用感應(yīng)器對BLDC電動機進行磁場定向控制

　　電動機可分為三大類，分別是AC、DC和通用型。顧名思義，AC電動機使用AC電源運行，而DC電動機則使用DC電源運行。通用型電動機可同時支持AC和DC電源。AC電動機包括AC感應(yīng)電動機和鼠籠式電動機，其還可進一步細分為單相和多相電動機。而DC電動機則包括有刷DC電動機、無刷DC電動機(BLDC)和步進電動機。

　　現(xiàn)有的電動機控制/驅(qū)動技術(shù)：

　　相對于AC電動機驅(qū)動而言，DC電動機驅(qū)動比較易于實施。DC電動機可直接通過電壓—頻率(V/F)驅(qū)動;即應(yīng)用電壓越高，頻率或速度就越高。這種驅(qū)動通常實施于有刷DC電動機。

　　就AC電動機驅(qū)動和某些控制器將應(yīng)用DC轉(zhuǎn)化為AC來驅(qū)動電動機的設(shè)備(如BLDC或PMSM)而言，我們要采用復(fù)雜的驅(qū)動算法順序改變線圈電流方向，從而實現(xiàn)所需的轉(zhuǎn)動方向。線圈轉(zhuǎn)動的速度同電動機的運行速度成正比。我們可使用以下不同的算法：

　　梯形控制：也稱作六步控制法。這是一種最簡單的算法。這六個轉(zhuǎn)換步驟中的每一步都會在一對線圈之間形成電流路徑，讓第三個線圈斷連。這種辦法會產(chǎn)生較高轉(zhuǎn)矩波動，導(dǎo)致震動和噪聲，相對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。通過對3個線圈平穩(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題，從而降低轉(zhuǎn)矩波動，實現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動。時變電流可用基本PI調(diào)節(jié)器進行控制，不過這在較高速率情況下會導(dǎo)致性能降低。

       磁場定向控制(FOC)：也稱作矢量控制法。FOC相對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。相對于其他所有技術(shù)而言，F(xiàn)OC還能就動態(tài)負載變化提供更好的性能。

　　什么是磁場定向控制?

　　磁場定向控制是變頻驅(qū)動或變速驅(qū)動領(lǐng)域使用的一種方法，可通過控制電流來控制三相AC電動機的扭矩(進而控制速度)。利用FOC技術(shù)，我們能獨立控制扭矩和流量。FOC法可加快動態(tài)響應(yīng)速度，超出洗衣機等應(yīng)用的要求。該方法還可避免轉(zhuǎn)矩波動問題，無論速度高低FOC法都能實現(xiàn)更加平滑準確的電動機控制。

　　當定子和轉(zhuǎn)子的磁場垂直時，感應(yīng)電動機的扭矩最大。就FOC而言，我們檢測并調(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，而不是分別獨立控制每一個相。AC感應(yīng)電動機的控制變量通過數(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，通過模仿DC電動機的工作來控制電感電動機。

　　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流量估算或測量進行計算。另一種是間接FOC，轉(zhuǎn)子流量角度間接通過可用速度和滑移計算得出。

　　涉及感應(yīng)器FOC的步驟如下：

　　Ia + Ib + Ic = 0

　　第一步：

　　檢測三個定子相電流中的兩個，第三個電流則用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：

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

       其中，Iα和β是轉(zhuǎn)化為雙軸坐標系統(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變屬性，用傳統(tǒng)的PI跟蹤相當復(fù)雜。因此，我們根據(jù)轉(zhuǎn)子位置(通過感應(yīng)器或back EMF確定)讓固定參考變?yōu)檗D(zhuǎn)動參考，其中軸元素保持常量，這樣就能用傳統(tǒng)PI控制器來抵消誤差。轉(zhuǎn)動通過帕克轉(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：

　　一旦矢量失去時變性，我們就能比較相應(yīng)的軸矢量和參考，并就每個軸用PI控制器(見以下方程式)來確定誤差校正信號。Id參考控制轉(zhuǎn)子磁化通量。Iq參考則控制電動機的扭矩輸出。

　　第五步：

　　PI控制器的相應(yīng)輸出隨后可通過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相參考信號后，我們再用空間矢量調(diào)制(SVM)來調(diào)制PWM。