Giải thích về FOC (Kiểm soát hướng trường) cho người mới bắt đầu

Điều khiển FOC động cơ không chổi than

Với thuật toán FOC (Field Oriented Control), bạn có thể điều khiển vòng quay của động cơ không chổi than theo nhiều cách khác nhau. Điều này cũng có ứng dụng rộng rãi trong robot.

Hệ thống FOC

Hệ thống FOC là một hệ thống vòng kín trong đó bộ điều khiển nhận tín hiệu dòng điện và góc từ các cảm biến và sau đó tính toán tốc độ, vị trí và mô-men xoắn cần thiết của động cơ dựa trên các lệnh chúng tôi cung cấp. Sau đó, nó chuyển đổi các phép tính này thành các tín hiệu điện tương ứng để điều khiển vòng quay của động cơ. Cốt lõi của hệ thống này là phương pháp tính toán, đó là thuật toán FOC. Để hiểu thuật toán FOC đang tính toán những gì, trước tiên chúng ta cần xem xét các nguyên tắc điều khiển của động cơ không chổi than.

Cấu trúc bên trong của động cơ không chổi than

Như thể hiện trong sơ đồ bên dưới, có ba cuộn dây được sắp xếp xung quanh động cơ, được kết nối với sáu MOSFET bên ngoài. Khi hoạt động, các cuộn dây vẫn đứng yên và được gọi là stato. Ở giữa, có một nam châm quay, được gọi là rotor.

Khi hai MOSFET được bật, dòng điện chạy vào hai cuộn dây, tạo ra từ trường. Khi hai từ trường chồng lên nhau, chúng tạo ra từ trường khiến rotor quay. Khi rotor chồng lên từ trường, bộ điều khiển chuyển sang MOSFET khác để tiếp tục quay rotor.

Chúng ta cũng có thể bật cả ba MOSFET, khiến dòng điện chạy vào cả ba cuộn dây, tạo ra ba từ trường kết hợp để tạo ra từ trường mạnh hơn so với chỉ có hai. Dưới đây là sơ đồ các tổ hợp chuyển mạch khác nhau có thể tạo ra sáu từ trường khác nhau. Bằng cách liên tục chuyển đổi giữa các từ trường này, rôto có thể được điều khiển để quay.

Đây là nguyên lý cơ bản của điều khiển động cơ không chổi than.

Tạo ra một từ trường chính xác và có thể kiểm soát được

Kiểm soát động cơ không chổi than cơ bản về cơ bản chỉ làm cho động cơ quay, thay thế cho động cơ chổi than truyền thống. Ví dụ, bộ điều khiển động cơ không chổi than được sử dụng trong máy bay điều khiển từ xa hoặc máy sấy tóc điện sử dụng nguyên lý này. Tuy nhiên, một số sản phẩm đòi hỏi nhiều hơn là chỉ làm cho động cơ quay; chúng cần kiểm soát chính xác hơn, chẳng hạn như trong bàn chải đánh răng điện, đòi hỏi kiểm soát động cơ chính xác. Kiểm soát chính xác này bao gồm cho phép động cơ quay ở bất kỳ tốc độ nào, giữ nguyên ở bất kỳ vị trí nào và điều chỉnh mô-men xoắn của nó. Đây là những vấn đề mà thuật toán FOC giải quyết.

Thuật toán FOC đạt được khả năng kiểm soát chính xác như thế nào?

Kiểm soát từ trường theo bất kỳ hướng nào

Chúng ta cần tạo ra từ trường theo bất kỳ hướng nào. Như đã đề cập trước đó, có sáu từ trường khác nhau được tạo ra bằng cách chuyển mạch MOSFET. Bây giờ, chúng ta chuyển đổi giữa V1 và V2 trong 0.5ms qua lại. Bằng cách lặp lại quá trình này, rôto sẽ dao động qua lại giữa các từ trường của V1 và V2. Tuy nhiên, nếu tốc độ chuyển mạch của từ trường đủ nhanh, vượt quá thời gian phản hồi của rôto, rôto sẽ vẫn ở giữa và không di chuyển, tạo ra một từ trường mới.

Tại thời điểm này, bằng cách điều chỉnh tỷ lệ thời gian của các từ trường ban đầu trong một chu kỳ thời gian, chúng ta có thể tổng hợp bất kỳ từ trường nào trong phạm vi này. Phương pháp tương tự có thể được áp dụng để chuyển đổi giữa các từ trường liền kề, cho phép chúng ta tạo ra các từ trường theo bất kỳ hướng nào trong phạm vi 360°.

Kiểm soát cường độ từ trường

Đến thời điểm này, chúng ta chỉ tạo ra từ trường theo bất kỳ hướng nào. Chúng ta cũng cần kiểm soát cường độ từ trường. Phương pháp này rất đơn giản: khi ba MOSFET cùng căn chỉnh được bật, các cuộn dây không có điện áp nhưng có dòng điện, vì các cuộn dây có độ cảm, và độ tự cảm có hiệu ứng liên tục ngăn dòng điện thay đổi đột ngột. Do đó, dòng điện chỉ có thể giảm ở một tốc độ nhất định chứ không giảm xuống 0 ngay lập tức. Đây là lý do tại sao vectơ 0 luôn yêu cầu ba MOSFET trên hoặc ba MOSFET dưới được bật, thay vì cả sáu MOSFET đều đóng. Bằng cách chèn trạng thái từ trường bằng 0 trong một chu kỳ thời gian và điều chỉnh tỷ lệ thời gian, chúng ta có thể kiểm soát cường độ từ trường theo ý muốn. Do đó, bây giờ chúng ta đã tạo ra một từ trường có thể kiểm soát được hướng và cường độ.

Căn chỉnh từ trường và rotor

Lúc này, bạn có thể nghĩ rằng chúng ta chỉ cần tạo ra một từ trường theo hướng mà chúng ta muốn rotor quay, nhưng không đơn giản như vậy. Đầu tiên, chúng ta cần sử dụng một cảm biến góc để phát hiện vị trí hiện tại của rotor và sau đó tạo ra một từ trường luôn vuông góc với hướng đó. Từ trường này sẽ thu hút rotor di chuyển về phía nó. Ngay khi rotor di chuyển dù chỉ một chút, từ trường sẽ đi theo nó để duy trì sự căn chỉnh vuông góc. Điều này là do lực được tạo ra trong cấu hình này là mạnh nhất và hiệu suất là cao nhất.

Khi đã có ý tưởng này, thông số duy nhất chúng ta cần điều chỉnh là cường độ từ trường. Bằng cách kiểm soát cường độ từ trường, chúng ta có thể kiểm soát vị trí, tốc độ và mô-men xoắn của động cơ không chổi than. Ví dụ, nếu chúng ta muốn động cơ quay nhanh hơn, chúng ta tăng cường độ từ trường. Nếu chúng ta muốn động cơ dừng lại, chúng ta áp dụng từ trường âm, tạo ra lực phản kháng. Khi rô-to dừng lại, chúng ta có thể đặt cường độ từ trường về 0. Nếu có nhiễu loạn bên ngoài làm dịch chuyển vị trí của rô-to, chúng ta có thể áp dụng từ trường để đưa rô-to trở lại. Đây là cơ sở của FOC.

Hệ thống vòng kín

Thuật toán FOC hoàn chỉnh là một hệ thống vòng kín. Cường độ từ trường được đề cập trước đó được tính toán bằng cách sử dụng dữ liệu từ các cảm biến và các lệnh chúng tôi đưa ra, thông qua các phép tính PID. Trong thực tế, chúng tôi sử dụng dòng điện để thay thế từ trường vì dòng điện trong các cuộn dây có liên quan chặt chẽ với từ trường: hướng của chúng được căn chỉnh và độ lớn của chúng tỷ lệ thuận. Ngoài ra, việc sử dụng các cảm biến dòng điện làm cho nó thuận tiện hơn. Do đó, cấu trúc tôpô FOC thực tế bao gồm các vòng lặp dòng điện, vòng lặp tốc độ và vòng lặp vị trí để phản hồi. Hệ thống sẽ quyết định cách điều khiển các công tắc MOSFET dựa trên các lệnh điều khiển đầu vào và dữ liệu cảm biến.