永磁同步电机控制笔记:foc控制原理通俗讲义 |
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引言
到此为止,永磁同步电机控制相关文章已经写了7篇,其中simulink仿真系列文章5篇,控制笔记系列文章2篇,恍惚间感觉少了一篇概论,在此插入一篇,也算是对入坑电机控制一年半来的知识梳理。 文章目录 引言一、同步电机是怎么转起来的二、什么样的旋转磁场效率最高三、怎么精准控制旋转磁场的方向四、怎样调节dq轴电流五、FOC控制系统框图六、小结 一、同步电机是怎么转起来的永磁同步电机结构如下: 既然永磁同步电机工作的本质是定子磁场带着作为转子的永磁体旋转,那么是不是只要产生了旋转磁场就能够让永磁同步电机旋转呢?显然不是,若定子磁场旋转频率过高,转子转了10度,定子磁场就已经旋转了180度,那么结果就是转子来回震荡,如果定子磁场旋转频率更高,定子就会在更小的范围内更快的震荡。 可以想象,只有当旋转磁场旋转频率和转子旋转频率保持同步,才能保证电机旋转平稳,电机静止的时候不能直接通入旋转频率极高的磁场,如果电机静止时给转子极低频率的旋转磁场,让电机慢慢启动,随着电机转子的转动慢慢提高磁场的频率到目标频率,是不是电机就能稳定运行呢?答案是肯定的,恒压频比控制(VF控制)就是这种思路,不过考虑到电机高速旋转时需要消耗更多能量,这种控制方法在提升频率的同时也提升了输入电压。 但是很显然,当负载变动的时候这种方法就会出现问题,比如轻载运行,稳态时磁场和转子N极夹角1弧度,随着负载加重,磁场和转子夹角越来越大,直到夹角为pi/2弧度,磁场做功最大,产生最大转矩,即电机效率最高。如果此时继续加大负载,磁场和转子夹角继续变大,而转矩变小,电机将发生失步。上图表述了磁场和转子夹角与磁场利用率的大致关系。 那么有没有办法让磁场利用率始终保持最高呢? 想要让定子磁场利用率最高,就要保证定子磁场产生的力全部用来拉动转子旋转,就是说,合成磁场的方向要超前转子的方向90度,并一直保持超前90度。 三、怎么精准控制旋转磁场的方向前文提到,想要实现最高效率的利用旋转磁场就是要保证旋转磁场和转子之间的夹角始终保持90度,这就要求必须准确的知道转子的位置,一般来说,电机转子的位置可以通过编码器获取,电机编码器有便宜但是分辨率低的霍尔编码器,有分辨率达数千甚至上万线的增量式编码器,还有分辨率高达217甚至223的通信式编码器。通过编码器可以准确的知道转子的位置,对于对成本敏感但对精度要求低的场合,可以使用位置估计的方法获取电机转子的位置。 对磁场的控制本质上是对电流的控制,因为磁场是由电流产生的。 获取到电机转子的位置之后,就可以通过坐标变换的方法将电流从以定子为基准的uvw坐标系转化到和转子方向始终一致的dq坐标系。 在dq坐标系中,电机转矩可以表达为: Te = 3/2pn(Φfiq + (Ld - Lq)idiq) 所以通过坐标变换将三相电流转化成了控制电机转矩的q轴电流,与控制励磁磁场的d轴电流,图中θ为电机定子u相与转子的电角度。坐标变换的具体原理以及图示参见永磁同步电机控制笔记:clark变换park变换示意图. 既然说如果让定子磁场,也就是输入电流,全部用来拉着电机转子转就能够实现效率最大化,那么实现坐标变换后,让电流全部在q轴方向就好了,让d轴电流保持为0,对于Ld=Lq的隐极电机,id=0的控制即为最小电流转矩比控制。 四、怎样调节dq轴电流那么怎么让电流全部在q轴方向呢?我们没有办法直接控制电流啊。 综上,可以理出FOC控制系统的大致框架: 本文尽可能的使用通俗易懂的语言总结了FOC控制的基本理论,撰写此文,也是对自己一年多以来学习研究电机控制技术的一个回顾与总结。若文中有所纰漏,还请各位前辈指正。另外笔者其他文章详细记录了使用simulink进行FOC控制的仿真实验过程并给出模型,并在一些文章中展开说明了FOC控制中的部分模块原理,欢迎大家访问。 |
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