磁場定向電機(jī)控制發(fā)展的歷史基礎(chǔ)

一個(gè)多世紀(jì)以來，電動(dòng)機(jī)一直是我們生活中不可或缺的一部分。沒有它們，就不會(huì)有工業(yè)革命，您的生活方式將與您所享受和期望的完全不同。電機(jī)通常不為人知，默默無聞，默默地做著許多我們認(rèn)為理所當(dāng)然的日?，嵤?，但它們是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者工具包中的重要元素。

為了說明我的觀點(diǎn)，我最近在我家周圍進(jìn)行了一次探索，看看我能找到多少臺(tái)電動(dòng)機(jī)。我沒有計(jì)算我汽車中的任何電機(jī)，因?yàn)槲艺娴牟恢廊绾握业剿鼈?，我也沒有計(jì)算我家庭辦公室實(shí)驗(yàn)室中的任何電機(jī)，因?yàn)檫@會(huì)扭曲結(jié)果。盡管如此，我還是找到了 114 個(gè)電機(jī)。從井泵中的 230V 電機(jī)到筆記本電腦內(nèi)的小風(fēng)扇，讓處理器保持良好和涼爽。

雖然電機(jī)設(shè)計(jì)在過去一個(gè)世紀(jì)沒有太大變化，但我們控制它們的方式確實(shí)發(fā)生了變化。我們可以通過添加電子元件來調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓來控制電機(jī)的速度。然而，多年來，變速應(yīng)用是有刷直流電機(jī)的唯一領(lǐng)域，只需將電子開關(guān)與電機(jī)繞組串聯(lián)即可改變電壓。但是直流電機(jī)有很多包袱，其中最重要的是保持磁場正確對(duì)齊所需的電刷和換向器。電刷和換向器不僅會(huì)產(chǎn)生大量熱量和電噪聲，它們的使用還會(huì)限制電機(jī)的壽命(在某些情況下會(huì)相當(dāng)長)。

交流感應(yīng)電機(jī)沒有這些問題。然而，它們幾乎只以一種速度運(yùn)行，這取決于驅(qū)動(dòng)它們的電壓波形的頻率。如果你想以不同的速度運(yùn)行交流電機(jī)，你可以試著打電話給電力公司，讓他們今天給你一個(gè)不同的頻率?；蛘摺梢哉业揭环N合成自己的交流波形的方法。

為電機(jī)合成交流波形的最早嘗試是基于晶閘管的控制器，它利用相位控制來改變提供給電機(jī)的交流電壓和頻率。晶閘管控制器很快被基于 PWM 的設(shè)計(jì)所取代，從而可以更嚴(yán)格地控制電機(jī)波形。這些基于 PWM 的交流驅(qū)動(dòng)器被稱為“Volts-per-Hertz”控制器，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生的正弦波電壓波形的幅度與其頻率成正比。盡管這種交流驅(qū)動(dòng)器比有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要更多的電子設(shè)備，但電子元件的成本隨著時(shí)間的推移而下降，最終系統(tǒng)成本變得更具競爭力。

只有一個(gè)問題。盡管您可以實(shí)現(xiàn)變速控制，但與有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相比，扭矩響應(yīng)相當(dāng)遲鈍。那是因?yàn)闆]有辦法直接控制 Volts-per-Hertz 驅(qū)動(dòng)器中的扭矩。對(duì)于給定的速度，您唯一可以調(diào)節(jié)的旋鈕是電機(jī)的電壓，這不是控制扭矩的有效方法。

開發(fā)了 Volts-per-Hertz 驅(qū)動(dòng)器的一種變體(稱為滑差控制器)，它可以自動(dòng)調(diào)整電機(jī)電壓以調(diào)節(jié)滑差，滑差與感應(yīng)電機(jī)上的扭矩成正比。雖然有些應(yīng)用對(duì)此沒問題，但其他應(yīng)用仍然需要更快的扭矩響應(yīng)，并且仍然受到有刷直流電機(jī)的束縛。但這即將改變。

在 1960 年代末和 70 年代初，西門子的一位名叫Felix Blaschke的研究人員正在試驗(yàn)一些方法，以使交流感應(yīng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)類似于有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。他意識(shí)到問題的關(guān)鍵是確定轉(zhuǎn)子磁通的角度。

這并不像您在感應(yīng)電機(jī)上想象的那么容易。轉(zhuǎn)子磁通相對(duì)于轉(zhuǎn)子不是靜止的。它以稱為滑差頻率的頻率在轉(zhuǎn)子表面滑動(dòng)。Blaschke 的解決方案包括通過直接在電機(jī)上進(jìn)行磁通測量來確定轉(zhuǎn)子磁通角。其他技術(shù)(例如，Hasse，1969)通過測量與通量相關(guān)但更容易測量的其他參數(shù)間接找到通量角。兩種技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但最終結(jié)果是相同的。一旦您知道了轉(zhuǎn)子磁通的角度，您就確切地知道如何調(diào)整您的三相電流以瞬時(shí)控制轉(zhuǎn)矩。

這種通量角方法被稱為矢量控制，因?yàn)樗婕皩?shí)時(shí)矢量計(jì)算以跟蹤旋轉(zhuǎn)通量和電流矢量。請記住，對(duì)于 Volts-per-Hertz 設(shè)計(jì)，目標(biāo)是控制電機(jī)電壓，而電機(jī)電流是偶然的。但是在矢量控制系統(tǒng)中，目標(biāo)是控制電機(jī)電流，而電機(jī)電壓是附帶的。此外，速度由 Volts-per-Hertz 算法直接控制，但在矢量方程中的任何地方都找不到!隨著時(shí)間的推移，速度只是您對(duì)電機(jī)施加的任何扭矩的輔助產(chǎn)品。

矢量控制技術(shù)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)基本上是實(shí)驗(yàn)室的好奇心，因?yàn)橛?jì)算能力不以嵌入式形式存在以使該技術(shù)可行。但幸運(yùn)的是，正在開發(fā)另一種將永遠(yuǎn)改變電機(jī)控制面貌的技術(shù)——微處理器。不久之后，幾家制造商開始提供基于微處理器的矢量控制解決方案，涵蓋廣泛的電源選項(xiàng)。很快，“矢量控制”一詞成為高性能、高科技驅(qū)動(dòng)的代名詞。后來，創(chuàng)造了一個(gè)不那么含糊且在技術(shù)上更精確的術(shù)語：“面向場的控制”。

磁場定向控制是一種高性能的電機(jī)控制技術(shù)，對(duì)各種應(yīng)用越來越有吸引力。