低速時的高性能電機(jī)控制應(yīng)用

無傳感器電機(jī)控制主要應(yīng)用于大部分工作時間處于較高電氣頻率(機(jī)械速度)的應(yīng)用。這主要是因?yàn)榇蠖鄶?shù)無傳感器技術(shù)需要由轉(zhuǎn)子以最小頻率旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢 (Bemf) 信號。能夠在零速和極低速下連續(xù)估計轉(zhuǎn)子磁通角并在低速和高速估計器之間穩(wěn)定移動，可以提高負(fù)載下無傳感器啟動的有效性。

您可能知道在 InstaSPIN-FOC 軟件中使用的 TI 的 FAST 軟件觀察器。FAST 的最低工作頻率遠(yuǎn)低于其他觀察者，有時低于 1 Hz。但它仍然需要最低頻率。

使用 FAST 等無傳感器技術(shù)時，初始轉(zhuǎn)子磁通角是未知的，并且在測量到足夠的 Bemf 以使算法可以開始正確估計之前，估計是不可預(yù)測的。但是這個估計的角度——即使是不正確的——將饋送到將應(yīng)用于電機(jī)的控制系統(tǒng)，這可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子運(yùn)動。然而，只需少量的轉(zhuǎn)子運(yùn)動，就會產(chǎn)生足夠的 Bemf 電壓，以便算法可以收斂到一個合理的角度估計值，從而允許受控的高扭矩驅(qū)動進(jìn)入一個出色的操作區(qū)域。因此，如果產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩用于轉(zhuǎn)子運(yùn)動，則可以使用這種方法來啟動電機(jī)，但在啟動性能上可能會不一致。

產(chǎn)生足夠的扭矩

隨著啟動負(fù)載的增加，您可以產(chǎn)生的扭矩將取決于電流和磁場的對齊方式(由角度估計的準(zhǔn)確性決定)。為了確?？梢援a(chǎn)生足夠的電流，速度控制器的最大(正負(fù))輸出必須大于產(chǎn)生額定轉(zhuǎn)矩所需的額定電流。舉例，請注意以下在滿載情況下啟動電機(jī)時捕獲的波形。產(chǎn)生移動該額定負(fù)載所需的扭矩需要 4A 的電流。在這種情況下，速度控制器的最大輸出設(shè)置為 (6.0)，您可以看到在第一個電氣循環(huán)中達(dá)到了 6A 電流以移動轉(zhuǎn)子。在這個例子中，F(xiàn)AST 能夠提供一個有效的角度，

即使您正在生成一個穩(wěn)定的反饋角度，該角度也不一定正確對齊以產(chǎn)生最大扭矩。您基本上只是掃描定子磁場并等待轉(zhuǎn)子磁場鎖定并同步。當(dāng)定子磁場方向不正確時，您將不會產(chǎn)生足夠的扭矩，或者在最壞的情況下，會產(chǎn)生所需的相反方向的扭矩。改善這種情況需要控制系統(tǒng)有更好的啟動角度。但是，當(dāng)包括 FAST 在內(nèi)的大多數(shù)無傳感器控制算法無法在零速下提供有效角度時，我們該怎么做呢?

對準(zhǔn)

在磁場定向控制 (FOC) 系統(tǒng)中進(jìn)行初始對準(zhǔn)的一種方法是將直流電流注入控制系統(tǒng)的 Id 部分(不注入 Iq)。這是 D 軸，定義為轉(zhuǎn)子磁通的方向。

如果該電流大到足以移動轉(zhuǎn)子(和任何負(fù)載)，則注入將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子現(xiàn)在處于已知角度(0 弧度)，這意味著雖然仍然模擬強(qiáng)制角度，但它至少開始于正確的方向和產(chǎn)生扭矩的最佳位置。這種直流電流注入可以“手動”完成，或者您可以利用我們的 InstaSPIN-FOC 解決方案中包含的 RsRecalibration 標(biāo)志。

負(fù)載測試下的啟動是雖然可以顯著提高大多數(shù)應(yīng)用程序的無傳感器啟動能力，但仍然存在一些限制，特別是在可能具有高度動態(tài)負(fù)載高達(dá)額定扭矩輸出的 100%。

連續(xù)角跟蹤

要真正解決啟動問題，您需要能夠在零速和極低速下連續(xù)估計轉(zhuǎn)子磁通角，并以穩(wěn)定的方式在低速和高速觀測器之間轉(zhuǎn)換。

需要兩個函數(shù)，TI 使用我們的 InstaSPIN-FOC 技術(shù)在一組新的庫中提供這些函數(shù)。操作分為兩部分：

· IPD_HFI：用于零速和低速操作的初始位置檢測 (IPD) 和高頻注入

· AFSEL：IPD_HFI 和 FAST 之間的邏輯轉(zhuǎn)換

這些功能的操作將在下一頁更詳細(xì)地描述。

初始(零速)位置檢測

IPD_HFI 模塊的 IPD 部分使用定子線圈纏繞的鐵的 BH 曲線來確定轉(zhuǎn)子的北極，從而確定 d 軸。磁場強(qiáng)度將偏向定子的 BH 曲線工作點(diǎn)，如下圖所示。定子線圈施加支持和相反的磁場。當(dāng)兩個場都支持時，BH 曲線被進(jìn)一步推入飽和。當(dāng)磁場相反時，BH 曲線工作點(diǎn)進(jìn)一步移動到線性區(qū)域。這兩個 BH 曲線工作點(diǎn)之間的電感差異允許 IPD 算法確定轉(zhuǎn)子北極的位置。

低速位置檢測

一旦找到轉(zhuǎn)子的北極，就必須在電機(jī)運(yùn)行期間始終對其進(jìn)行跟蹤，以實(shí)現(xiàn)最佳控制系統(tǒng)性能，即使在啟動之間的極短時間和 FAST 能夠可靠地提供有效角度估計時也是如此。IPD_HFI 模塊采用高頻信號跟蹤北極。然而，這種能力依賴于具有大凸極的電機(jī)設(shè)計?？梢酝ㄟ^將轉(zhuǎn)子磁體放置在轉(zhuǎn)子表面下方來引入顯著性，其中轉(zhuǎn)子鐵中的間隙留在兩極之間。將此與下圖中的非突出表面安裝設(shè)計進(jìn)行對比。

對于凸極式電機(jī)，流過磁體的磁通的磁阻差大于鐵路徑的磁阻，因?yàn)榇判圆牧系南鄬Υ艑?dǎo)率遠(yuǎn)低于周圍的鐵。隨著轉(zhuǎn)子的角度前進(jìn)，磁阻經(jīng)歷周期性變化。如果在定子的線圈上測量電感，則如下所示：

IPD_HFI 的 HFI 部分使用此信息在轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時保持鎖定在轉(zhuǎn)子的北極上。為了確保 HFI 的角度鎖定在北極而不是南極峰上，IPD 部分將 HFI 初始化為 D 軸北極。用于激發(fā)該磁阻特征的高頻信號的選擇是基于電機(jī)的時間常數(shù)來選擇的。

過渡邏輯

HFI 算法在低速下工作得很好，但它有一個最大速度限制。在達(dá)到此最大速度限制之前，必須將電機(jī)控制移交給更高速度的觀測器，例如 FAST。在低速 (HFI) 和高速 (FAST) 估計器之間進(jìn)行選擇的模塊是角頻率選擇 (AFSEL)。AFSEL 需要來自低速和高速估計器的角度和頻率輸入，以及控制從一個估計器傳遞到另一個估計器的速度設(shè)置。

局限性

除了需要凸極轉(zhuǎn)子設(shè)計外，該方法的主要限制之一是通過電機(jī)的電流對凸極效應(yīng)的影響。要在負(fù)載下啟動電機(jī)，電機(jī)必須消耗足夠的電流來產(chǎn)生所需的扭矩。隨著電流的增加，磁阻變化減小，因此電感變化也減小。結(jié)果，模塊的 HFI 部分將無法準(zhǔn)確地估計角度位置以使扭矩產(chǎn)生最大化。這種效果必須經(jīng)過測試，并且高度依賴于電機(jī)設(shè)計和初始顯著性(變化)。更多的變化總是更好。