Comprensione del FOC (controllo orientato al campo) nei controllori BLDC

Introduzione: Perché gli algoritmi di controllo sono importanti negli azionamenti elettrici

Con l'evoluzione della mobilità elettrica, gli utenti si aspettano motori non solo potenti ma anche fluidi, silenziosi ed efficienti dal punto di vista energetico.

Qui è dove FOC - Controllo orientato al campo - diventa una tecnologia determinante.

In parole povere, il FOC permette al controllore di pilotare un Motore BLDC (Brushless DC) come un strumento sintonizzato con precisione, regolando la coppia e la velocità in tempo reale.

Per le biciclette, gli scooter e i motocicli elettrici, ciò significa che risposta immediata, accelerazione più fluida, maggiore efficienza e minore rumorosità.

A JRAHK, il nostro Controllori sinusoidali FOC a tre modalità della serie Gold sono costruiti attorno a questo concetto di controllo avanzato, portando prestazioni di alto livello alla prossima generazione di veicoli elettrici personali e industriali.

L'evoluzione da onda quadra a FOC

I tradizionali controllori per motori BLDC utilizzati onda quadra (o trapezoidale) commutazione - un metodo semplice che commuta la corrente tra le fasi del motore ogni 60 gradi.

Pur essendo efficace, presenta dei limiti:

• Rumore del motore udibile
• Uso meno efficiente dell'energia
• Ondulazione di coppia a bassa velocità

Per superare questi problemi, gli ingegneri hanno sviluppato onda sinusoidale controllo - pilotaggio del motore con forme d'onda di corrente sinusoidali.

Questo ha già reso il funzionamento più fluido.

Ma la FOC è andata oltre:

Invece di controllare ogni fase in modo indipendente, trasforma il controllo del motore in un quadro di riferimento rotante, allineando dinamicamente i campi magnetici per coppia massima e perdita minima.

In altre parole, FOC non si limita a immettere corrente nel motore, ma “pensa” a dove per spingerlo.

Il principio del controllo orientato al campo

Per capire il FOC, immaginate che un motore BLDC abbia due campi magnetici:

• Il campo del rotore (creato dai magneti permanenti)
• Il campo statorico (creato dalla corrente negli avvolgimenti del motore)

L'obiettivo è mantenere questi due campi perpendicolare (a 90° l'uno dall'altro) in ogni momento - questo garantisce la massima coppia erogata con la minima potenza elettrica.

La trasformazione di coordinate d-q

Invece di pensare a tre fasi motorie (A, B, C), il FOC le converte matematicamente in due componenti virtuali:

• asse d (asse diretto) - si allinea con il campo magnetico del rotore
• Asse q (asse di quadratura) - perpendicolare al campo del rotore

Il controllore poi:

1. Misura o stima la posizione del rotore (utilizzando sensori di Hall o back-EMF).
2. Converte le correnti trifase nel quadro d-q (usando Trasformazioni di Clarke e Park).
3. Regola separatamente la corrente dell'asse d (flusso magnetico) e la corrente dell'asse q (coppia).
4. Li riconverte in segnali trifase e li applica tramite PWM ai MOSFET.

Ciò consente controllo vettoriale - controllo della coppia lineare, rapido ed efficiente.

FOC in azione: Esempio del mondo reale da JRAHK

Prendiamo il Controllore FOC sinusoidale a tre modalità della serie Gold di JRAHK come esempio.

Quando si gira l'acceleratore o si inizia a pedalare:

• Il controllore calcola istantaneamente la posizione e la velocità del rotore.
• Gli algoritmi FOC determinano i valori ideali di corrente d-q.
• I MOSFET vengono commutati con segnali PWM ad alta frequenza per modellare la forma d'onda della corrente.
• Il risultato: coppia fluida, funzionamento silenzioso e utilizzo efficiente della batteria.

Anche in caso di accelerazione rapida o di carico pesante (come la salita di una collina o il trasporto di un carico), il motore risulta stabile e prevedibile, perché il circuito FOC mantiene ottimizzati in tempo reale la coppia magnetica e il flusso.

Requisiti hardware per FOC

L'implementazione del FOC richiede una maggiore precisione di calcolo e un feedback del sensore rispetto a un sistema a onda quadra.

Ecco perché i controllori FOC avanzati come quelli di JRAHK utilizzano una combinazione di:

Questa integrazione di rilevamento, calcolo ed elettronica di potenza rende un controllore FOC molto più “intelligente” di un semplice driver a onda quadra.

Vantaggi del controllo FOC

Il controllo orientato al campo offre miglioramenti misurabili in termini di prestazioni, comfort ed efficienza:

Nei test condotti su diverse applicazioni per veicoli elettrici, FOC ha dimostrato che 5-15% maggiore efficienza complessiva rispetto al controllo standard a sei fasi, in particolare in condizioni di carico variabile.

Sensore vs. FOC senza sensore

I controllori FOC di JRAHK supportano entrambe le modalità di controllo:

FOC sensorizzato

Utilizza sensori di Hall o encoder per determinare la posizione del rotore.

• Pro: Eccellente avvio a bassa velocità e coppia in salita.
• Ideale per: Moto da carico, e-motori, applicazioni industriali.

FOC senza sensore

Stima la posizione in base alla retroazione della FEM e della corrente.

• Pro: Meno fili, costo inferiore, maggiore durata (nessun guasto al sensore).
• Ideale per: Scooter condivisi, biciclette elettriche a media velocità e sistemi sigillati.

Rilevamento automatico a doppia modalità

Molti modelli JRAHK sono dotati di rilevamento automatico - il controllore identifica la presenza di sensori e passa all'algoritmo corretto, garantendo una versatilità plug-and-play.

Confronto tra FOC e controllori convenzionali

Combinando hardware a onda sinusoidale con Algoritmi FOC, JRAHK raggiunge sia la fluidità che l'efficienza, senza compromettere l'affidabilità.

Caratteristiche di progettazione dei controllori FOC di JRAHK

JRAHK Serie Oro a tre modalità dimostra l'aspetto di una piattaforma FOC avanzata:

• Gamma di potenza: 250 W - 5000 W
• Opzioni di tensione: 36 V - 84 V
• Varianti del tubo MOS: 6 / 9 / 12 / 15 / 18 / 24
• Manipolazione attuale: Fino a 80 A continui
• Modalità di controllo: Onda sinusoidale, FOC, onda quadra
• Protocolli: Interfaccia UART per la comunicazione con il display
• Protezione: Sovratensione, sovracorrente, sovratemperatura, inversione di polarità

Ogni modello è costruito in un alloggiamento in alluminio ad alta resistenza per un'efficiente dissipazione del calore, garantendo un funzionamento affidabile in condizioni di carico elevato e di servizio continuo.

Applicazioni dei controllori FOC

Grazie alla loro coppia fluida e all'elevata precisione, i controllori FOC sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni:

• Biciclette elettriche e cargo bike di alta gamma - per una sensazione di pedalata silenziosa e naturale
• Scooter elettrici - accelerazione dolce e frenata rigenerativa
• Moto elettriche - coppia elevata e forte accelerazione
• Robotica e AGV - controllo preciso del movimento e bassa rumorosità
• Azionamenti industriali - funzionamento continuo ed efficiente

In ogni caso, i benefici si traducono direttamente in maggiore durata della batteria, funzionamento del raffreddatore, e migliore comfort per il pilota.

Prospettive future: Verso sistemi FOC intelligenti

Con la continua evoluzione delle tecnologie IoT e AI, la prossima generazione di controllori FOC si integrerà:

• Algoritmi di apprendimento adattivi per i loop di controllo autoregolati
• Connettività cloud per il monitoraggio delle prestazioni
• Diagnostica predittiva per la salute del motore e della batteria
• Comunicazione CAN e BLE per l'integrazione dei veicoli intelligenti

La tabella di marcia di JRAHK in materia di R&S è già allineata a queste tendenze - sviluppando controllori BLDC intelligenti che riuniscono la gestione intelligente dell'alimentazione e la connettività dei dati in un'unica piattaforma.

Conclusione

Il controllo orientato al campo rappresenta l'avanguardia della tecnologia dei motori brushless.

Allineando continuamente i campi magnetici all'interno del motore, FOC raggiunge un perfetto equilibrio di potenza, efficienza e fluidità.

Per i produttori e i motociclisti, questo significa:

• Veicoli più silenziosi
• Risposta più rapida
• Gamma più lunga
• Gestione intelligente dell'energia

A JRAHK, La nostra missione è rendere questi vantaggi accessibili a tutta la mobilità elettrica, dalle biciclette elettriche leggere alle moto ad alte prestazioni.

Grazie ad anni di ricerca e sviluppo nel campo del controllo intelligente dei motori, la nostra Controllori sinusoidali FOC non sono solo componenti, ma sono la base per un futuro di trasporto elettrico più fluido ed efficiente.