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用感应器对BLDC电动机进行磁场定向控制

作者:时间:2011-02-15来源:电子产品世界收藏
 是将电能转化为机械能的机器。在当前日常生活中极为重要,广泛用于真空吸尘器、洗碗机、电脑打印机、传真机、磁带录像机、机床、印刷机、汽车、地铁系统、污水处理厂和抽水站等多种应用领域。

  可分为三大类,分别是和通用型。顾名思义,电动机使用电源运行,而电动机则使用电源运行。通用型电动机可同时支持AC和DC电源。AC电动机包括AC感应电动机和鼠笼式电动机,其还可进一步细分为单相和多相电动机。而DC电动机则包括有刷DC电动机、无刷DC电动机(BLDC)和步进电动机。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/116807.htm

  现有的电动机控制/驱动技术:

  相对于AC电动机驱动而言,DC电动机驱动比较易于实施。DC电动机可直接通过电压—频率(V/F)驱动;即应用电压越高,频率或速度就越高。这种驱动通常实施于有刷DC电动机。

  就AC电动机驱动和某些控制器将应用DC转化为AC来驱动电动机的设备(如BLDC或PMSM)而言,我们要采用复杂的驱动算法顺序改变线圈电流方向,从而实现所需的转动方向。线圈转动的速度同电动机的运行速度成正比。我们可使用以下不同的算法:

  梯形控制:也称作六步控制法。这是一种最简单的算法。这六个转换步骤中的每一步都会在一对线圈之间形成电流路径,让第三个线圈断连。这种办法会产生较高转矩波动,导致震动和噪声,相对于其他算法的性能而言比较差。

  正弦控制:也称作电压超频整流。通过对3个线圈平稳提供(正弦)可变电流,正弦控制能解决梯形控制涉及的很多问题,从而降低转矩波动,实现平稳的转动。时变电流可用基本PI调节器进行控制,不过这在较高速率情况下会导致性能降低。

       磁场定向控制(FOC):也称作矢量控制法。FOC相对于正弦控制而言能在更高速率情况下提高效率。此外,这种方法即便在瞬态操作期间也能确保效率优化,完美保持定子和转子的流量。相对于其他所有技术而言,FOC还能就动态负载变化提供更好的性能。

  什么是磁场定向控制?

  磁场定向控制是变频驱动或变速驱动领域使用的一种方法,可通过控制电流来控制三相AC电动机的扭矩(进而控制速度)。利用FOC技术,我们能独立控制扭矩和流量。FOC法可加快动态响应速度,超出洗衣机等应用的要求。该方法还可避免转矩波动问题,无论速度高低FOC法都能实现更加平滑准确的电动机控制。

  当定子和转子的磁场垂直时,感应电动机的扭矩最大。就FOC而言,我们检测并调节定子电流,从而让转子和定子流量之间的角度为 90度,以实现最大扭矩(如下图所示):

  FOC工作在三相电流的合成矢量上,而不是分别独立控制每一个相。AC感应电动机的控制变量通过数学转换固定(DC)。这样,FOC就能和处理固定参数一样,通过模仿DC电动机的工作来控制电感电动机。

  FOC使用的方法有两种。一种是直接FOC,转子流量角度直接通过流量估算或测量进行计算。另一种是间接FOC,转子流量角度间接通过可用速度和滑移计算得出。

  涉及感应器FOC的步骤如下:

  Ia + Ib + Ic = 0

  第一步:

  检测三个定子相电流中的两个,第三个电流则用Kirchoff电流关系确定:

  Ia + Ib + Ic = 0

  其中,Ia、Ib和Ic为相电流。

 (Ia, Ib, Ic)   (Iα, Iβ)

        第二步:

  三个相电流从定子三轴系统通过克拉克转换变为双轴坐标系统: 
                                                                                                                          (Ia, Ib, Ic)  (Iα, Iβ)

       其中,Iα和β是转化为双轴坐标系统的定子电流。
                                                                                                                           (Iα, Iβ)(Id, Iq)

        第三步:

  有关元素和双轴定子电流本身具有时变属性,用传统的PI跟踪相当复杂。因此,我们根据转子位置(通过感应器或back EMF确定)让固定参考变为转动参考,其中轴元素保持常量,这样就能用传统PI控制器来抵消误差。转动通过帕克转换完成:

  

(Iα, Iβ) (Id, Iq)

        其中,Id和Iq从转子角度而言是相内和正交相定子电流。

  第四步:

  一旦矢量失去时变性,我们就能比较相应的轴矢量和参考,并就每个轴用PI控制器(见以下方程式)来确定误差校正信号。Id参考控制转子磁化通量。Iq参考则控制电动机的扭矩输出。

  第五步:

  PI控制器的相应输出随后可通过逆变帕克和克拉克转换传递,转变回3相定子参考。

  第六步:

  生成3相参考信号后,我们再用空间矢量调制(SVM)来调制PWM。

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关键词: 电动机 AC DC

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