面向計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制
加入技術(shù)交流群
起點(diǎn)
讓我們介紹一種在我們應(yīng)用場景中處于中心位置的永磁同步電機(jī)，即 PMSM。PMSM 有很多種外形和體積，適合很多種應(yīng)用，從開關(guān)門到機(jī)器人手術(shù)工具關(guān)節(jié)等。在這一領(lǐng)域中，它得到了廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)槠涔逃械目煽啃浴⒌统杀?，在我們的?yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)目刂?，可以?shí)現(xiàn)高精度和高效率。實(shí)際上，應(yīng)用的要求越來越高，PMSM 支持您降低機(jī)電設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，在軟件中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。
PMSM 機(jī)械和電氣特性非常簡單 (圖 1) 。轉(zhuǎn)子正如其名稱所示，是永磁體。通常有三個(gè)定子繞組，在電機(jī)中均勻的 120 度角分布。真正的訣竅在于繞組的不同：轉(zhuǎn)動(dòng)密度是圍繞定子呈正弦分布，因此，繞組實(shí)際上在邊緣上相互重疊。在繞組合適的相位上應(yīng)用正弦電流，您能夠建立與轉(zhuǎn)子場角度垂直的旋轉(zhuǎn)磁場，從而在轉(zhuǎn)子上高效的產(chǎn)生扭矩。
控制 PMSM 并不是高科技。一個(gè)簡單的 MCU 使用查找表和插值來生成所需的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)變正弦信號(hào)，為繞組提供電流。如果算法正確，繞組會(huì)產(chǎn)生電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然起步有些復(fù)雜，但畢竟完成任務(wù)了，對吧？不完全是這樣。
圖 1. PMSM 截面
現(xiàn)場定位控制
開環(huán)控制的問題總是很復(fù)雜。啟動(dòng)電機(jī)，特別是有負(fù)載的情況，會(huì)比較難，效率也不高。開環(huán)控制器的響應(yīng)并不能很好的適應(yīng)負(fù)載扭矩或者速度命令的變化，無法抑制振動(dòng)。出于通常的考慮，反饋控制系統(tǒng)工作起來會(huì)更好一些。
問題是要控制什么。很明顯，我希望控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度 — 在某些應(yīng)用中，旋轉(zhuǎn)速度。我們必須通過控制產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的三個(gè)繞組電流來完成這一工作。對此最好的方法是，在業(yè)界已經(jīng)應(yīng)用的多路步進(jìn)，即，線程定位控制 (FOC) (圖 2) 。
圖 2. 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
第一，我們采集來自轉(zhuǎn)軸編碼器的轉(zhuǎn)子位置采樣，以及三個(gè)繞組中兩個(gè)繞組的電流采樣。由于一些很好的數(shù)學(xué)算法，我們并不需要所有三個(gè)繞組電流。這些采樣告訴我們轉(zhuǎn)子以及定子旋轉(zhuǎn)磁場的瞬時(shí)位置和滯后速度。我們的工作是控制轉(zhuǎn)子的速度和位置，這通過控制定子繞組的電流大小來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要讓旋轉(zhuǎn)磁場比轉(zhuǎn)子磁場超前 90 度。
通過兩個(gè)簡單的變換，我們很容易完成這一工作。Clarke 變換將兩個(gè)定子繞組的電流采樣 — 它們分開 120 度，映射到一對正交矢量上。矢量的方向相對于定子是固定的，當(dāng)然，其矢量和是旋轉(zhuǎn)磁場矢量。Clarke 變換只需要將電流值乘以常數(shù)，加上乘積 — 簡單的乘累加運(yùn)算。
第二種變換是 Park 變換，將這兩個(gè)正交矢量映射到轉(zhuǎn)子參考的旋轉(zhuǎn)幀中。一個(gè)矢量與轉(zhuǎn)子磁場對齊，另一個(gè) — 正交矢量，角度與其垂直。Park 變換比較難處理。在進(jìn)行矢量乘法把矢量變換成轉(zhuǎn)子參考幀之前，它使用瞬時(shí)轉(zhuǎn)軸位置來計(jì)算 sin(θ) 和 cos(θ) 系數(shù)。
現(xiàn)在，我們可以控制信號(hào)。我們把與轉(zhuǎn)子對齊的矢量保持為 0，表示定子磁通量沒有對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩。我們使用正交分量來控制轉(zhuǎn)子位置和速度，定子磁通量實(shí)際上產(chǎn)生了扭矩。
例如，控制器會(huì)處理所需位置的輸入，將其與傳統(tǒng)分立時(shí)間比例積分 (PI) 控制電流的實(shí)際轉(zhuǎn)軸角度相對比，產(chǎn)生誤差信號(hào)，輸出至 FOC 模塊。FOC 模塊然后會(huì)把這一誤差信號(hào)送入正交扭矩信號(hào)中，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。模塊會(huì)應(yīng)用 Park 反變換，把扭矩映射回定子參考的固定幀，然后，通過 Clarke反 變換，把扭矩信號(hào)映射到電流中，送入三個(gè)繞組。這樣就改變了定子繞組所需位置和所需速度輸入激勵(lì)信號(hào)，旋轉(zhuǎn)定子磁場，使轉(zhuǎn)子處于所需的角度上。
評論