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簡(jiǎn)化電流控制創(chuàng)造最佳FOC效能
直流馬達(dá)控制很簡(jiǎn)單，因?yàn)槠渌惺芸氐牧慷际欠€(wěn)定狀態(tài)的直流電(DC)值，而且電流相位/角度受機(jī)械換向器的控制；但在PMSM領(lǐng)域中，要如何才能實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制技術(shù)？
二、DC值/角度控制
首先，須知道轉(zhuǎn)子的位置，其常常與A相有關(guān)。我們可使用絕對(duì)位置感測(cè)器(如解析器)或相對(duì)位置感測(cè)器(如編碼器)，并處理所謂的「對(duì)齊」。對(duì)齊過(guò)程中，將轉(zhuǎn)子與A相軸線對(duì)齊，如此一來(lái)A相軸線與直軸(勵(lì)磁分量所在軸)就對(duì)齊。在這種狀態(tài)中，轉(zhuǎn)子位置設(shè)為0；亦即，構(gòu)建靜態(tài)電壓向量，令所需的電壓在d軸，位置設(shè)為0，這導(dǎo)致定子磁場(chǎng)吸引轉(zhuǎn)子，并將直軸與A相軸線對(duì)齊。三相量可通過(guò)Clarke變換轉(zhuǎn)換成等效的二相量。接著，再透過(guò)Park變換將兩相靜止參照系中的量轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，這期間要用到轉(zhuǎn)子位置。
轉(zhuǎn)子的電氣位置是轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置再乘以極對(duì)數(shù)pp。經(jīng)過(guò)一系列控制之后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在馬達(dá)端子上生成三相交流電壓，因此所需/生成電壓的直流值應(yīng)當(dāng)通過(guò)反Park/Clarke變換進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
三、幅值控制
所有變數(shù)現(xiàn)在都是直流值，可以輕松控制，但是要如何控制它們的幅值呢？對(duì)于幅值控制，建議使用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的PI控制器，且可以像直流馬達(dá)那樣控制許多狀態(tài)量，如相電流(扭矩環(huán))、轉(zhuǎn)速和位置。
四、FOC步驟
首先，須測(cè)量馬達(dá)的相電流，并使用Clarke變換將它們轉(zhuǎn)換為兩相系統(tǒng)，及計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角；接著，再使用Park變換將定子電流轉(zhuǎn)換為d、q坐標(biāo)系統(tǒng)上；此時(shí)，定子電流扭矩(isq)分量和磁通量(isd)生成分量由控制器單獨(dú)控制；最后，透過(guò)逆向Park變換，輸出定子電壓空間向量從d、q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換回兩相靜止坐標(biāo)系，并使用空間向量調(diào)制，生成三相輸出電壓。
五、無(wú)感測(cè)器控制
設(shè)計(jì)人員需要轉(zhuǎn)子的位置資訊，才能高效地控制永磁同步馬達(dá)，然而在一些應(yīng)用中于傳動(dòng)軸上安裝轉(zhuǎn)子位置感測(cè)器，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的耐用性和可靠性。因此，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)不是使用這個(gè)機(jī)械感測(cè)器直接測(cè)量位置，而是利用一些間接的技術(shù)估算轉(zhuǎn)子位置。
低速時(shí)，須高頻率注入或開(kāi)環(huán)啟動(dòng)(效率不高)等特殊技術(shù)來(lái)啟動(dòng)馬達(dá)并使之達(dá)到某一個(gè)轉(zhuǎn)速，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)已足夠。通常，5%的基本速度足以使無(wú)感測(cè)器模式正常運(yùn)行。
中/高速時(shí)，使用d/q參照系中的反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器。內(nèi)部脈寬調(diào)變(PWM)頻率和控制環(huán)路頻率必需夠高，才能獲得合理數(shù)量的相電流和直流母線電壓的樣本。反電動(dòng)勢(shì)觀測(cè)器的計(jì)算要求乘累加、除法、正弦/余弦(sin/cos)、開(kāi)方等數(shù)學(xué)計(jì)算，適合使用基于安謀國(guó)際(ARM)內(nèi)核的KinetisMCU或PowerArchitecture系列的數(shù)位訊號(hào)控制器(DSC)。
六、弱磁控制
超過(guò)馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的作業(yè)要求，PWM逆變器提供的輸出電壓高于直流母線電壓所限制的輸出能力。要克服速度限制，可實(shí)施弱磁演算法。負(fù)的d軸給定電流將提高速度范圍，但由于定子電流的限制，可得到的最大扭矩會(huì)相對(duì)地降低。在同樣的直流母線電壓限制下，控制d軸電流可以起到弱化轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的效果，這降低了反電動(dòng)勢(shì)電壓，允許更高的定子電流流入馬達(dá)。
七、PMSM/MCU相輔相成提升工業(yè)機(jī)器人自由度
機(jī)器人已開(kāi)始在工廠自動(dòng)化處理中發(fā)揮著重要作用，其代替工人進(jìn)行焊接、涂裝、裝配等可藉由機(jī)器人達(dá)到更經(jīng)濟(jì)、快速和準(zhǔn)確完成標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)作業(yè)。以下將從馬達(dá)控制角度介紹系統(tǒng)描述和需求。
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