現(xiàn)場(chǎng)控制可提高交流電機(jī)效率

到2035年，世界每年將消耗超過(guò)35萬(wàn)億千瓦時(shí)的電力，而21年略低于2015萬(wàn)億千瓦時(shí)。目前，近三分之一的電能用于為工業(yè)生產(chǎn)中使用的電機(jī)供電。這些電機(jī)中的許多基于簡(jiǎn)單的交流設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兂杀鞠鄬?duì)較低且易于驅(qū)動(dòng)。它們?cè)谀茉词褂梅矫嬉卜浅５托?，尤其是在低速時(shí)。然而，這種交流電機(jī)本身并不是浪費(fèi)。通過(guò)正確的電子控制形式，它們的效率可以大大提高。使用當(dāng)今可用的控制技術(shù)，可以將給定工作水平的能耗降低多達(dá)60%。

目前使用的最簡(jiǎn)單的控制技術(shù)是伏特/赫茲。它在概念上既簡(jiǎn)單又易于在基本微控制器上實(shí)現(xiàn)。核心算法利用了交流電機(jī)設(shè)計(jì)的核心特性。每個(gè)電機(jī)都有一個(gè)特征的磁化電流，以及由此產(chǎn)生的最大磁通量和扭矩。這些屬性通過(guò)伏特/赫茲比相關(guān)。電機(jī)通過(guò)圍繞移動(dòng)轉(zhuǎn)子布置的定子線圈的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械負(fù)載。線圈之間的切換迫使轉(zhuǎn)子的磁化元件以平行方式轉(zhuǎn)動(dòng)，以移動(dòng)到磁場(chǎng)保持平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。

線圈切換頻率的增加反過(guò)來(lái)又會(huì)提高速度。但是，如果沒(méi)有相應(yīng)的電能增加，施加的扭矩就會(huì)下降。伏特/赫茲控制提供了一種簡(jiǎn)單的解決方法，即隨著頻率的上升而增加線路電壓，使轉(zhuǎn)矩可以保持在恒定水平。不幸的是，這種關(guān)系在低速時(shí)并不是特別一致。需要更高的電壓才能在低速時(shí)保持高扭矩，但效率會(huì)下降并增加線圈飽和和過(guò)熱的可能性。

磁場(chǎng)定向控制提供了一種優(yōu)化電機(jī)控制的方法，特別是在低速時(shí)，并且還提供了使電機(jī)定位控制更加精確的能力。這增加了交流電機(jī)的整體應(yīng)用范圍，有助于降低工業(yè)機(jī)械的成本和運(yùn)營(yíng)成本。

在磁場(chǎng)定向或磁通矢量控制中，伏特/赫茲控制所暗示的速度和扭矩之間的聯(lián)系被打破。磁場(chǎng)定向控制的概念可以用繞線直流電機(jī)的模型來(lái)表達(dá)，其中提供給定子和轉(zhuǎn)子的電流是獨(dú)立的。在該模型中，可以獨(dú)立控制產(chǎn)生的扭矩和磁通量。由電流產(chǎn)生的電機(jī)組內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定了磁通量。提供給轉(zhuǎn)子電磁繞組的電流控制扭矩 - 當(dāng)磁場(chǎng)試圖將自身對(duì)齊到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)。

直流電機(jī)使用轉(zhuǎn)子上的換向器，該換向器執(zhí)行控制定子上的哪些線圈在任何時(shí)候通電的工作。換向器的設(shè)計(jì)使得電流切換到機(jī)械對(duì)齊的繞組，以在該點(diǎn)產(chǎn)生最大扭矩。因此，繞組的管理方式使磁通發(fā)生變化，以保持轉(zhuǎn)子繞組與定子中產(chǎn)生的磁場(chǎng)正交。

在交流電機(jī)中，只有定子電流受到直接控制。轉(zhuǎn)子通常使用永磁體來(lái)提供其磁場(chǎng)。這意味著磁通和扭矩依賴(lài)于相同的電流。但是磁場(chǎng)定向控制提供了幾乎獨(dú)立操作它們的能力。在實(shí)踐中，定子磁通是動(dòng)態(tài)控制的，以提供獨(dú)立操縱扭矩的能力。通常，可以驅(qū)動(dòng)定子線圈，以便它們產(chǎn)生扭矩或沿定子軸線施加力，這種模式不會(huì)影響旋轉(zhuǎn)。這些方向分別是正交軸和直軸。為了傳遞運(yùn)動(dòng)，每個(gè)線圈依次被驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生高正交力。

使用幾種數(shù)學(xué)變換來(lái)提供電流和電壓變化的能力，以解耦轉(zhuǎn)矩和磁通。在磁場(chǎng)定向控制過(guò)定子不同部分的電流由矢量表示。矩陣投影將三相時(shí)間和速度相關(guān)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為雙坐標(biāo)時(shí)不變系統(tǒng)。坐標(biāo)通常使用符號(hào) d 和 q 來(lái)描述，它們分別表示磁通和扭矩分量。在（d，q）參考系中，施加的扭矩與扭矩分量線性相關(guān)。

在磁場(chǎng)定向控制下，從電機(jī)接收電信號(hào)并合并到（d，q）坐標(biāo)模型中。該模型通常相對(duì)于轉(zhuǎn)子計(jì)算，使所需通量的計(jì)算更容易。用于計(jì)算的典型方法是將克拉克變換和帕克變換配對(duì)。

克拉克變換獲取來(lái)自不同相位（通常是三個(gè)階段）的電流，并使用它們來(lái)估計(jì)笛卡爾坐標(biāo)系中的電流。這些系統(tǒng)的軸使用符號(hào) alpha 和 beta，而不是傳統(tǒng)的 x 和 y，以減少與空間坐標(biāo)系混淆的可能性。然后將這些矢量應(yīng)用于 Park 變換，以提供在旋轉(zhuǎn) （d，q） 坐標(biāo)系中看到的當(dāng)前矢量。三角函數(shù)是變換的核心，需要使用微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。

通過(guò)克拉克變換和帕克變換，（d，q）空間中電流矢量的磁通量和轉(zhuǎn)矩分量來(lái)自饋送到每個(gè)電相的電流和轉(zhuǎn)子磁通位置，在算法的大多數(shù)描述中采用符號(hào)theta。這種結(jié)構(gòu)適用于一系列電機(jī)。逆公園變換用于產(chǎn)生電壓輸出，然后將其用于控制三相中每一相的功率的算法中。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1：用于磁場(chǎng)定向控制的變換和控制塊的基本配置。

相同的磁芯結(jié)構(gòu)可用于控制同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，只需更改磁通參考并獲得轉(zhuǎn)子磁通位置即可。在同步永磁電機(jī)中，轉(zhuǎn)子磁通量是固定的，因?yàn)樗怯捎来朋w決定的。感應(yīng)電機(jī)需要?jiǎng)?chuàng)建轉(zhuǎn)子磁通才能正常工作，因此將其作為非零值合并到磁通參考中。

磁場(chǎng)定向控制成功的關(guān)鍵是實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子磁通位置。這種控制策略很復(fù)雜。在交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的速度與驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)的磁通量的速度不匹配。轉(zhuǎn)子往往會(huì)滯后，導(dǎo)致稱(chēng)為滑移速度的差異。在較舊的方案中，電機(jī)制造商使用傳感器來(lái)分析轉(zhuǎn)子位置，但這會(huì)導(dǎo)致不必要的額外成本。在實(shí)踐中，可以使用來(lái)自電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電壓和電流的反饋來(lái)補(bǔ)償滑差。

許多系統(tǒng)使用測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)來(lái)估計(jì)轉(zhuǎn)子打滑。反電動(dòng)勢(shì)電壓的大小與轉(zhuǎn)子的速度成正比。但是，使用此輸入直接會(huì)導(dǎo)致低速或靜止時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題，并且不容易估計(jì)初始位置。從未知的轉(zhuǎn)子位置啟動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)意外倒車(chē)一小段距離或完全啟動(dòng)故障。簡(jiǎn)單地對(duì)反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行采樣的另一個(gè)缺點(diǎn)是它對(duì)定子電阻的敏感性，而定子電阻容易隨溫度變化。

基于模型的間接方案可提供更高的性能。計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)和性能之間存在很強(qiáng)的權(quán)衡，但總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用更復(fù)雜的基于模型的算法可以提高效率，尤其是在低速時(shí)?；陂g接模型的方案根據(jù)可用的傳感器讀數(shù)估計(jì)這些值的實(shí)時(shí)值。

與反電動(dòng)勢(shì)估計(jì)一樣，核心問(wèn)題是確定電機(jī)的起點(diǎn)。一種解決方案是從初始狀態(tài)的估計(jì)開(kāi)始，從中可以得出預(yù)測(cè)輸出向量的初始狀態(tài)，并將其與測(cè)量的輸出向量進(jìn)行比較。此差值用于校正模型的內(nèi)部狀態(tài)向量。但是，噪聲會(huì)破壞模型的穩(wěn)定性。

擴(kuò)展的卡爾曼濾波器可以補(bǔ)償噪聲和突發(fā)干擾的影響?？柭鼮V波器的架構(gòu)允許被認(rèn)為具有較低不確定性的更新被賦予比估計(jì)具有較大不確定性的更新更高的權(quán)重。過(guò)濾器以遞歸方式工作，因此每個(gè)估計(jì)只需要一組新讀數(shù)和過(guò)濾器的先前狀態(tài)即可生成新?tīng)顟B(tài)。

卡爾曼濾波器采用兩個(gè)主要階段：預(yù)測(cè)和更新。在預(yù)測(cè)階段，濾波器根據(jù)前一個(gè)狀態(tài)計(jì)算系統(tǒng)的下一個(gè)狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)算法的情況下，該狀態(tài)提供最后已知的速度和加速度值。由此，過(guò)濾器計(jì)算當(dāng)前位置的預(yù)測(cè)。

在更新階段，將新采樣的電壓和電流值與其預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。輸入數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)越接近，誤差概率越低。該誤差概率饋入卡爾曼濾波器增益。在算法層面，卡爾曼濾波器依賴(lài)于許多矩陣乘法和反演。因此，在電機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展卡爾曼濾波器的關(guān)鍵是高算術(shù)性能，這與磁場(chǎng)定向控制的其他方面一樣。

為了實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)電機(jī)控制情況下每秒所需的許多算術(shù)運(yùn)算，需要高性能MCU或DSP。[德州儀器 （TI）] 生產(chǎn)的 [TMS320F2833x 系列器件專(zhuān)為處理交流電機(jī)應(yīng)用的典型計(jì)算負(fù)載而開(kāi)發(fā)，由各種片上外設(shè)支持，有助于與電源轉(zhuǎn)換電子設(shè)備集成。

TMS320F2833x 圍繞高性能 32 位 CPU 構(gòu)建，具有浮點(diǎn)支持，符合 IEEE754 單精度算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)施符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)單元，TMS320F2833x 可處理非常寬的數(shù)字范圍，并內(nèi)置對(duì)非數(shù)字 （NaN） 和被零除等錯(cuò)誤的支持，從而簡(jiǎn)化了算法開(kāi)發(fā)。哈佛架構(gòu)與雙 16 x 16 乘法累加 （MAC） 單元相結(jié)合，為基于矩陣和投影的操作提供了高吞吐量。為了提高精度，可以將這些單元連接在一起以執(zhí)行 32 x 32 MAC。片上外設(shè)包括一個(gè)16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于對(duì)來(lái)自電機(jī)的電壓和電流反饋信號(hào)進(jìn)行采樣。

作為 C2000 系列 DSP 增強(qiáng)型 MCU 的成員，TMS320F2833x 由 TI 數(shù)字電機(jī)控制庫(kù)提供支持，該庫(kù)提供可配置的軟件模塊，可重復(fù)使用以實(shí)現(xiàn)各種控制策略。該庫(kù)由表示為模塊的功能組成，除了用于閉環(huán)操作的控制模塊和用于脈寬調(diào)制 （PWM） 等功能的外設(shè)驅(qū)動(dòng)器外，還提供 Clarke 和 Park 等變換。

在電機(jī)控制情況下，PWM輸出控制六個(gè)功率晶體管，這些晶體管共同向三個(gè)電相提供電壓和電流。每相使用半橋晶體管配置。在這些情況下用于控制的常用算法是空間矢量PWM。與更簡(jiǎn)單的PWM技術(shù)相比，這減少了諧波，并采用八種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。有六個(gè)活動(dòng)狀態(tài)和兩個(gè)零狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都是八個(gè)對(duì)應(yīng)空間向量的目標(biāo)狀態(tài)。狀態(tài)的排列方式是，兩組互補(bǔ)狀態(tài)在任何時(shí)候都處于活動(dòng)狀態(tài)。一組用于三個(gè)高邊功率晶體管，另一組用于低邊。該算法循環(huán)切換狀態(tài)，以根據(jù)磁場(chǎng)定向控制模型的要求將電源切換到狀態(tài)。TMS320F2833x 包括適用于采用空間矢量切換的軟件控制的 PWM 硬件?？偣?18 個(gè) PWM 輸出中有 150 個(gè)支持高精度控制，分辨率為 2 ps。結(jié)果是一個(gè)數(shù)字控制器，需要相對(duì)較少的外部硬件來(lái)管理功率晶體管，如圖<>所示。

圖 2：框圖，顯示了通過(guò) F2833x 的 PWM 輸出控制電源相位。

結(jié)論

利用具有必要內(nèi)核和高性能構(gòu)建模塊的微控制器，結(jié)合 TI 數(shù)字電機(jī)控制庫(kù)，設(shè)計(jì)人員已準(zhǔn)備好驅(qū)動(dòng)新一代高效交流電機(jī)。