品牌:发那科
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简化电流控制创造最佳FOC效能
直流马达控制很简单,因为其所有受控的量都是稳定状态的直流电(DC)值,而且电流相位/角度受机械换向器的控制;但在PMSM领域中,要如何才能实现磁场定向控制技术?
二、DC值/角度控制
首先,须知道转子的位置,其常常与A相有关。我们可使用绝对位置感测器(如解析器)或相对位置感测器(如编码器),并处理所谓的「对齐」。对齐过程中, 将转子与A相轴线对齐,如此一来A相轴线与直轴(励磁分量所在轴)就对齐。在这种状态中,转子位置设为0;亦即,构建静态电压向量,令所需的电压在d轴, 位置设为0,这导致定子磁场吸引转子,并将直轴与A相轴线对齐。三相量可通过Clarke变换转换成等效的二相量。接着,再透过Park变换将两相静止参 照系中的量转换成两相旋转坐标系中的直流量,这期间要用到转子位置。
转子的电气位置是转子的机械位置再乘以极对数pp。经过一系列控制之后,设计人员应当在马达端子上生成三相交流电压,因此所需/生成电压的直流值应当通过反Park/Clarke变换进行转换。
三、幅值控制
所有变数现在都是直流值,可以轻松控制,但是要如何控制它们的幅值呢?对于幅值控制,建议使用级联结构的PI控制器,且可以像直流马达那样控制许多状态量,如相电流(扭矩环)、转速和位置。
四、FOC步骤
首先,须测量马达的相电流,并使用Clarke变换将它们转换为两相系统,及计算转子位置角;接着,再使用Park变换将定子电流转换为d、q坐标系统 上;此时,定子电流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器单独控制;最后,透过逆向Park变换,输出定子电压空间向量从d、q坐标系转 换回两相静止坐标系,并使用空间向量调制,生成三相输出电压。
五、无感测器控制
设计人员需要转子的位置资讯,才能高效地控制永磁同步马达,然而在一些应用中于传动轴上安装转子位置感测器,会降低整个系统的耐用性和可靠性。因此,设计人员的目标不是使用这个机械感测器直接测量位置,而是利用一些间接的技术估算转子位置。
低速时,须高频率注入或开环启动(效率不高)等特殊技术来启动马达并使之达到某一个转速,在这个转速下对于反电动势观测器来说,反电动势已足够。通常,5%的基本速度足以使无感测器模式正常运行。
中/高速时,使用d/q参照系中的反电动势观测器。内部脉宽调变(PWM)频率和控制环路频率必需够高,才能获得合理数量的相电流和直流母线电压的样 本。反电动势观测器的计算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、开方等数学计算,适合使用基于安谋国际(ARM)内核的KinetisMCU 或PowerArchitecture系列的数位讯号控制器(DSC)。
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