磁場定向電機控制發(fā)展的歷史基礎(chǔ)

一個多世紀以來，電動機一直是我們生活中不可或缺的一部分。沒有它們，就不會有工業(yè)革命，您的生活方式將與您所享受和期望的完全不同。電機通常不為人知，默默無聞，默默地做著許多我們認為理所當然的日常瑣事，但它們是系統(tǒng)設(shè)計者工具包中的重要元素。

為了說明我的觀點，我最近在我家周圍進行了一次探索，看看我能找到多少臺電動機。我沒有計算我汽車中的任何電機，因為我真的不知道如何找到它們，我也沒有計算我家庭辦公室實驗室中的任何電機，因為這會扭曲結(jié)果。盡管如此，我還是找到了 114 個電機。從井泵中的 230V 電機到筆記本電腦內(nèi)的小風扇，讓處理器保持良好和涼爽。

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

交流感應(yīng)電機沒有這些問題。然而，它們幾乎只以一種速度運行，這取決于驅(qū)動它們的電壓波形的頻率。如果你想以不同的速度運行交流電機，你可以試著打電話給電力公司，讓他們今天給你一個不同的頻率?；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的交流電壓和頻率。晶閘管控制器很快被基于 PWM 的設(shè)計所取代，從而可以更嚴格地控制電機波形。這些基于 PWM 的交流驅(qū)動器被稱為“Volts-per-Hertz”控制器，因為它們產(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)動器比有刷直流電機驅(qū)動器需要更多的電子設(shè)備，但電子元件的成本隨著時間的推移而下降，最終系統(tǒng)成本變得更具競爭力。

只有一個問題。盡管您可以實現(xiàn)變速控制，但與有刷直流電機驅(qū)動器相比，扭矩響應(yīng)相當遲鈍。那是因為沒有辦法直接控制 Volts-per-Hertz 驅(qū)動器中的扭矩。對于給定的速度，您唯一可以調(diào)節(jié)的旋鈕是電機的電壓，這不是控制扭矩的有效方法。

開發(fā)了 Volts-per-Hertz 驅(qū)動器的一種變體(稱為滑差控制器)，它可以自動調(diào)整電機電壓以調(diào)節(jié)滑差，滑差與感應(yīng)電機上的扭矩成正比。雖然有些應(yīng)用對此沒問題，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一些方法，以使交流感應(yīng)電機實現(xiàn)類似于有刷直流電機的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。他意識到問題的關(guān)鍵是確定轉(zhuǎn)子磁通的角度。

這并不像您在感應(yīng)電機上想象的那么容易。轉(zhuǎn)子磁通相對于轉(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。Blaschke 的解決方案包括通過直接在電機上進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)點和缺點，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控制轉(zhuǎn)矩。

這種通量角方法被稱為矢量控制，因為它涉及實時矢量計算以跟蹤旋轉(zhuǎn)通量和電流矢量。請記住，對于 Volts-per-Hertz 設(shè)計，目標是控制電機電壓，而電機電流是偶然的。但是在矢量控制系統(tǒng)中，目標是控制電機電流，而電機電壓是附帶的。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!隨著時間的推移，速度只是您對電機施加的任何扭矩的輔助產(chǎn)品。

矢量控制技術(shù)的第一個實現(xiàn)基本上是實驗室的好奇心，因為計算能力不以嵌入式形式存在以使該技術(shù)可行。但幸運的是，正在開發(fā)另一種將永遠改變電機控制面貌的技術(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。很快，“矢量控制”一詞成為高性能、高科技驅(qū)動的代名詞。后來，創(chuàng)造了一個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控制技術(shù)，對各種應(yīng)用越來越有吸引力。