- 電機控制之常用算法概述

為了隨著電機的旋轉(zhuǎn)，生成電機電流的平穩(wěn)的正弦波調(diào)制，就要求對于轉(zhuǎn)子位置有一個精確有測量?；魻柶骷H提供了對于轉(zhuǎn)子位置的粗略計算，還不足以達到目的要求?；谶@個原因，就要求從編碼器或相似器件發(fā)出角反饋。

由于繞組電流必須結(jié)合產(chǎn)生一個平穩(wěn)的常量轉(zhuǎn)子電流空間矢量，而且定子繞組的每個定位相距120度角，因此每個線組的電流必須是正弦的而且相移為120度。采用編碼器中的位置信息來對兩個正弦波進行合成，兩個間的相移為120度。然后，將這些信號乘以轉(zhuǎn)矩命令，因此正弦波的振幅與所需要的轉(zhuǎn)矩成正比。結(jié)果，兩個正弦波電流命令得到恰當?shù)亩ㄏ啵瑥亩谡环较虍a(chǎn)生轉(zhuǎn)動定子電流空間矢量。

正弦電流命令信號輸出一對在兩個適當?shù)碾姍C繞組中調(diào)制電流的P-I控制器。第三個轉(zhuǎn)子繞組中的電流是受控繞組電流的負和，因此不能被分別控制。每個P-I控制器的輸出被送到一個PWM調(diào)制器，然后送到輸出橋和兩個電機終端。應(yīng)用到第三個電機終端的電壓源于應(yīng)用到前兩個線組的信號的負數(shù)和，適當用于分別間隔120度的三個正弦電壓。結(jié)果，實際輸出電流波型精確的跟蹤正弦電流命令信號，所得電流空間矢量平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，在量上得以穩(wěn)定并以所需的方向定位。

一般通過梯形整流轉(zhuǎn)向，不能達到穩(wěn)定控制的正弦整流轉(zhuǎn)向結(jié)果。然而，由于其在低電機速度下效率很高，在高電機速度下將會分開。這是由于速度提高，電流回流控制器必須跟蹤一個增加頻率的正弦信號。同時，它們必須克服隨著速度提高在振幅和頻率下增加的電機的反電動勢。

由于P-I控制器具有有限增益和頻率響應(yīng)，對于電流控制回路的時間變量干擾將引起相位滯后和電機電流中的增益誤差，速度越高，誤差越大。這將干擾電流空間矢量相對于轉(zhuǎn)子的方向，從而引起與正交方向產(chǎn)生位移。當產(chǎn)生這種情況時，通過一定量的電流可以產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)矩，因此需要更多的電流來保持轉(zhuǎn)矩。效率降低。隨著速度的增加，這種降低將會延續(xù)。在某種程度上，電流的相位位移超過90度。當產(chǎn)生這種情況時，轉(zhuǎn)矩減至為零。通過正弦的結(jié)合，上面這點的速度導(dǎo)致了負轉(zhuǎn)矩，因此也就無法實現(xiàn)。

AC電機控制算法

標量控制

標量控制（或V/Hz控制）是一個控制指令電機速度的簡單方法，指令電機的穩(wěn)態(tài)模型主要用于獲得技術(shù)，因此瞬態(tài)性能是不可能實現(xiàn)的。系統(tǒng)不具有電流回路。為了控制電機，三相電源只有在振幅和頻率上變化。

矢量控制或磁場定向控制

在電動機中的轉(zhuǎn)矩隨著定子和轉(zhuǎn)子磁場的功能而變化，并且當兩個磁場互相正交時達到峰值。在基于標量的控制中，兩個磁場間的角度顯著變化。

矢量控制設(shè)法在AC電機中再次創(chuàng)造正交關(guān)系。為了控制轉(zhuǎn)矩，各自從產(chǎn)生磁通量中生成電流，以實現(xiàn)DC機器的響應(yīng)性。一個AC指令電機的矢量控制與一個單獨的勵磁DC電機控制相似。在一個DC電機中，由勵磁電流IF所產(chǎn)生的磁場能量Φ F與由電樞電流IA所產(chǎn)生的電樞磁通ΦA(chǔ)正交。這些磁場都經(jīng)過去耦并且相互間很穩(wěn)定。因此，當電樞電流受控以控制轉(zhuǎn)矩時，磁場能量仍保持不受影響，并實現(xiàn)了更快的瞬態(tài)響應(yīng)。三相AC電機的磁場定向控制（FOC）包括模仿DC電機的操作。所有受控變量都通過數(shù)學(xué)變換，被轉(zhuǎn)換到DC而非AC。其目標的獨立的控制轉(zhuǎn)矩和磁通。

磁場定向控制（FOC）有兩種方法：直接FOC: 轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotor flux angle) 是通過磁通觀測器直接計算得到的間接FOC: 轉(zhuǎn)子磁場的方向(Rotor flux angle) 是通過對轉(zhuǎn)子速度和滑差(slip)的估算或測量而間接獲得的。矢量控制要求了解轉(zhuǎn)子磁通的位置，并可以運用終端電流和電壓（采用AC感應(yīng)電機的動態(tài)模型）的知識，通過高級算法來計算。然而從實現(xiàn)的角度看，對于計算資源的需求是至關(guān)重要的。

可以采用不同的方式來實現(xiàn)矢量控制算法。前饋技術(shù)、模型估算和自適應(yīng)控制技術(shù)都可用于增強響應(yīng)和穩(wěn)定性。

AC電機的矢量控制：

矢量控制算法的核心是兩個重要的轉(zhuǎn)換: Clark轉(zhuǎn)換，Park轉(zhuǎn)換和它們的逆運算。采用Clark和Park轉(zhuǎn)換，帶來可以控制到轉(zhuǎn)子區(qū)域的轉(zhuǎn)子電流。這種做充許一個轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)決定應(yīng)供應(yīng)到轉(zhuǎn)子的電壓，以使動態(tài)變化負載下的轉(zhuǎn)矩最大化

Clark轉(zhuǎn)換：Clark數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將一個三相系統(tǒng)修改成兩個坐標系統(tǒng)：

其中Ia和Ib正交基準面的組成部分，Io是不重要的homoplanar部分

Park轉(zhuǎn)換：Park數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換將雙向靜態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動系統(tǒng)矢量

兩相α, β幀表示通過Clarke轉(zhuǎn)換進行計算，然后輸入到矢量轉(zhuǎn)動模塊，它在這里轉(zhuǎn)動角θ，以符合附著于轉(zhuǎn)子能量的d, q幀。根據(jù)上述公式，實現(xiàn)了角度θ的轉(zhuǎn)換。

AC電機的磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)

Clarke變換采用三相電流IA, IB 以及 IC，來計算兩相正交定子軸的電流I?和 I?。這兩個在固定座標定子相中的電流被變換成Isd 和Isq，成為Park變換d, q中的元素。其通過電機通量模型來計算的電流Isd, Isq 以及瞬時流量角θ被用來計算交流感應(yīng)電機的電動扭矩。這些導(dǎo)出值與參考值相互比較，并由PI控制器更新。

圖2顯示了AC電機磁場定向矢量控制的基本結(jié)構(gòu)。

基于矢量的電機控制的一個固有優(yōu)勢是，可以采用同一原理，選擇適合的數(shù)學(xué)模型去分別控制各種類型的AC, PM-AC 或者 BLDC電機。

BLDC電機的矢量控制

BLDC電機是磁場定向矢量控制的主要選擇。采用了FOC的無刷電機可以獲得更高的效率，最高效率可以達到95%，并且對電機在高速時也十分有效率。