Penjelasan FOC (Field Oriented Control) untuk Pemula

Kontrol FOC Motor Tanpa Sikat

Dengan algoritma FOC (Field Oriented Control), Anda dapat mengendalikan putaran motor tanpa sikat dengan berbagai cara. Hal ini juga memiliki aplikasi yang luas dalam bidang robotika.

Sistem FOC

Sistem FOC adalah sistem loop tertutup di mana pengontrol menerima sinyal arus dan sudut dari sensor lalu menghitung kecepatan, posisi, dan torsi motor yang dibutuhkan berdasarkan perintah yang kami berikan. Kemudian, pengontrol mengubah perhitungan ini menjadi sinyal listrik yang sesuai untuk mengendalikan putaran motor. Inti dari sistem ini adalah metode perhitungan, yaitu algoritma FOC. Untuk memahami apa yang dihitung oleh algoritma FOC, pertama-tama kita perlu melihat prinsip-prinsip kontrol motor tanpa sikat.

Struktur Internal Motor Tanpa Sikat

Seperti yang ditunjukkan pada diagram di bawah, terdapat tiga kumparan yang disusun di sekeliling motor, yang terhubung ke enam MOSFET di luar. Saat beroperasi, kumparan tersebut tetap diam dan disebut sebagai stator. Di bagian tengah, terdapat magnet yang berputar, yang dikenal sebagai rotor.

Ketika dua MOSFET dinyalakan, arus mengalir ke dua kumparan, menghasilkan medan magnet. Ketika dua medan magnet saling tumpang tindih, mereka menciptakan medan magnet yang menyebabkan rotor berputar. Ketika rotor saling tumpang tindih dengan medan magnet, pengontrol beralih ke MOSFET lain untuk terus memutar rotor.

Kita juga dapat menyalakan ketiga MOSFET, yang menyebabkan arus mengalir ke ketiga kumparan, menghasilkan tiga medan magnet yang bergabung untuk menciptakan medan magnet yang lebih kuat daripada hanya dengan dua medan magnet. Berikut ini adalah diagram berbagai kombinasi pengalihan yang dapat menghasilkan enam medan magnet yang berbeda. Dengan terus-menerus beralih di antara medan-medan ini, rotor dapat digerakkan untuk berputar.

Ini adalah prinsip dasar kendali motor tanpa sikat.

Menciptakan Medan Magnet yang Tepat dan Terkendali

Kontrol motor brushless dasar pada dasarnya hanya membuat motor berputar, menggantikan motor sikat tradisional. Misalnya, pengontrol motor brushless yang digunakan dalam pesawat yang dikendalikan dari jarak jauh atau pengering rambut elektrik menggunakan prinsip ini. Namun, beberapa produk memerlukan lebih dari sekadar membuat motor berputar; mereka memerlukan kontrol yang lebih presisi, seperti pada sikat gigi elektrik, yang menuntut kontrol motor yang presisi. Kontrol presisi ini termasuk memungkinkan motor berputar pada kecepatan berapa pun, tetap pada posisi apa pun, dan menyesuaikan torsinya. Ini adalah masalah yang diatasi oleh algoritma FOC.

Bagaimana Algoritma FOC Mencapai Kontrol yang Tepat?

Mengendalikan Medan Magnet di Segala Arah

Kita perlu menghasilkan medan magnet di segala arah. Seperti yang disebutkan sebelumnya, ada enam medan magnet berbeda yang dihasilkan dengan mengganti MOSFET. Sekarang, kita mengganti antara V1 dan V2 selama 0.5 ms bolak-balik. Dengan mengulang proses ini, rotor akan berosilasi bolak-balik antara medan magnet V1 dan V2. Namun, jika kecepatan pergantian medan magnet cukup cepat, di luar waktu respons rotor, rotor akan tetap berada di tengah dan tidak bergerak, yang secara efektif menciptakan medan magnet baru.

Pada titik ini, dengan menyesuaikan rasio waktu medan magnet awal dalam satu siklus waktu, kita dapat mensintesis medan magnet apa pun dalam rentang ini. Metode yang sama dapat diterapkan untuk beralih di antara medan magnet yang berdekatan, yang memungkinkan kita untuk menciptakan medan magnet di segala arah dalam rentang 360°.

Mengontrol Kekuatan Medan Magnet

Pada titik ini, kita hanya menciptakan medan magnet di sembarang arah. Kita juga perlu mengendalikan kekuatan medan magnet. Metodenya sederhana: ketika tiga MOSFET dalam penyelarasan yang sama dihidupkan, kumparan tidak memiliki tegangan tetapi memiliki arus, karena kumparan bersifat induktif, dan induktansi memiliki efek kontinuitas yang mencegah arus berubah secara tiba-tiba. Oleh karena itu, arus hanya dapat meluruh pada laju tertentu daripada langsung turun ke nol. Inilah sebabnya mengapa vektor nol selalu membutuhkan tiga MOSFET atas atau tiga MOSFET bawah untuk dihidupkan, daripada menutup keenam MOSFET. Dengan memasukkan status medan magnet nol dalam siklus waktu dan menyesuaikan proporsi waktu, kita dapat mengendalikan kekuatan medan magnet sesuka hati. Dengan demikian, kita sekarang telah menciptakan medan magnet yang arah dan kekuatannya dapat dikontrol.

Penyelarasan Rotor dan Medan Magnet

Pada titik ini, Anda mungkin berpikir bahwa kita hanya perlu menghasilkan medan magnet ke arah yang kita inginkan agar rotor berputar, tetapi tidak sesederhana itu. Pertama, kita perlu menggunakan sensor sudut untuk mendeteksi posisi rotor saat ini dan kemudian menghasilkan medan magnet yang selalu tegak lurus ke arah itu. Medan magnet ini akan menarik rotor untuk bergerak ke arahnya. Begitu rotor bergerak sedikit saja, medan magnet akan mengikutinya untuk mempertahankan kesejajaran tegak lurus. Ini karena gaya yang dihasilkan dalam konfigurasi ini adalah yang terkuat dan efisiensinya paling tinggi.

Setelah kita memiliki ide ini, satu-satunya parameter yang perlu kita sesuaikan adalah kekuatan medan magnet. Dengan mengendalikan kekuatan medan magnet, kita dapat mengendalikan posisi, kecepatan, dan torsi motor brushless. Misalnya, jika kita ingin motor berputar lebih cepat, kita tingkatkan kekuatan medan magnet. Jika kita ingin motor berhenti, kita terapkan medan magnet negatif, yang menghasilkan gaya tandingan. Saat rotor berhenti, kita dapat mengatur kekuatan medan magnet ke nol. Jika ada gangguan eksternal yang menggeser posisi rotor, kita dapat menerapkan medan magnet untuk mengembalikan rotor. Ini adalah dasar dari FOC.

Sistem Loop Tertutup

Algoritme FOC yang lengkap adalah sistem loop tertutup. Kekuatan medan magnet yang disebutkan sebelumnya dihitung menggunakan data dari sensor dan perintah yang kami keluarkan, melalui perhitungan PID. Dalam praktiknya, kami menggunakan arus untuk menggantikan medan magnet karena arus dalam kumparan terkait erat dengan medan magnet: arahnya sejajar, dan besarnya proporsional. Selain itu, penggunaan sensor arus membuatnya lebih mudah. ​​Oleh karena itu, struktur topologi FOC yang sebenarnya mencakup loop arus, loop kecepatan, dan loop posisi untuk umpan balik. Sistem akan memutuskan cara mengendalikan sakelar MOSFET berdasarkan perintah kontrol input dan data sensor.