemoment og tilnærmet konstant effekt.
Virkningsgradskart og optimal styring
Kommandoen som minimerer elektrisk strøm, minimerer ikke alltid drivenhetens samlede tap. Kobber-, jern- og magnettap, vekselretterens koblings- og ledningstap, tap ved rotoreksitering, girtap og effekten til kjølepumpen reagerer ulikt på hastighet og dreiemoment.
Produksjonsstyringer bruker derfor kalibrerte kart og fysiske modeller. Ved hvert driftspunkt kan de velge:
- mål for d- og q-aksestrøm;
- rotoreksitering i en elektrisk eksitert motor;
- PWM-strategi og koblingsfrekvens;
- fordeling av dreiemoment mellom for- og bakaksel i et kjøretøy med flere motorer;
- om en aksel skal gjøres strømløs eller kobles fra;
- tillatt dreiemoment basert på nåværende og forventede temperaturer.
Optimalisering av virkningsgraden må fungere sammen med respons, støy, spenningsrippel, batterigrenser og reservemarginer. En styring som for aggressivt jager et laboratorieoptimum, kan gi dårlige kjøreegenskaper eller utilstrekkelig feiltoleranse.
Regenerering og momentnøyaktighet
Regenerativ bremsing snur effektflyten, men bruker det samme grunnlaget for strømstyring. Kjøretøyet ber om negativt hjulmoment, motoren produserer elektrisk effekt, og vekselretteren sender kontrollert likestrøm tilbake til høyspenningsbussen.
Tilgjengelig regenerering kan begrenses av batteriets ladenivå, celletemperatur, grenser for ladeeffekt, dekkgrep, motorhastighet eller vekselrettertemperatur. Bremseblanding fyller forskjellen med friksjonsbremser, samtidig som ønsket retardasjon og kjøretøyets stabilitet opprettholdes.
Momentnøyaktighet er også viktig ved positiv fremdrift. Stabilitets- og antispinnsystemer er avhengige av at drivenheten leverer det ønskede dreiemomentet raskt og forutsigbart. Styringen kan anslå faktisk dreiemoment ut fra strøm, rotorposisjon, kalibrerte motorparametere og temperatur, fordi en produksjonsbil sjelden har momentsensor på hver motoraksel.
Feilhåndtering
Styringen overvåker kontinuerlig fasestrømmer, DC-mellomkretsspenning, rotorposisjon, halvleder- og motortemperatur, isolasjonsstatus og kommunikasjon. Plausibilitetskontroller sammenligner redundant informasjon. Hvis målinger ikke stemmer overens eller en grense overskrides, kan systemet redusere dreiemomentet, deaktivere en motor, stoppe koblingen eller åpne høyspenningskontaktorene.
Å slå av halvledernes porter gjør ikke enhver motor elektrisk inaktiv. En roterende permanentmagnetmotor kan fortsette å generere spenning. Utformingen av sikker tilstand tar derfor hensyn til motelektromotorisk kraft ved åpen krets, kortslutningsmoment, overrusing, feilmoduser i vekselretteren og om en annen aksel kan opprettholde kontrollert fremdrift.
Fortsett gjennom motorserien
Gå tilbake til Electric Motors and Drive Units for hele serien om motorer og drivenheter.