用感應(yīng)器對(duì)BLDC電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制

　　電動(dòng)機(jī)可分為三大類(lèi)，分別是AC、DC和通用型。顧名思義，AC電動(dòng)機(jī)使用AC電源運(yùn)行，而DC電動(dòng)機(jī)則使用DC電源運(yùn)行。通用型電動(dòng)機(jī)可同時(shí)支持AC和DC電源。AC電動(dòng)機(jī)包括AC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和鼠籠式電動(dòng)機(jī)，其還可進(jìn)一步細(xì)分為單相和多相電動(dòng)機(jī)。而DC電動(dòng)機(jī)則包括有刷DC電動(dòng)機(jī)、無(wú)刷DC電動(dòng)機(jī)(BLDC)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

　　現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)控制/驅(qū)動(dòng)技術(shù)：

　　相對(duì)于AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而言，DC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)比較易于實(shí)施。DC電動(dòng)機(jī)可直接通過(guò)電壓—頻率(V/F)驅(qū)動(dòng);即應(yīng)用電壓越高，頻率或速度就越高。這種驅(qū)動(dòng)通常實(shí)施于有刷DC電動(dòng)機(jī)。

　　就AC電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和某些控制器將應(yīng)用DC轉(zhuǎn)化為AC來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)備(如BLDC或PMSM)而言，我們要采用復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)算法順序改變線圈電流方向，從而實(shí)現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的速度同電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度成正比。我們可使用以下不同的算法：

　　梯形控制：也稱作六步控制法。這是一種最簡(jiǎn)單的算法。這六個(gè)轉(zhuǎn)換步驟中的每一步都會(huì)在一對(duì)線圈之間形成電流路徑，讓第三個(gè)線圈斷連。這種辦法會(huì)產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，導(dǎo)致震動(dòng)和噪聲，相對(duì)于其他算法的性能而言比較差。

　　正弦控制：也稱作電壓超頻整流。通過(guò)對(duì)3個(gè)線圈平穩(wěn)提供(正弦)可變電流，正弦控制能解決梯形控制涉及的很多問(wèn)題，從而降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。時(shí)變電流可用基本PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，不過(guò)這在較高速率情況下會(huì)導(dǎo)致性能降低。

       磁場(chǎng)定向控制(FOC)：也稱作矢量控制法。FOC相對(duì)于正弦控制而言能在更高速率情況下提高效率。此外，這種方法即便在瞬態(tài)操作期間也能確保效率優(yōu)化，完美保持定子和轉(zhuǎn)子的流量。相對(duì)于其他所有技術(shù)而言，F(xiàn)OC還能就動(dòng)態(tài)負(fù)載變化提供更好的性能。

　　什么是磁場(chǎng)定向控制?

　　磁場(chǎng)定向控制是變頻驅(qū)動(dòng)或變速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域使用的一種方法，可通過(guò)控制電流來(lái)控制三相AC電動(dòng)機(jī)的扭矩(進(jìn)而控制速度)。利用FOC技術(shù)，我們能獨(dú)立控制扭矩和流量。FOC法可加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，超出洗衣機(jī)等應(yīng)用的要求。該方法還可避免轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問(wèn)題，無(wú)論速度高低FOC法都能實(shí)現(xiàn)更加平滑準(zhǔn)確的電動(dòng)機(jī)控制。

　　當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)垂直時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的扭矩最大。就FOC而言，我們檢測(cè)并調(diào)節(jié)定子電流，從而讓轉(zhuǎn)子和定子流量之間的角度為 90度，以實(shí)現(xiàn)最大扭矩(如下圖所示)：

　　FOC工作在三相電流的合成矢量上，而不是分別獨(dú)立控制每一個(gè)相。AC感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制變量通過(guò)數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換固定(DC)。這樣，F(xiàn)OC就能和處理固定參數(shù)一樣，通過(guò)模仿DC電動(dòng)機(jī)的工作來(lái)控制電感電動(dòng)機(jī)。

　　FOC使用的方法有兩種。一種是直接FOC，轉(zhuǎn)子流量角度直接通過(guò)流量估算或測(cè)量進(jìn)行計(jì)算。另一種是間接FOC，轉(zhuǎn)子流量角度間接通過(guò)可用速度和滑移計(jì)算得出。

　　涉及感應(yīng)器FOC的步驟如下：

　　Ia + Ib + Ic = 0

　　第一步：

　　檢測(cè)三個(gè)定子相電流中的兩個(gè)，第三個(gè)電流則用Kirchoff電流關(guān)系確定：

　　Ia + Ib + Ic = 0

　　其中，Ia、Ib和Ic為相電流。

　(Ia, Ib, Ic)   (Iα, Iβ)

        第二步：

　　三個(gè)相電流從定子三軸系統(tǒng)通過(guò)克拉克轉(zhuǎn)換變?yōu)殡p軸坐標(biāo)系統(tǒng)： 
                                                                                                                          (Ia, Ib, Ic)  (Iα, Iβ)

       其中，Iα和β是轉(zhuǎn)化為雙軸坐標(biāo)系統(tǒng)的定子電流。
                                                                                                                           (Iα, Iβ)(Id, Iq)

        第三步：

　　有關(guān)元素和雙軸定子電流本身具有時(shí)變屬性，用傳統(tǒng)的PI跟蹤相當(dāng)復(fù)雜。因此，我們根據(jù)轉(zhuǎn)子位置(通過(guò)感應(yīng)器或back EMF確定)讓固定參考變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)參考，其中軸元素保持常量，這樣就能用傳統(tǒng)PI控制器來(lái)抵消誤差。轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)帕克轉(zhuǎn)換完成：

(Iα, Iβ) (Id, Iq)

        其中，Id和Iq從轉(zhuǎn)子角度而言是相內(nèi)和正交相定子電流。

　　第四步：

　　一旦矢量失去時(shí)變性，我們就能比較相應(yīng)的軸矢量和參考，并就每個(gè)軸用PI控制器(見(jiàn)以下方程式)來(lái)確定誤差校正信號(hào)。Id參考控制轉(zhuǎn)子磁化通量。Iq參考則控制電動(dòng)機(jī)的扭矩輸出。

　　第五步：

　　PI控制器的相應(yīng)輸出隨后可通過(guò)逆變帕克和克拉克轉(zhuǎn)換傳遞，轉(zhuǎn)變回3相定子參考。

　　第六步：

　　生成3相參考信號(hào)后，我們?cè)儆每臻g矢量調(diào)制(SVM)來(lái)調(diào)制PWM。