了解电机控制相关知识

电磁学的实验始于19世纪早期,由像迈克尔法拉第这样的科学家领导。第一台实用电动机是1834年由托马斯·达文波特发明的。这种直流电动机利用固定的电磁铁作为定子,形成一个固定的磁场。转子,电动机的运动部件,也是由电流驱动的电磁铁,通过换向器和刷转移。虽然自达文波特时代以来,刷式直流电动机的基本工作原理基本保持不变,但在技术、材料和设计方面取得了巨大进展,从而提高了效率、可靠性和更广泛的应用。

有一个传说,1882年,尼古拉特斯拉在布达佩斯(今天是匈牙利的首都,但后来是匈牙利王国)的一个城市公园里散步,与朋友交谈。突然间,他受到启发,背诵歌德的《浮士德》中的台词。当他看着日落时,他看到了一个旋转磁场,构思出了异步电动机的原理,他很快在尘土弥漫的小路上画出了这个原理。

异步电动机的移动部件较少,不需要刷,而刷是当时直流电动机不可分割的一部分。这使得它们更健壮,更不容易发生故障,并且需要更少的维护。这些电动机在较高的速度下效率更高,由于它们使用交流电(AC),它们自然地与交流电系统保持一致,由于尼古拉·特斯拉的缘故,交流电系统由于能够在最小的损耗下长距离传输电能,因而也变得占主导地位。如今,异步电动机仍然是业界最常用的电动机。

除了这些优点之外,异步电动机还有一些没有直流电动机的缺点。直流电动机有能力在启动时立即产生高扭矩,这对需要强启动扭矩的应用是有用的。与异步交流电动机相比,刷型直流电动机具有相对线性的特性,能够快速响应控制信号的变化,使其适合于需要快速响应的应用。

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一种新型电动机结合了异步交流电动机和灌木型直流电动机的许多优点,即"永磁同步电动机"。PMSM是一种先进的三相电动机,在转子内安装了坚固的永久磁铁。当电流通过电动机的定子(电动机的固定部分)时,就会产生一个电磁场,它与转子的永磁磁场相互作用,导致转子转动。转子的转速与电源的频率同步,因此被称为"同步"电动机。这种独特的结构使得功率密度比其他可用的电动机类型明显增加。尽管PMSM发动机的基本概念和理论早已为人所知,随着尖端电子和控制技术的发展,它们的广泛使用和商业化始于20世纪末和21世纪初。从工业驱动到汽车,PMSM电动机在各种应用中都很受欢迎。许多现代电动汽车使用PMSM电动机是因为它们的效率、功率密度和广泛的运行速度。

另一种需要考虑的类型是BDH,它代表无刷直流电动机。顾名思义,这些电动机没有刷。虽然他们与pms有相似之处,因为两者都使用永久磁铁,但他们的操作不同。PMS在正弦电流上工作,通常需要更复杂的控制策略。另一方面,BDH电动机工作的步进(梯形)电压更大,并使用哈尔传感器或其他方法跟踪转子的位置。

还有各种其他类型的电动机,包括步进电机和开关磁阻电机等。然而,本文将主要侧重于对PMSM的控制。

汽车控制结合了各种工程学科,这使它特别引人入胜。这些学科包括电力电子学、模拟电子学、数字电子学、控制理论、数字信号处理和嵌入式软件工程。此外,机械和热工程在设计和优化过程中起着至关重要的作用.

现场电动机控制:弥合直流和PMS电动机之间的差距

深入分析直流电动机的电分析,突出表明了独立控制定子和转子励磁的能力。这种独立的控制机制保证了转矩的产生和磁通量的明显调整.

当pms基于不同的基本原理运行时,它们与直流电动机有一个重要的特性:只有定子电流受控制。在PMS中,磁通量和转矩之间的相互依赖性来自于永磁对转子励磁的利用。

直接轴和正交轴电流组件

FOC,又称矢量控制,是一种复杂的控制方法,旨在复制直流电动机对转矩和通量的独特控制。这需要转子和定子磁场之间的正交性。

使用数学变换,特别是公园和克拉克的数学变换,FOC成功地将转矩与通量脱钩。要想有效地实现FOC,就必须明白,精确的转子定位和对定子绕组电流的熟练控制是不可商量的。

FOC中使用的数学变换

通过将三相ABC参考框架转换为DQ协调系统,FAC在电动机控制方面提供了一个重大飞跃。这种变换为两个轴上几乎均匀的磁场铺平了道路。结果是什么?一种系统,可以促进在两个DQ方向的电流的独立控制,类似于保持速度的电机,与定子绕组引起的磁场同步。

三相电动机固有的冗余意味着其相(A,B,C)之间的电流是相互依存的。这种相互依存关系确保了从两个阶段获得价值的过程中立即发现第三个阶段,从而减少了对第三维度的需求。从 广播公司 到 数据量坐标响应数学坐标的变化,类似于从笛卡尔坐标向极坐标的过渡。这一变化使我们的视角与转子的磁场相一致,为控制器提供了一个简单的、准平稳的表示。尺寸缩减的控制优势不仅仅是数学上的优雅,还在于控制的容易性。通过将尺寸从3缩小到2,电动机控制器可以单独管理扭矩和通量组件,使整体控制更加直观和有效。

控制器

电机控制器除了具有控制转矩的能力外,还具有控制转速甚至转子位置的能力。位置控制与轨迹生成技术和其他相关方法密切相关。然而,在这方面,我们的主要重点将是控制电动机的速度和扭矩。

由于PMSM的电压、电流、磁场和机械动力学之间的内在关系,它通常被描述为一个非线性系统。在分析某一特定操作点或平衡点的PMSM时,可以将其近似为线性系统,并可以成功地应用于控制技术,如530控制器。

为了调节电动机的速度,可以采用传统的级联方法,采用两个PI控制器。

控制器

速度控制器(外环) 控制电动机的速度,与内循环相比,运行更慢。当一个目标值,例如一个特定的电机速度,被设置为这个循环,它的输出级联下降,成为内环的参考,表示所需的扭矩。这种分层结构确保系统反应更快,并加强其对抗干扰的能力。

电动机控制的速度控制器也可以使用复杂的控制技术来制作.在传统方法之外,模型预测控制、自适应控制、神经网络、状态空间控制和模糊控制系统等先进方法为设计和优化提供了创新途径。与更复杂的控制技术相比,低计算开销、简单性、健壮性和直接性控制器的调整提供了显著的优势。一个精心调整的IP速度控制器,加上增益调度和其他补偿,应该足以满足大多数应用。

扭矩/电流控制器(内环) 及时采取行动抵消干扰,主要关注系统的可测量方面,如转矩或电流。考虑到转矩与电流密切相关,这个循环的主要目标是在不过度的情况下进行快速调整。主计长采取了系统的做法。首先,它测量电机电流、直流电压和转子角。利用帕克克拉克变换,然后将三相电流转换成一个旋转的DQ框架,产生两个不同的数量。随后,转矩(与Q-电流成正比)被控制。

然后,控制器通过逆帕克克拉克变换从控制器输出中确定定子电压,并将这些电压转换成适合于三相压波M逆变器的双环电压。

面向磁场转矩控制器块图

上图突出显示了FOC转矩控制器的基本部件。它的主要输入来自于q-电流，它直接对应于电机产生的转矩。与q电流外，与q电流正交的d电流在PMS电机的FOC中起着至关重要的作用。q电流与转矩直接相关，而d电流负责控制电机中的磁通量。在正常工作条件下，PMSM的d电流被理想地设置为零。这是因为电机固有的磁场是从永磁体中获得的，而任何由非零d电流引起的额外通量都会降低效率，而且通常是不必要的。保持d电流在零可以优化每安培的扭矩，确保电机有效运行，不会产生过多的热量。然而，在像磁场减弱这样的情况下，d电流从这个零值调整，以允许操作超过电机的基本速度。正确管理d流，保持在零，必要时调整，确保最佳电机效率，防止退磁虽然某些功能块需要硬件实现,但控制器的核心逻辑主要是在单片机、DSP或FPGA中作为软件执行的。该位置传感器便于在全速度下,特别是在较低速度下,电动机的FOC操作。

电机控制器硬件

电动机控制器的主要HW部件

为了实现永磁同步电动机控制器,需要有下列基本硬件部件:

电力供应: 驱动电动机和控制电路的电力来源.它必须符合电动机的电压和电流要求,并提供稳定的电压和电流,没有重大波动,以确保电动机运行一致。

在电动机控制器中,通信接口、反馈传感器、控制逻辑、闸门驱动器和辅助系统可能需要电流隔离,以确保无噪音操作,防止电压峰值,并在各个部件之间保持可靠的性能。需要注意的是,电隔离的需要取决于电动机控制器的具体应用、环境和设计考虑。

转换器:从电源转换成三相交流(AC)以驱动PMSM的直流设备。在一个三相逆变桥中,有六个开关三对排列。每对都处理三个阶段中的一个。在每个阶段,一个开关管理正的半周期,而另一个管理负的半周期。脉冲宽度调制信号控制这些开关.这些信号的调制方式决定了每一个相位交流输出电压的大小、频率和波形。逆变器从两个称为直流链路的终端接收其直流电压输入.电容器通常包括在直流连接中,以稳定和滤波直流电压.作为输出,逆变器产生三种交流波形.这些波形典型地是正弦型的,它们之间有120度的相位。在许多逆变器设计中,每一个开关,无论是IGBT或MOSFET,都与反平行设置中的二极管配对。这种配置确保当开关关闭时,相应的二极管为电流提供了一条通道,防止潜在的危害。这种装置也有助于电感电流的再循环,这在运动操作中很常见。一种常见的电动机操作.一种常见的电动机操作.

逆变器三相MOSFET桥

电动机控制器中绝缘闸极晶体管与金属氧半导体场效应晶体管之间的决定取决于与应用要求有关的各种因素和这些装置的内在特性。 IGbts 通常是最好的高电压应用,往往超过600伏和一个开关频率低于20-30千赫兹的应用。IGBT对短路更坚固,提供更好的热稳定性。 莫斯费茨 应用于中低功率的应用,需要高开关频率和低电压效率是一个问题。

门驱动器是逆变器的一个重要组件,它充当接口,将低压控制信号转换为高压水平。它集成了脱饱和检测和电压不足锁定等保护元件,确保了开关关闭与开关关闭之间设定的截止时间内的快速开关速度,以最大限度地减少损耗和电磁干扰,为安全和无噪音的操作提供了电流隔离,通过减少开关和传导损失提高了逆变器的整体效率。闸门驱动器的非常重要的部件是闸门电阻,定位在一个IGBT或MOSFET的闸门上。它们对电力电子开关设备的操作和控制至关重要。它们有助于控制晶体管的开关速度,在可能会产生有害的超微波或电磁干扰的过快开关与可能增加损失的慢开关之间达成平衡。这些电阻器有助于阻尼振荡触发寄生电感和电容绑定到晶体管。通过限制电流流入闸门,闸门电阻提供有效保护的闸门氧化层,以防止潜在的损害。正确选择闸门电阻值是至关重要的,因为它决定了开关设备的几个性能和保护方面之间的平衡。这些电阻器有助于阻尼振荡触发寄生电感和电容绑定到晶体管。通过限制电流流入闸门,闸门电阻提供有效保护的闸门氧化层,以防止潜在的损害。正确选择闸门电阻值是至关重要的,因为它决定了开关设备的几个性能和保护方面之间的平衡。这些电阻器有助于阻尼振荡触发寄生电感和电容绑定到晶体管。通过限制电流流入闸门,闸门电阻提供有效保护的闸门氧化层,以防止潜在的损害。正确选择闸门电阻值是至关重要的,因为它决定了开关设备的几个性能和保护方面之间的平衡。

确保逆变器的最佳电气和机械设计是至关重要的。在这方面,电力电子、建筑和热设计方面的专业知识至关重要。

管制股:负责控制逆变器的信号处理和产生压波调制(脉冲宽度调制)信号的核心部件通常是单片机、数字信号处理器或可编程门阵列。该单元还集成了内存、模拟接口和数字接口。此外,安全逻辑可以嵌入到这个中心单元中,以确保采取保护措施,防止故障和潜在的危险。选择正确的单片机(单片机)或数字信号处理器(DSP)用于电机控制的应用,需要考虑几个关键参数和特点,以确保最佳性能、可靠性和效率。需要考虑的主要因素是:处理能力、外围设备和I/OS、存储器、硬件联锁等安全特性,错误校正码(ECC)存储器、监视器、硬件故障和故障检测和保护机制,如故障检测和保护功能(通常被称为"差幅"或"差幅点")、功率消耗、运行温度范围、开发生态系统和成本。一些应用程序可能会从具有FPGA功能的单片机中受益,从而实现自定义硬件逻辑。

反馈传感器:

· 位置传感器: 这些通常是编码器或解析器跟踪的位置的转子。

此外,还有主要基于卡尔曼滤波器的无传感器观测技术,可以在没有直接测量的情况下用来估计转子的位置。然而,这些无传感器的方法可能会有一些缺点,比如准确性降低,在某些情况下可能出现不稳定性,以及启动或低速度时的挑战。这些技术及其具体细节将不包括在本文中。

· 现有传感器: 用于测量电动机的相位电流。在实践中,IIA+Ib+IC等于零,但通常只需要两个电流传感器来进行精确的电流评估。

· 电压传感器: 用于测量驱动电动机(直流总线)的电源电压。

· 温度传感器: 电机控制器中的温度传感器至关重要地监控和调节热量,以确保电机保护,优化效率,延长电机寿命,为先进的控制算法提供反馈,并管理有源冷却系统。

通信接口: 用于与外部设备或网络的通信,如CAN、UART或以太网。

保护性部件: 包括继电器、引信和保护二极管,以确保系统的安全运行,并防止过大电压或电流。