کنترل موتور PMSM با FOC؛ از پهپاد تا مفصل ربات انسان‌نما

چرا FOC، نه کنترل ذوزنقه‌ای

کنترل ذوزنقه‌ای ساده است، اما گشتاور ضربانی و صدای بالا دارد. در FOC جریان‌های فاز به چارچوب چرخان تبدیل می‌شوند (تبدیل کلارک و پارک)، در آن چارچون جریان‌ها ثابت‌اند و تنظیم‌گرهای PI به‌راحتی کار می‌کنند. نتیجه: گشتاور نرم، پاسخ سریع و بازده بالاتر در بار جزئی.

حلقه‌های کنترل و پهنای باند

قاعده: پهنای باند هر حلقه حداقل یک‌دهم حلقهٔ داخلی‌تر باشد تا پایداری تضمین شود. بیشتر نوسان‌هایی که در تنظیم FOC دیده می‌شود، از نقض همین قاعده می‌آید.

بدون حسگر یا با انکودر؟

• بک‌EMF مشاهده‌گر (SMO/PLL): مناسب سرعت‌های متوسط تا بالا؛ در سرعت نزدیک صفر اطلاعات کافی ندارد.
• تزریق جریان فرکانس پایین: راه‌اندازی از حالت سکون را ممکن می‌کند اما نویز و لرزش ایجاد می‌کند.
• انکودر مغناطیسی ۱۴ بیتی: برای رباتیک تقریباً الزامی است؛ دقت موقعیت مفصل مستقیماً به دقت انکودر وابسته است.

چرخهٔ زمانی در ربات انسان‌نما

در مفاصل گشتاور-کنترل، حلقهٔ امپدانس باید در ۱ کیلوهرتز و حلقهٔ جریان در ۲۰ کیلوهرتز بچرخد؛ یعنی زمان اجرای کل FOC کمتر از ۳۰ میکروثانیه. این عدد بدون شتاب‌دهندهٔ تریگونومتری یا جدول جست‌وجوی بهینه به‌سختی به دست می‌آید.

تنظیم عملی تنظیم‌گرها

1. ابتدا حلقهٔ جریان را با موتور قفل‌شده و منبع جریان محدود تنظیم کنید.
2. KP را آنقدر بالا ببرید که پاسخ کمی نوسانی شود، سپس ۳۰ درصد کم کنید.
3. KI را طوری انتخاب کنید که خطای حالت ماندگار در پلهٔ گشتاور در کمتر از ۱۰ میلی‌ثانیه صفر شود.
4. حلقهٔ سرعت را با بار واقعی تنظیم کنید، نه در حالت آزاد.
5. با تزریق پلهٔ گشتاور فرمان، پاسخ را ثبت و مرز پایداری را محک بزنید.

حرارت و حد توان پیوسته

گشتاور پیک موتور معمولاً دو تا سه برابر گشتاور پیوسته است، اما فقط برای چند ثانیه. سیم‌پیچ در این بازه به‌سرعت گرم می‌شود و اگر مدل حرارتی نداشته باشید، عایق سیم‌پیچ عمرش را از دست می‌دهد. یک ترمیستور داخل سیم‌پیچ و یک مدل سادهٔ حرارتی در میکروکنترلر، ارزان‌ترین بیمهٔ محصول است.