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AC电机控制算法


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 Φ F 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。 可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。 电机的矢量控制: 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最大化。

转换: Clark 转换:Clark 数学转换将一个三相系统修改成两个坐标系统:

其中 Ia 和 Ib 正交基准面的组成部分,Io 是不重要的 homoplanar 部分 I

图 4:三相转子电流与转动参考系的关系

转换: Park 转换:Park 数学转换将双向静态系统转换成转动系统矢量

两相 α, β 帧表示通过 Clarke 转换进行计算,然后输入到矢量转动模块,它在 这里转动角 θ,以符合附着于转子能量的 d, q 帧。根据上述公式,实现了角度 θ 的转换。

AC 电机的磁场定向矢量控制的基本结构 图 2 显示了 AC 电机磁场定向矢量控制的基本结构。 Clarke 变换采用三相电流 IA, IB 以及 IC,来计算两相正交定子轴的电流 I?和 I?。这两个在固定座标定子相中的电流被变换成 Isd 和 Isq,成为 Park 变换 d, q 中的元素。其通过电机通量模型来计算的电流 Isd, Isq 以及瞬时流量角 θ 被 用来计算交流感应电机的电动扭矩。

图 2:矢量控制交流电机的基本原理 这些导出值与参考值相互比较,并由 PI 控制器更新。

电动机标量控制和矢量控制的比较: 表 1:电动机标量控制和矢量控制的比较: 控制参数 速度调节 转矩调节 电机模型 MCU 处理功率 V/Hz 控制 1% Poor 不要求 低 矢量控制 0.001% +/- 2% 要求 高 无传感器矢量控制 0.05% +/- 5% 要求精确的模型 高 + DSP

基于矢量的电机控制的一个固有优势是,可以采用同一原理,选择适合的数学模 型去分别控制各种类型的 AC, PM-AC 或者 BLDC 电机。 BLDC 电机的矢量控制 BLDC 电机是磁场定向矢量控制的主要选择。采用了 FOC 的无刷电机可以获得更 高的效率,最高效率可以达到 95%,并且对电机在高速时也十分有效率。


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