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永磁同步电机的FOC DTC你能弄了解吗?

发布时间:2022-03-07 10:02:59 来源:kok体育竞猜

产品介绍

  但无论是哪种操控方针,无非是一个闭环仍是两个闭环仍是三个闭环的差异,力矩操控作为最内层的环,是必不可少的。

  要操控一个电机,首要对被控目标的了解是有必要的。让咱们用下面这张动图来协助了解永磁同步电机是怎样运动起来的。定子三相上通过互差120度的交变电压今后,在定子铁芯上能够看到发生了旋转的磁场(动图中代表磁场方向的红绿色彩逆时针旋转),在这个旋转的磁场效果下,与转子磁场发生力的效果,带动转子旋转。

  电机力矩是怎样发生的呢?在前文《电机的力矩、转速和功率》,咱们剖析过力矩与电枢(定子)电流成正比;

  那么电流是怎样发生的呢?咱们能够把电机的每一个绕组幻想成一个在磁场中旋转的电阻+电感,如下面的等效电路:

  假定电机开环运转,当给定电机定子三相一个互差120度的电压建立起旋转磁场今后,假如这个时分没有负载,电时机飞速的滚动起来(空载),直到反电势和给定电压彻底持平;此刻定子绕组中的电流为依然为0,能够将定子的旋转磁场设想(虚拟/等效)成一个绕着电机轴心旋转的磁铁,设想出来的这块磁铁的南极与转子磁铁的北极轴线相重合;

  当转子上有了负载今后,依据牛顿运动定理,电机的转速必定会有一个减速的进程,这就意味着上述等效电路中的反电势下降,而在给定电压不变的情况下,剩余的那些电压就会在电阻中发生电流了。在那这一段减速的进程傍边还发生了什么工作呢?由于被负载拖拽了一下,转子磁铁的轴心比虚拟出来的定子磁铁轴心要之后一个视点了,这个视点便是咱们所谓的“功角”。

  关于电机的矢量模型,互联网上能够找到各式各样的图,但这些图要么太笼统,看了半响不知所云,无法和什物对照起来;要么不行全面,一张图里的内容有限,对实际工作指导意义不大。

  说一千,道一万,所谓的电机的力矩操控,便是通过必定的操控算法,去寻觅一些开关管的组合(图中黄色部分)来组成一个给电机定子的给定电压(图中的大红色箭头),这个电压抵消掉反电势后发生的电流所对应的力矩刚好与外部负载平衡。

  电机的力矩操控当时存在的两个首要门户是磁场定向操控FOC和直接转矩操控DTC,当然这两种操控的算法从原理上说对一切的沟通电机都适用,本文仅仅讲讲他们用于永磁同步电机操控的异同。

  FOC操控理论开始于上世纪70年代由西门子的工程师提出。在上文中咱们提到过能够把定子所发生的磁场虚拟成一个绕转子高速旋转磁铁。

  定子磁势可分解为d轴磁势和q轴磁势,d轴磁势与转子磁势同轴,不能发生切向的力矩,但会影响永磁同步电机转子永磁体所发生的磁场;q轴与转子磁势相差90度,因此发生切向的力矩(相似两根笔直的条形磁铁所发生的彼此效果力)。

  FOC的操控的基本思路便是将三相停止ABC坐标系下的相关变量转换到旋转坐标系下(d,q)进行数学运算,controller改动d轴和q轴的电压到达操控d轴和q轴电流的意图。可是终究给电机三相的只能是停止坐标系下的电压,因此在操控算法中需求再次把dq轴的电压转换成ABC三相电压给驱动桥。即存在一个从物理模型à数学模型à操控算法à物理模型的进程。

  1.电机三相电流(可选用如上图所示的的两个电流传感器,也能够选用一个低边或高边的母线电流传感器,用分时采样电流重构的办法复原出三相电流)

  2、将3相电流改换至2轴体系。该改换将得到变量iα和iβ,它们是由测得的ia和ib以及核算出的ic值改换而来的。从定子视点来看,iα和iβ是彼此正交的时变电流值。

  3、依照操控环上一次迭代核算出的改换角,来旋转2轴体系使之与转子磁通对齐。iα和iβ变量通过该改换可得到Id和Iq。Id和Iq为改换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下,Id和Iq是常量。

  5、预算出新的改换角,其间Vα、Vβ、iα和iβ是输入参数。新的视点可奉告FOC算法下一个电压矢量在何处。

  6、通过运用新的视点,可将PI操控器的Vd和Vq输出值逆变到停止参阅坐标系。该核算将发生下一个正交电压值Vα和Vβ。

  7、Vα和Vβ值通过逆改换得到3相值Va、Vb和Vc。该3相电压值可用来核算新的PWM占空比值,以生成所希望的电压矢量。

  DTC的呈现比FOC晚了十多年,是上世纪80年代中期由德国学者Depenbrock教授提出。其基本思路是不再将定子侧的相关变量折算到转子的旋转坐标系下,抛弃了矢量操控中电流解耦的操控思维 ,去掉了PI调理模块、反Clark-Park改换和SVPWM模块 ,转而通过检测母线电压和定子电流 ,直接核算出电机的磁链和转矩 ,并使用两个滞环比较器直接完成对定子磁链和转矩的解耦操控。

  从上框图咱们可看到,操控算法首要依据电机的线电流和相电压,得到在停止两相坐标轴下的电压和电流 Uα 、Uβ、 Iα、 Iβ。然后依据这四个量,对定子的磁通和力矩进行估量,怎样个估量法呢?能够用如下两个公式(不需求电机视点信号):

  当然假如忧虑软件中积分运算有累计差错导致不精确,或许转子磁通的值不精确,或许功率角的值不精确,也能够在体系中参加视点传感器,将相关参数都放到旋转坐标dq轴坐标系下后去核算。

  核算得到定子磁通和扭矩值今后,与其参阅值做比较并通过滞缓比较器今后,得到两个非零即1的情况量,表征当时磁和力与参阅值的联系其联系如下。

  1.针对当时的力矩和磁场,不考虑究竟磁场和力矩输出与参阅值相差多少,只考虑他们是“欠”仍是“过”

  2.在操控战略中,不考虑每一次运转的时分都给一个精确的电压矢量,而是在每个运转周期内给出一个V1-V6其间之一(因此没有占空比这个概念存在了)

  接下来的问题是怎样挑选V1仍是V6呢?仍是先回到D-Q轴坐标系的这张图(虽然在操控中算法中不会用到),稍作考虑即可想了解假如施加的电压向量与d轴在正负90度之内就会导致磁通添加;施加的电压向量与q轴在正负90度之内就会导致扭矩添加。

  1.假如电机欠磁欠力(1 1),给定U2,则给定电压与电机当时方位的电压夹角介于[0° 60°]之间,完成增磁增力;

  2.假如电机欠磁过力(1 0),给定U6,则给定电压与电机当时方位的电压夹角介于[-60° 0°]之间,完成增磁增力

  3.假如电机过磁欠力(0 1),给定U3,则给定电压与电机当时方位夹角介于[60° 120°]之间,电时机增力,但磁的情况不单调,可是跟着多个循环的调整,磁终究也能与给定平衡(这个是没有办法的工作,6个电压矢量把空间分成了6个区间;而增减联系是4个区间,必定有堆叠)

  4.假如电机过磁过力(0 0),给定U5,则给定电压与电机当时方位夹角介于[180° 240°]之间,电机减磁减力

  这个方位信号究竟有多重要呢?仍是用数据来说话吧。笔者搭建了一个电机的电流环仿真模型,固定电机转速的情况下,给定电机3.2Nm的操控指令,

  这种计划会在电机端部与转子同轴处装置一磁环板,板上充有内磁环和别传两部分,一起在磁环邻近装置有一PCB,PCB上装置有三个单线性hall芯片输出Hall_A,B,C信号和一个双线性Hall芯片输出Hall_Q1,Q2信号。

  因此,对这三片hall芯片在PCB版上的摆放要求便是这三个芯片应该在【0 360/极对数】范围内均匀散布。外磁环上散布了若干N-S磁极(比较典型的数字是72,80),跟着转子的滚动N_S磁极每通过双Hall芯片下方一次,芯片感应输出一组正交90度改变的HallQ1_Q2信号。

  旋转变压器的定子绕组作为变压器的原边,承受励磁电压;转子绕组作为变压器的副边,通过电磁耦合得到感应电压。

  Hall信号的一般通过一个简略的整形电路今后直接接入单片机的比较捕捉单元就能够被单片机进行解码,某些单片机甚至有专门的Hall信号正交编码单元由硬件完成对HallQ信号的解码;

  而旋变信号则需求专用的解码芯片(该专用解码芯片一般来说是指RDC resolver芯片,现在做的最好的便是美国的ADI和日本多摩川两家,但也不肯定,比方某日本厂商选用的便是一片运算单元功能强大但外设很少的MCU)。

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