BLDC Motor Kontrolünde Alan Yönlendirmeli Kontrol (FOC)

Bir BLDC (fırçasız DC) motoru en basit haliyle, altı adımlı komütasyonla döndürebilirsiniz. Ama düşük hızda titrer, tork dalgalıdır ve verim düşer. Alan yönlendirmeli kontrol (Field Oriented Control, FOC) bu sorunları çözer: motoru sanki bir fırçalı DC motormuş gibi, torku ve akıyı birbirinden bağımsız kontrol ederek sürer. Bu yazıda FOC'un çalışma mantığını ve bir sürücü kartında hayata geçirilmesini ele alıyoruz.

Sorun: dönen bir sistemi sabit eksende düşünmek

BLDC motorun statorunda üç faz sargısı var ve rotor döndükçe her fazdaki ideal akım sinüzoidal olarak değişir. Üç ayrı zamanla değişen büyüklüğü doğrudan kontrol etmek zordur. FOC'un temel fikri, bu üç fazlı dönen sistemi rotorla birlikte dönen iki eksenli bir koordinat sistemine taşımaktır:

• d ekseni (direct): Rotor manyetik akısıyla hizalı. Buradaki akım alanı güçlendirir veya zayıflatır.
• q ekseni (quadrature): d eksenine dik. Tork neredeyse tamamen bu akımla orantılıdır.

Bu dönüşümden sonra, sabit bir hızda dönen motorda d ve q akımları sabit DC değerler olur. Sabit bir değeri PI denetleyiciyle kontrol etmek, sinüzoidal bir referansı takip etmekten çok daha kolaydır.

Dönüşüm zinciri

FOC döngüsü her PWM periyodunda şu adımları işler:

1. Akım ölçümü: En az iki faz akımı ölçülür (üçüncüsü Kirchhoff'tan bulunur). Genelde şönt direnç + kuvvetlendirici veya hall tabanlı akım sensörü kullanılır.
2. Clarke dönüşümü: Üç faz akımı (Ia, Ib, Ic), iki eksenli sabit bir sisteme (alpha-beta) indirgenir.
3. Park dönüşümü: Alpha-beta, rotor açısı kullanılarak dönen d-q sistemine çevrilir. Burada rotor açısının doğruluğu kritiktir.
4. PI denetleyiciler: d akımı için bir, q akımı için bir PI döngüsü. Referans q akımı hız denetleyicisinden gelir; referans d akımı taban hızda genelde sıfırdır.
5. Ters Park + Ters Clarke: PI çıkışı olan d-q gerilim komutları tekrar üç fazlı sisteme çevrilir.
6. Uzay vektör modülasyonu (SVPWM): Üç fazlı gerilim komutu, altı anahtarın PWM görev oranlarına dönüştürülür. SVPWM, sinüzoidal PWM'e göre DC baradan daha iyi yararlanır.

Tüm bu zincir tipik olarak 10 ile 20 kHz arası bir frekansta, mikrosaniyeler içinde çalışır.

Rotor açısı: sensörlü mü, sensörsüz mü

FOC'un can damarı rotor açısıdır. İki yaklaşım var:

Sensörlü

• Enkoder / resolver: Yüksek çözünürlük, düşük hızda ve durmaktan kalkışta bile doğru açı. Konum kontrolü gereken uygulamalarda şart.
• Hall sensörleri: Ucuz, altı sektör çözünürlüğü. Kalkışta yönü verir; ara açı için interpolasyon gerekir.

Sensörsüz

Rotor açısı, faz gerilim ve akımlarından bir gözlemci (observer) ile tahmin edilir. Kablo ve sensör maliyetini ortadan kaldırır ama:

• Düşük hızda ve dururken geri EMF çok küçük olduğu için tahmin zayıflar. Kalkış için açık döngü veya sinyal enjeksiyonu tabanlı özel yöntemler gerekir.
• Fan, pompa gibi tork profili belirli yükler için olgun ve güvenilirdir; ani yük değişimi olan uygulamalarda ayar zorlaşır.

Sürücü kartı tarafında dikkat edilenler

• Ölü zaman (dead-time): Aynı bacaktaki üst ve alt anahtarın asla aynı anda iletimde olmaması için PWM'e ölü zaman eklenir. Bu, çıkış geriliminde bozulma yaratır; hassas uygulamalarda ölü zaman telafisi yazılımda yapılır.
• Akım ölçüm zamanlaması: Şönt ölçümü, PWM periyodunun doğru anında (alt anahtarlar iletimdeyken) örneklenmelidir. ADC tetiği PWM sayacına senkronlanır.
• Sıcaklık ve koruma: Aşırı akım kesme donanımda, yazılımdan bağımsız çalışmalıdır. MOSFET ve sargı sıcaklığı izlenip türev güç sınırlaması uygulanır.
• Hesaplama bütçesi: Clarke/Park/SVPWM ve iki PI döngüsü, seçilen PWM frekansında zamanında bitmelidir. Trigonometrik fonksiyonlar için tablo veya donanım CORDIC birimi kullanılır.

Ne zaman FOC, ne zaman daha basiti

FOC her zaman doğru cevap değildir. Sabit hızda çalışan, düşük hız performansı önemsiz bir fan için altı adımlı komütasyon daha az kaynakla iş görür. FOC şu durumlarda kendini amorti eder: geniş hız aralığı, düşük hızda yüksek tork, sessiz çalışma, hassas konum/hız kontrolü ve verim önceliği.

Özet

FOC, üç fazlı dönen bir kontrol problemini, rotorla dönen bir çerçevede iki sabit DC büyüklüğün (tork üreten q akımı, alan üreten d akımı) kontrolüne indirger. Bedeli, her PWM periyodunda çalışan Clarke/Park dönüşümleri, iki akım döngüsü ve doğru rotor açısıdır. Kartta ölü zaman, akım ölçüm zamanlaması ve donanımsal koruma doğru kurulmazsa algoritma ne kadar iyi olursa olsun sonuç hayal kırıklığı olur. Bitronix'in motor sürücü kartlarında bu katman, FOC'un ihtiyaç duyduğu senkron ADC, koruma ve hesaplama başlangıç noktası olacak şekilde tasarlanır.