各類電機(jī)的矢量控制方案有哪些?
1、矢量控制的基本原理,通過測量和控制異步電動機(jī)定子電流矢量,根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機(jī)的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制,從而達(dá)到控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的,將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量,和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量分別加以控制。
2、并同時控制兩分量間的幅值和相位,即控制定子電流矢量,所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。
3、簡單的說,矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦,有利于分別設(shè)計兩者的調(diào)節(jié)器,以實現(xiàn)對交流電機(jī)的高性能調(diào)速,矢量控制方式有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無位置傳感器矢量控制方式和有位置傳感器的矢量控制方式等,這樣就可以將一臺三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制。
4、因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。
矢量控制是一種交流電機(jī)控制理論,由德國西門子公司的F.Blaschke于1971年提出。
它的基本思想是模仿直流電機(jī)的磁場定向方式,將交流電機(jī)的定子電流分解為與轉(zhuǎn)子磁鏈同方向的勵磁分量和與磁鏈方向正交的轉(zhuǎn)矩分量,將勵磁分量和力矩分量進(jìn)行解耦,便于控制器實現(xiàn),從而實現(xiàn)對交流電機(jī)的精確速度和轉(zhuǎn)矩控制。
永磁同步電機(jī)矢量控制框圖
從圖1可以看出,要實現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制需要以下幾步:
(1)測量流過電機(jī)相繞組電流Ia、Ib、Ic;
(2)將Ia、Ib、Ic進(jìn)行Clark變換到α-β坐標(biāo)系;
(3)將Ialpha-Ibeta進(jìn)行Park變換得到Id、Iq
(4)將目標(biāo)電流和反饋電流進(jìn)行PI控制得到Vd、Vq
(5)將Vd、Vq進(jìn)行Anti-Park變換得到Valpha-Vbeta
(6)將得到的Valpha-Vbeta進(jìn)行SVPWM調(diào)制控制,從而得到三相電壓輸出
從上述的控制描述可以看出,永磁同步電機(jī)矢量控制對硬件的要求如下:
圖2 永磁同步電機(jī)矢量控制硬件要求
其中ADC中需要采集最少兩相電流,母線電壓Vdc是否采集看應(yīng)用情況;PWM發(fā)波高級定時器需要有三相互補帶死區(qū)的PWM發(fā)波功能;位置檢測需要正交編碼器檢測功能,或者霍爾檢測功能,假如使用無傳感器控制,則不需要。
永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制實現(xiàn)起來并不難,但要把電機(jī)控制做的好,需要時間去沉淀。
具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功率密度高、效率高和高等優(yōu)點,在各種高性能驅(qū)動
系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。在PMSM高性能控制中,一般需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械,以測量的轉(zhuǎn)子速度和位置。而對于那些對成本控制較嚴(yán),不適合使用機(jī)械傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域中,無傳感器控制策略成為研究的熱點。Fortior針對PMSM的無傳感器推出了高性能的控制器FT3066,以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。
2. 基于FT3066的SPMSM(Surface PMSM)矢量控制結(jié)構(gòu)及特點
FT3066是高性能PMSM矢量控制專用芯片。圖1展示了基于FT3066平臺實現(xiàn)的表貼式永磁同步電機(jī)
最大轉(zhuǎn)矩/電流控制比控制策略。
圖1 表貼式PMSM最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制
控制器特點描述如下:
l 無傳感器估算算法獲得精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信息。
l 可靠的啟動及角度的軟切換處理。
l 轉(zhuǎn)速的無級調(diào)速,優(yōu)良的閉環(huán)速度控制性能。
l 優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩控制性能。
l 電流環(huán)和速度環(huán)路參數(shù)易于整定。
l 支持單電阻,雙電阻,三電阻電流采樣算法,采樣電路如圖2所示。
l 支持風(fēng)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的逆風(fēng)和順風(fēng)啟動。
l 支持PWM,模擬調(diào)速控制。
l 支持FG輸出功能。
l 具有堵轉(zhuǎn)保護(hù),缺相保護(hù),過、欠壓保護(hù),過流保護(hù)功能。
3. FT3066及周邊硬件電路實現(xiàn)
3.1 FT3066控制芯片描述
l 最大108MHZ CPU執(zhí)行速度。
l 零等待FLASH讀寫操作。
l 2.6~3.6V電壓供電。
l 芯片提供6對帶死區(qū)控制的專用PWM。
l 2路高速12位的多通道,可靈活配置采樣的ADC模塊(1MSPS轉(zhuǎn)換率)。
l 豐富的通訊外設(shè)接口。
3.2電阻采樣電路
FOC矢量控制需要電機(jī)電流反饋信息。FT3066可配置兩電阻或三電阻橋臂電流采樣或單電阻的直流
母線電流采樣。電流采樣電路的好壞直接影響無傳感器算法對轉(zhuǎn)子位置及速度信息估算的結(jié)果,進(jìn)而影響控制性能。FT3066采用如下的電流采樣調(diào)制電路,根據(jù)控制的電機(jī)及負(fù)載情況,優(yōu)化調(diào)制電路的參數(shù)。
圖2 電流采樣調(diào)制電路
3.3 FT3066實現(xiàn)SVPWM調(diào)制
SVPWM載波頻率可選:12K,16K,18K,20K。在使用過程中,可根據(jù)實際應(yīng)用選擇不同載波頻率,通
常情況下載波頻率越高,電機(jī)電磁噪音越小,MOS開關(guān)損耗會增加;反之,載波頻率越低,電機(jī)噪音越大,MOS開關(guān)損耗減小。
3.4 FG輸出信號
FG是一個反映電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的。如果不使用該功能,可以將其引腳懸空。下圖為一個電頻
率對應(yīng)的FG信號輸出波形
4. 典型應(yīng)用
FT3066以其優(yōu)異的控制性能,可廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類等市場應(yīng)用。其成功案例有空調(diào)風(fēng)機(jī)、油煙機(jī)風(fēng)機(jī)、高壓風(fēng)扇、洗滌泵、屏蔽泵等。
5. 總結(jié)
FT3066是Fortior推出的高性能電機(jī)控制芯片。它采用無傳感器磁場定向控制技術(shù)和最大轉(zhuǎn)矩/電流比
控制策略,支持兩電阻、三電阻橋臂電流采樣和單電阻的母線電流采樣。具有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制和優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)調(diào)節(jié)效果。具有堵轉(zhuǎn)保護(hù),缺相保護(hù),過、欠壓保護(hù),過流保護(hù)功能。