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电机控制总结

时间:2019-11-29 作者:kjdqsb 点击:

                      电机控制总结

        无刷电机属于自换流型(自我方向转换),因此控制起来更加复杂。

        BLDC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。对于闭环速度控制,有两个附加要求,即对于转子速度/或电机电流以及PWM信号进行测量,以控制电机速度功率。
 
       BLDC电机可以根据应用要求采用边排列或中心排列PWM信号。大多数应用仅要求速度变化操作,将采用6个独立的边排列PWM信号。这就提供了*高的分辨率。如果应用要求服务器定位、能耗制动或动力倒转,推荐使用补充的中心排列PWM信号。
 
        为了感应转子位置,BLDC电机采用霍尔效应传感器来提供*定位感应。这就导致了更多线的使用和更高的成本。无传感器BLDC控制省去了对于霍尔传感器的需要,而是采用电机的反电动势(电动势)来预测转子位置。无传感器控制对于像风扇和泵这样的低成本变速应用至关重要。在采有BLDC电机时,冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。
 
空载时间的插入和补充
 
       大多数BLDC电机不需要互补的PWM、空载时间插入或空载时间补偿。可能会要求这些特性的BLDC应用仅为高性能BLDC伺服电动机、正弦波激励式BLDC电机、无刷AC、或PC同步电机。
 
      许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。典型地,将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。当驱动高功率电机时,这种方法并不实用。高功率电机必须采用PWM控制,并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。
 
控制算法必须提供下列三项功能:
 
       用于控制电机速度的PWM电压
      用于对电机进整流换向的机制
     利用反电动势或霍尔传感器来预测转子位置的方法
 
        脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。有效电压与PWM占空度成正比。当得到适当的整流换向时,BLDC的扭矩速度特性与以下直流电机相同。可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。
      功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组,可根据转子位置生成*佳的转矩。在一个BLDC电机中,MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。
 
BLDC电机的梯形整流换向
      对于直流无刷电机的*简单的方法之一是采用所谓的梯形整流换向。
      嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号,它们在60度的扇形区内测量转子位置,并在电机控制器上提供这些信息。由于每次两个绕组上的电流量相等,而第三个绕组上的电流为零,这种方法仅能产生具有六个方向共中之一的电流空间矢量。随着电机的转向,电机终端的电流在每转60度时,电开关一次(整流换向),因此电流空间矢量总是在90度相移的*接近30度的位置。
因此每个绕组的电流波型为梯形,从零开始到正电流再到零然后再到负电流。这就产生了电流空间矢量,当它随着转子的旋转在6个不同的方向上进行步升时,它将接近平衡旋转。像空调和冰箱这样的电机应用中,采用霍尔传感器并不是一个不变的选择。在非联绕组中感应的反电动势传感器可以用来取得相同的结果。这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普通,但是它们在整流过程中却要遭遇转矩纹波问题。
 
AC电机控制算法
 
标量控制
 
标量控制(或V/Hz控制)是一个控制指令电机速度的简单方法。指令电机的稳态模型主要用于获得技术,因此瞬态性能是不可能实现的。系统不具有电流回路。为了控制电机,三相电源只有在振幅和频率上变化。
 
矢量控制或磁场定向控制
 
       在电动机中的转矩随着定子和转子磁场的功能而变化,并且当两个磁场互相正交时达到峰值。在基于标量的控制中,两个磁场间的角度显著变化。
 
矢量控制设法在AC电机中再次创造正交关系。为了控制转矩,各自从产生磁通量中生成电流,以实现DC机器的响应性。一个AC指令电机的矢量控制与一个单独的励磁DC电机控制相似。在一个DC电机中,由励磁电流IF所产生的磁场能量ΦF与由电枢电流IA所产生的电枢磁通ΦA正交。这些磁场都经过去耦并且相互间很稳定。因此,当电枢电流受控以控制转矩时,磁场能量仍保持不受影响,并实现了更快的瞬态响应。三相AC电机的磁场定向控制(FOC)包括模仿DC电机的操作。所有受控变量都通过数学变换,被转换到DC而非AC。其目标的独立的控制转矩和磁通。
 
磁场定向控制(FOC)有两种方法:
        直接FOC: 转子磁场的方向(Rotor flux angle) 是通过磁通观测器直接计算得到的
        间接FOC: 转子磁场的方向(Rotor flux angle) 是通过对转子速度和滑差(slip)的估算或测量而间接获得的。
 
       矢量控制要求了解转子磁通的位置,并可以运用终端电流和电压(采用AC感应电机的动态模型)的知识,通过高级算法来计算。然而从实现的角度看,对于计算资源的需求是至关重要的。
以采用不同的方式来实现矢量控制算法。前馈技术、模型估算和自适应控制技术都可用于增强响应和稳定性。
 
AC电机的矢量控制:深入了解
 
       矢量控制算法的核心是两个重要的转换: Clark转换,Park转换和它们的逆运算。采用Clark和Park转换,带来可以控制到转子区域的转子电流。这种做充许一个转子控制系统决定应供应到转子的电压,以使动态变化负载下的转矩*大化。

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