شرح التحكم في عزم الدوران: دليل عملي لاختيار وحدة التحكم في محرك BLDC

تصور دراجة نارية كهربائية تقف على منحدر شديد الانحدار أثناء حمل أحد الركاب. تحافظ وحدة التحكم في السرعة على سرعة مستهدفة منخفضة، إلا أن نقرة صغيرة على دواسة الوقود يمكن أن تحول الإطلاق المتحكم فيه إلى رعشة عنيفة. الآن تصور روبوت التوصيل وهو يعبر مدخلًا ضيقًا بعض الشيء. إذا استمرت وحدة التحكم في الدفع بكامل التيار، فإن صندوق التروس يمتص التأثير. يتم حل كلتا الحالتين عن طريق التحكم في عزم الدوران، وهو وضع التشغيل الذي ينظم قوة الدوران التي ينتجها المحرك بدلاً من سرعته أو موضعه.

هذه المقالة مكتوبة للمهندسين وفرق مشروع OEM الذين يقومون بتقييم وحدات التحكم في المحركات بدون فرش للدراجات النارية الكهربائية، وشاسيه الروبوت، ومركبات ATV الكهربائية، وUTVs، والمحركات الخارجية. سنشرح ما يعنيه التحكم في عزم الدوران فعليًا في محرك BLDC أو PMSM، وكيف يحقق جهاز التحكم ذلك، وما هي المواصفات التي تحدد ما إذا كان عزم الدوران سلسًا وسريع الاستجابة في التشغيل الواقعي.

ماذا يعني التحكم في عزم الدوران في الواقع؟

ينظم التحكم في عزم الدوران التيار الذي يتم توصيله إلى المحرك بحيث يتبع عزم دوران العمود الأمر الذي يقدمه الراكب أو السائق أو وحدة التحكم في الحركة. لا يحمل السرعة المستهدفة. أنها لا تشغل موقف الدوار. ينتج المحرك ببساطة أي سرعة تنتج عن عزم الدوران المطبق والحمل المتصل بالعمود.

مقارنة بسيطة تساعد. عندما تدفع عربة يدوية، فإن ذراعيك تطبق القوة، وتتحرك العربة بأي سرعة تنتجها هذه القوة ضد مقاومة التدحرج والانحدار. تقوم ذراعيك بالتحكم في عزم الدوران. إذا قمت بقفل سرعة العربة بدلاً من ذلك، فسيكون ذلك بمثابة التحكم في السرعة.

يعد التحكم في عزم الدوران أيضًا وظيفة وقائية. إن وحدة التحكم المبرمجة بحيث لا تزيد عن 15 نيوتن متر لن تنتج ببساطة 20 نيوتن متر، حتى لو طلب السائق ذلك. إن انزلاق العجلة على الحصى السائب، أو المحرك المسدود، أو المحمل الذي تم ضبطه جزئيًا لم يعد يؤدي مباشرة إلى إجهاد مجموعة القيادة. ولهذا السبب يتم استخدام تحديد عزم الدوران بشكل متكرر كوظيفة أمان في أنظمة الحركة.

كيف توفر وحدة التحكم بدون فرش عزم الدوران المتحكم فيه

في محرك DC بدون فرش أو محرك متزامن ذو مغناطيس دائم، يتناسب عزم الدوران مع تيار عضو الإنتاج في محور التربيع. وبالتالي فإن التحكم في عزم الدوران هو التحكم الحالي. تقوم وحدة التحكم المصممة جيدًا بقياس تيارات الطور، ومقارنة المكون المنتج لعزم الدوران مع أمر عزم الدوران، وضبط نمط تبديل العاكس لتقليل الخطأ. حلقة التيار الداخلية هذه هي المكان الذي يوجد فيه التحكم في عزم الدوران فعليًا.

التحكم الميداني والحلقة الحالية

يقوم التحكم الموجه ميدانيًا، والذي يطلق عليه عادة FOC، بتحويل التيارات ثلاثية الطور المقاسة إلى مكونين في إطار مرجعي دوار: مكون ممغنط على المحور d ومكون ينتج عزم الدوران على المحور q. تقوم وحدة التحكم بتوجيه تيار المحور q ليتوافق مع عزم الدوران المطلوب وتحافظ على تيار المحور d بالقرب من الصفر بالنسبة لـ PMSM المثبت على السطح. يحدد عرض النطاق الترددي لهذه الحلقة الحالية مدى سرعة حدوث تصحيحات عزم الدوران. تتفاعل الحلقة المحدثة عند 10 إلى 20 كيلو هرتز مع تغيرات التحميل في بضعة أجزاء من الثانية، وهو الفرق بين الزحف المستقر والحركة المتعثرة بسرعة منخفضة. FOC هو السبب المركزي تستمر تكنولوجيا المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم في التحسن لتطبيقات الجر: توفر نفس الأجهزة عزم دوران أكثر سلاسة وكفاءة أعلى وفرامل متجددة من خلال تغييرات البرامج وحدها.

ردود فعل المستشعر والتشغيل بدون مستشعر

تعتمد جودة التحكم في عزم الدوران بشكل كبير على ردود فعل موضع الدوار. توفر مستشعرات Hall دقة خشنة تبلغ 60 درجة، وهو ما يكفي للتبديل شبه المنحرف ولكن ليس لعزم الدوران السلس عند السرعة المنخفضة. توفر أجهزة التشفير وأجهزة الحل زاوية دوارة مستمرة، مما يسمح لـ FOC بالحفاظ على عزم الدوران الدقيق حتى بالقرب من حالة التوقف التام. تقوم الخوارزميات التي لا تحتوي على مستشعرات بتقدير موضع الدوار من المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية، مما يزيل تكلفة المستشعر ولكن لا يمكنه الحفاظ على عزم الدوران الكامل عند السرعة الصفرية في حالة عدم وجود المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية. تستخدم العديد من محركات الإنتاج إستراتيجية هجينة: البدء المعتمد على المستشعر والتشغيل بدون مستشعر لأكثر من بضع مئات من الدورات في الدقيقة.

استشعار المرحلة الحالية لا يقل أهمية. تعتبر مقاومات التحويل ذات الجانب المنخفض غير مكلفة ولكنها حساسة للضوضاء؛ تكلف أجهزة استشعار الطور المتكاملة أكثر وتوفر قياسًا أنظف عند التيارات المنخفضة. يقوم تردد أخذ العينات وتصفية الإشارة الحالية بتعيين تموج عزم الدوران العملي الذي يظهر على العمود، لذلك يجب قراءة أرقام عزم الدوران في ورقة البيانات مع بنية الاستشعار المستخدمة في وحدة التحكم.

لماذا يعتبر التحكم في عزم الدوران مهمًا في التطبيقات الحقيقية

يعمل التحكم في عزم الدوران على تغيير السلوك القابل للقياس في كل فئة من فئات التطبيقات الرئيسية في مجال التنقل الكهربائي والروبوتات.

• دراجات نارية كهربائية. إطلاق متحكم فيه على المنحدرات، ومنع انزلاق العجلات على الأسفلت الرطب، والكبح المتجدد الذي يطبق عزم دوران سلبيًا على منحدر سلس. بدون حدود عزم الدوران، يمكن للمحرك أن يعمل بعنف عندما يقوم الراكب بتحريك دواسة الوقود.
• هيكل الروبوت. يعمل نظام تحديد عزم الدوران على حماية التروس والمحركات أثناء الاصطدامات. عندما يصطدم روبوت متنقل مستقل بعائق غير متوقع، تقوم وحدة التحكم بتغطية التيار بدلاً من تغذية نظام نقل الحركة بالطاقة الكاملة.
• مركبات ATV وUTVs الكهربائية. يتطلب الزحف منخفض السرعة على الأراضي غير المستوية خرجًا دقيقًا وعزم دوران منخفضًا. يميل نظام التحكم في السرعة إلى الارتفاع عندما تفقد العجلات قوة الجر وتستعيدها.
• المحركات الكهربائية الخارجية. يتطلب الدفع المستمر ضد التيار والرياح أن تستجيب وحدة التحكم لتغيرات الحمل بشكل أسرع من حلقة السرعة.

ال التكيف متعدد السيناريوهات لمنتجات محرك السيارات يعكس بالضبط هذا الطلب: يجب أن تتعامل منصة تحكم واحدة مع مجموعة واسعة من أوامر عزم الدوران، بدءًا من عجلات الروبوت الصغيرة وحتى خطوط الدفع الكبيرة للمركبات الرباعية.

المواصفات الرئيسية التي تحدد جودة عزم الدوران

عند توفير وحدة تحكم لتطبيق حساس لعزم الدوران، فإن تصنيف التيار المستمر وتيار الذروة هما فقط نقطة البداية. المواصفات التالية لها تأثير كبير على سلوك عزم الدوران.

1. معدل تحديث الحلقة الحالية. يؤدي معدل التحديث الأعلى، عادةً من 10 إلى 20 كيلو هرتز، إلى تقليل التأخير بين تغيير أمر عزم الدوران والتغيير الفعلي في عزم الدوران على العمود.
2. تردد بوم. يؤدي تردد التبديل الأعلى إلى تقليل تموج التيار والضوضاء المسموعة ولكنه يزيد من خسائر التبديل. تختار وحدات التحكم التي تهدف إلى التشغيل الهادئ التردد الذي يوازن بين الاثنين.
3. دقة الاستشعار الحالية والضوضاء. ال smallest measurable current step sets the smallest torque step. A noisy sensing circuit produces torque chatter at low load.
4. تموج عزم الدوران. يحافظ تموج عزم الدوران المنخفض على سلاسة الدوران بسرعة منخفضة، وهو أمر مهم لمفاصل الروبوت والمراوح.
5. القدرة على التحميل الزائد. عادةً ما تتجاوز ذروة عزم الدوران العابر عند بدء التلال والتعامل مع العوائق التصنيف المستمر. تحقق من منحنى التحميل الزائد مقابل دورة العمل الحقيقية.
6. الrmal behaviour. يتم ضبط عزم الدوران المستدام من خلال التصميم الحراري لوحدة التحكم. تعمل وحدة التحكم التي تعمل على الاختناق مبكرًا على تقليل عزم الدوران المتوفر أثناء التشغيل الممتد بصمت.

جودة المكونات لها أهمية تتجاوز الأرقام. يقوم محرك يتم التحكم فيه بعزم الدوران بتبديل تيار الطور مئات المرات في الثانية، وأي مقاومة متقطعة في الموصلات أو مفاصل اللحام تظهر كضوضاء قياس حالية تصبح ثرثرة عزم الدوران. وهذا هو السبب في أن الجودة المادية للأجهزة هي مواصفات هندسية مشروعة، وليست مجرد ادعاء تسويقي.

ومن الجدير أيضًا التحقق من أرقام تموج عزم الدوران في ورقة البيانات مع المحرك الفعلي أثناء اختبار النموذج الأولي. يقوم المصنعون بقياس تموج عزم الدوران في ظل ظروف خاضعة للرقابة والتي قد لا تتطابق مع إطار الإنتاج، أو محاثة ملف محددة، أو تردد PWM الذي يخطط المشروع لاستخدامه. سيكشف اختبار المقعد القصير الذي يسجل عزم الدوران عند نقاط سرعة متعددة عن معظم المشكلات التي أصبحت فيما بعد شكاوى ميدانية.

مطابقة وحدة التحكم للمحرك ودورة العمل

يعد أداء التحكم في عزم الدوران إحدى خصائص النظام، وليس خاصية وحدة التحكم بشكل منفصل. يتم ضبط الحلقة الحالية على محاثة ومقاومه لف المحرك. قم بتوصيل نفس وحدة التحكم بمحرك بمعلمات مختلفة ويمكن أن تصبح استجابة عزم الدوران متذبذبة أو بطيئة. ولهذا السبب فإن إقران وحدة التحكم والمحرك كجزء من تصميم النظام له أهمية أكبر من اختيار أي مكون على حدة.

بالنسبة للتطبيقات التي تحتاج إلى استجابة سريعة لعزم الدوران، فإن R5-2215 وحدة تحكم محرك DC بدون فرش سريعة الاستجابة تم تصميمه لتقليل التأخير بين أمر عزم الدوران وعزم دوران العمود الميكانيكي. بالنسبة للمنصات الحساسة للكفاءة مثل الدراجات النارية الكهربائية الحضرية، فإن A4-2313 وحدة تحكم محرك DC بدون فرش عالية الكفاءة يحمل عزم الدوران بدقة مع تقليل الخسائر الكهربائية. بالنسبة للبنيات ذات الجهد العالي والطاقة العالية التي تتطلب عزم دوران ديناميكي، فإن وحدة تحكم المحرك عالية الأداء من سلسلة T يغطي المظروف الأوسع الذي تتطلبه عادةً مركبات ATV وUTVs ومنصات الروبوت الأكبر حجمًا.

مصنعون لوحدات تحكم المحركات عالية الأداء من سلسلة T APT - T300 T400 T500 T720 T1000 T1400 T1800 مصنع وحدات التحكم في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم، وحدة التحكم في المحركات عالية الأداء من سلسلة T... عرض المنتج →

A4 عالية الكفاءة الموردين وحدة تحكم محرك DC بدون فرشات ، المصنع - شنغهاي أ APT عبارة عن موردي وحدات تحكم محرك DC بدون فرشات عالية الكفاءة مقاس A4 وبالجملة مصنع وحدات تحكم محرك DC بدون فرشات عالي الكفاءة A4... عرض المنتج →

R5 استجابة سريعة وحدة تحكم محرك DC بدون فرشات ، مصنع - شنغهاي APT APT هي شركة R5 لموردي أجهزة التحكم بمحرك DC بدون فرشات سريعة الاستجابة ومصنع أجهزة التحكم بمحرك DC بدون فرشات سريع الاستجابة R5 بالجملة في... عرض المنتج →

تلعب البرمجيات دورًا مركزيًا هنا. يتم تكوين تشكيل منحدر عزم الدوران، وضبط الحلقة الحالية، وسلوك الخطأ في البرامج الثابتة، بحيث يمكن ضبط نفس الجهاز لدراجة الشحن الإلكترونية، أو الكرسي المتحرك، أو محرك بحري. يعد تحويل إدارة عزم الدوران إلى برنامج أحد موضوعات المقالة التفصيلية حول دور البرمجيات في أجهزة التحكم بالمحركات الحديثة .

الاستنتاج

التحكم في عزم الدوران ليس مكونًا أو خوارزمية واحدة. يتم تشغيله من خلال سلسلة الاستشعار الحالية، وتعليقات موضع الدوار، والبرامج الثابتة للحلقة الحالية، ومرحلة العاكس، وجودة الموصل المادي. بالنسبة لمصنعي المعدات الأصلية الذين يصنعون السيارات الكهربائية والآلات المحمولة، فإن القدرة على تنظيم عزم الدوران بسلاسة تحدد ما إذا كان المنتج يمكن التنبؤ به وصقله تحت الأحمال الحقيقية. يعد تقييم النطاق الترددي للحلقة الحالية، وتموج عزم الدوران، وسلوك التحميل الزائد، وقابلية تكوين البرامج أثناء مرحلة اختيار وحدة التحكم هي الطريقة الأكثر مباشرة لتجنب إعادة هندسة إمكانية القيادة لاحقًا في المشروع.