电机控制_电机控制算法 - CSDN
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电机控制是指,对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。 展开全文
电机控制是指,对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制。
信息
降压启动
自耦变压器启动等
目    的
电机快速启动、快速响应
电机调速方法
变极调速及矢量控制等
含    义
对电机的减速及停止进行的控制
中文名
电机控制
电机控制介绍
电机控制根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的。对于电动机,通过电机控制,达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。
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  • 电机控制的学习经验

    2020-08-18 20:41:37
    已经读了三年研究生,如果算上之前本科为了参加比赛而学习的电机控制,应该学电机控制接近五年了。这几年下来感觉学的还是很充实的,今天谈谈电机控制可以学些什么。 如许多人所说,电机控制已经十分成熟了。矢量...

    前言

    已经读了三年研究生,如果算上之前本科为了参加比赛而学习的电机控制,应该学电机控制接近五年了。这几年下来感觉学的还是很充实的,许多人所说,电机控制已经十分成熟了。常规的控制算法如直接转矩控制、矢量控制,无位置传感器运行、弱磁运行等,在学术界已经有大量的相关论文发表出来,在工业实践中已经有许多成熟技术得到应用。看上去,电机的控制可研究的内容已经很少了。但是,我觉得这并不是电机控制研究的终点,前面那些电机控制的理论和技术,都是为了解决实际的控制问题而诞生的,因此,只要实际生活中电机还在使用,那么总归能够找到需要的解决电机控制问题,也就有值得研究的地方。
    今天谈谈电机控制的学习经验,具体就讲讲学习时候有哪些好的工具或者学习途径吧。

    学术资料的获取途径

    学术会议

    参加学术会议可以了解到许多新的研究成果,或者是别人对于控制问题的一些思考,
    这是我在一次学术会议上看到的介绍,里面的研究问题值得我们去思考。
    在这里插入图片描述

    文献阅读

    文献阅读的时候,可以去找有好的方法的,也可以去看那些有好的想法的,以下是文章介绍的电机控制的研究意义

    据统计,全球大约50%的电能都是被电机/马达消耗的,而数量巨大的家用电器及工业设备占比很大,如家电类的冰箱、空调、洗衣机、风扇、水泵等都需要电机提供动力,而工业设备中大量的步进马达,如打印机、复印机、雕刻机、纺织机等。如今,90%已经安装的电机无论需要与否,都连续不断地全速运作,有些电机驱动效率低下,发热严重,而有些使用机械系统调节输出,就像我们开车时。时而油门时而刹车调整车速一样,非常浪费。
    单纯从民用角度讲,高效电机的发展趋势是发展智能马达,提高效率并减少不必要的输出。现代的家用电器,在满足使用需求的基础上,已经在非常努力地提高电机的效率,但是同样面临多重工况下无法兼顾效率的问题,同样需要智能电机驱动技术。工业设备的智能电机驱动的推广,同样能大幅度提高电机的使用效率。
    从地球保护和资源可持续发展的观点来看,近年来家电产品都要求高效和节能化。白色家电中的空调及冰箱、洗衣机等为了使电机能高效节能、低振动及低噪音运行,很多应用了正弦波技术、矢量控制。矢量控制目前已经在国内家电厂家进行普及,今后应该会继续进行在家电行业内扩大。本文基于东芝的TMPM370进行说明[1]。
    对于大多数家用电器制造商,提高电器效率和降低可闻噪声是最优先考虑的事项。通常,政府通过严格的法规来推动对效率的要求。然后,有一些消费者会愿意引领潮流,以相对较高的价格购买“更绿色”的电器。这驱使电器制造商研究相应的解决方案,解决效率和可闻噪声方面的问题,同时让增加的整体系统成本保持最低。例如,电器制造商希望设计出可以快速响应速度变化(包括洗涤和甩干两个过程)的洗衣机。一些高级电机控制技术,如磁场定向控制(FOC),也称为矢量控制,有助于设计出更加安静节能的洗衣机。
    根据电力研究协会(EPRI)的研究,机械传动类应用,包括电机驱动、消费娄白色家电和工业用机器的能耗占全球电力消耗总量的50%以上,因此这一领域成为新的低能耗设计的首要目标[2]。
    [1] 刘全德. 面向家用电器产品电机驱动用的控制芯片[J]. 机电工程技术, 2016, 45(z1): 162-167.
    [2] Scott R. 高性价比电机驱动器的能耗解决方案[J]. 今日电子, 2007, (9): 61-62.

    对于工程实践问题解决方案的探索

    像我研究过的洗衣机电机控制中,无位置传感器控制、参数辨识这些确实是可以研究的地方,但是根据诸自强老师的介绍,可以研究的远不止这些,无位置的带载起动、负载平衡这些都是可以研究的点。要知道,电机的机械特性的表现,也是受到电机控制器影响的。

    从 1858 年汉密尔顿·史密斯发明第一台手摇洗衣机开始,洗衣机的动力和内部洗涤结构不断发展演进,逐步形成了滚筒式、波轮式和搅拌式等产品,并一直流传至今。其中,来自社会需求(能效、法规、标准)和市场需求(消费、健康、便利)的两方面因素,推动洗衣机技术不断发展。
    滚筒洗衣机的内桶是依靠外桶上的两个深沟球轴承支撑,在电机的带动下,完成旋转动作。在洗涤阶段,内桶以很低的转速转动,桶内负载从低处被带到高处,以一定角度抛出形成摔打,使负载上附着的污渍与负载分离;在脱水阶段,内桶高速旋转,桶内负载在离心力的作用下与水分剥离。轴承作为传动的核心部件,在整个洗衣过程中一直处于旋转状态。本文将通过相关部件受力分析,计算轴承的使用寿命,为轴承选型提供依据[3]。
    [3] 化范猛. 滚筒洗衣机轴承寿命计算与选型校核[J]. 家电科技, 2019, (03): 46-47+105.

    然后像变频空调这些,以前的老空调噪声很大,一般是因为采用了120度方波驱动控制导致的,方波驱动会带来转矩和高频运行噪音问题,但是是成本低。而正弦波驱动180度控制可以减小噪声,而且全频段(7DB)弱磁控制,缺点是成本高。不过随着目前的stm32这类单片机的普及,成本问题已经不高了。

    学习规划

    像电机控制的学习,针对不同阶段,可以考虑不同的学习方案。

    本科学习

    对于本科时期的学生,这一块可以先定性认识,借助于各种芯片厂商的软硬件方案,熟悉这一块的控制。

    研究生学习

    到了研究生时期,前期积累的编程经验已经足够自己编写想要的程序,因此,这一时期主要是学习各种控制算法。矢量控制这一框架下,要考虑很多细节问题,比如原来用来控制速度与电流的pi控制器,可以考虑是不是换成滑模控制器来代替,又或者考虑下模型预测控制。每种算法的优劣,这时候可以先通过理论分析预期得到,仿真工具和电机实验只是用来验证你的想法是否正确。

    尽可能掌握的技能

    基本的编程能力

    本科时期,我接触的是stm32、dsp,当时有老师提供的电机控制学习套件,我主要学习的是调控制器参数,对着ST、TI官方提供的代码看看矢量控制这些概念是如何编程实现的。这一块的学习门槛也相对较低,相关硬件很容易买到,而且价格不是很贵。

    仿真工具

    此外,我觉得还可以接触一下仿真软件,如Matlab、PLECS等,这些软件能够仿真控制算法。
    目前哈工大被禁用Matlab的问题可能会引起担忧,其实Matlab禁用这种问题就基本不用担心,因为它只是你验证算法的工具,仿真验证没有了,你还可以实验验证,对于我们电机控制,核心在于你的算法上,不是在于这些仿真工具上。也许有人想要利用Matlab工具箱内的现成算法来构建电脑端的程序,其实很多算法可以去开源平台上寻找,不必局限于Matlab。当然,算法没有验证前,直接进行实验可能有一定的危险,不过目前半实物仿真,如RTlab、Starsim等也挺流行的,可以用半实物来先进行算法的初步验证,而且半实物验证的准确度也比Matlab的高多了。

    一些新的开发方式

    代码自动生成技术是一种比较知名的开发方式,要知道,我们的主业不是编程,而是对于控制算法的研究,所以如果能够掌握一些快速高效的开发方式,对于我们的学习研究是很有帮助的。
    从主控芯片的配置来看,stm32单片机有stm32cube,可以快速配置外设。英飞凌的单片机也有相应的配置工具,这些工具省去了硬件配置的时间。
    从算法实现来看,matlab的工具能够自动生成代码,可以把搭建的算法模型转为c语言代码。这一算法实现的工具的目前存在的问题是,产生的代码效率可能不高。这里其实可以了解下,matlab生成代码中的设置,看看是否对于数据格式(定点数还是浮点数)、冗余代码(可能是调试信息)进行了合理配置。这些在实际开发的时候也是需要考虑的,目前的代码生成只是把这些需要考虑的地方通过配置来实现,并不是就完全不用考虑了。因为代码生成的目标芯片种类繁多。

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  • 浅谈PWM控制电机

    万次阅读 多人点赞 2017-08-30 14:01:47
    先简单说说这几种模式 (1)双极模式,即电枢电压极性是正负交替的, ... 缺点:控制电路复杂。 (2)单极模式,即电机电枢驱动电压极性是单一的  优点:启动快,能加速,刹车,能耗制动,能量反馈
    先简单说说这几种模式
    (1)双极模式,即电枢电压极性是正负交替的,
       优点:能正反转运行,启动快,调速精度高,动态性能好,调速静差小,调速范围大,能加速,减速,刹车,倒转,能在负载超过设定速度时,提供反向力矩,能克服电机轴承的静态摩擦力,产生非常低的转速。
       缺点:控制电路复杂。
    (2)单极模式,即电机电枢驱动电压极性是单一的
       优点:启动快,能加速,刹车,能耗制动,能量反馈,调速性能不如双极模式好,但是相差不多,电机特性也比较好。如果接成H桥模式,也能实现反转。
    在负载超速时也能提供反向力矩。
       缺点:刹车时,不能减速到0,速度接近0速度时没有制动力。不能突然倒转。动态性能不好,调速静差稍大。
    (3)受限单极模式,即除了单极调制外,能耗制动通路受到了限制。
       优点:控制电路简单,如果接成H桥模式,也能正反转。
       缺点:不能刹车,不能能耗制动,在负载超过设定速度时不能提供反向力矩。

            调速静差大,调速性能很差,稳定性也不好。




    首先,这里的PWM和PWM 都是已经经过处理后,能直接驱动功率管的信号,而不是单片机输出的PWM信号,至于MOS管的驱动方法,这里不讨论。
    ___
    PWM 信号是和PWM信号互补的,逻辑上互补,而不是电平的互补。
    还有默认这两个信号已经经过了死区控制,不回产生同时导通的问题。
    除了第一个图外,功率管上必须并联续流二极管,要么是MOS管里自带的,要么就是BJT再并联的,或者MOS管并联肖特基。

    其实我们大家平时控制电机用的都是如图1所示的那种样子,
    这种模式叫受限单极调制,只有加速和调速功能,是没有刹车功能的,电机速度下降靠负载摩擦,也没有负力矩。
    比如说,设定速度是50%,但是电机因为外力速度达到了60%了,电机也不会减速,只有电机速度超过100%时,电机产生的反电动势超过了电源电压,才会产生反向力矩,那个另当别论。
    像以前的有刷电动自行车采用的就是这种控制方法,只能加速,不能减速,速度控制也不精确,但是足够满足要求了。

    其次,我们想要电机实现正反转,也只不过是用到了图2和图4的样子,
    这个虽然是接成了H桥的样子,但是实际上还是受限单极调制,把图2的Q4拿掉,Q1变成一个二极管,电路就又变成了图1的样子。其他的图都同理。

    单极调制和双极调制

    如果想得到有刹车的功能,     ___
    就必须使用一个与PWM信号互补的PWM信号。
    这个信号在PWM关断期间,为电机提供一个续流通道,
    相当于开关电源的同步续流吧,也有称之为同步整流。
    按道理,那个二极管也能提供续流通道如图6中的Q1,
    但是用MOS管作为续流通道有2个好处,
    第一,导通压降低,比二极管发热更少,效率更高,
    第二,二极管上不能产生反向电流,而MOS管可以通过反向电流
          其实二极管的反向电流对于MOS管来讲是正向电流,
          电机反电动势在PWM关断时间的伏秒数 大于 电源电压在PWM开通时间加在电机上的伏秒数,小于,那么电机会产生反向电流,使电机产生反向力矩,
          因为直流永磁电机的力矩是正比例于电流的,反向电流就会产生反向力矩。视这个电流的大小,电机就能减速或者刹车了。而且电机上的这个反向电流还会在PWM开通时间回馈到电源中去,做到了能量回馈。如果电源是二次电池,那么这是有好处的,如果不是电池的话,会使母线电压升高,要做一些能量消耗的措施。
          说白了,就是你的PWM占空比就能控制电机的转速,电机的转速会跟随的你PWM占空比变化,你的占空比加大,电机就会加速,你的占空比减小,电机就会减速,你减得快,就相当于刹车,如果控制得好,可以做到很迅速但是又很柔和的刹车效果。
        但是如果你的占空比突然减到0,就相当于把电机短路了,这是急刹车,会不会损坏要看电机的内阻,功率,惯性,还要看功率管的过载能力。当然还考验电机的机械强度,因为这种刹车从表面上看,就好像直接用硬物把电机卡住的效果差不多,发出的声响也是十分巨大的金属声。
          当然,还有更急的刹车办法,就是把电机切换到反向运行状态,但是这种方法是有很大的隐患的,往往会造成器件损坏。
        不过话又说回来了,那种受限单极PWM调制方法,只能使用这1种刹车或减速模式,既没有好的效果,又容易损伤器件。
        所以如果需要电机带刹车的话,尽量使用单极调制或双极调制,不要使用受限单极调制模式。
        一般电动轮椅的电机都是采用这种模式控制的。
        
        再说说双极模式,
        双极模式,只有H桥一种接法,而且4只管子同时工作。如图11
        斜对角的两个管子通相同相位的信号,如Q1和Q4,而另外两只管子用与之互补的信号驱动。在PWM导通器件,电机两端的驱动电压是正的,在PWM关断器件,电机两端驱动电压是负的。
        当PWM占空比为50%时,电机保持静止状态,当PWM占空比大于50%时,电机正转,当PWM占空比小于50%时,电机反转。
        其实当占空比为50%时,电机并不是静止的,而是在原地抖动,因为电机上的电流也是一个交流的,这个抖动能有效克服电机的静摩擦,使电机能快速启动,迅速反应,适用与需要动态性能好的场合,比如说,光驱里面控制光头前后移动的电机,直流伺服电机,还有就是现在匠人正做的那个二轮小车驱动车轮的电机也适合用这个方法来驱动。
        当然了,单极和双极调制也可以把4只管子都关断,使电机自由减速,而不是靠方向力矩来进行减速。

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  • 电机控制基础 --- (1)

    千次阅读 2020-03-03 22:30:51
    作者:Stephen Du 免责声明: 本文为个人学习笔记及总结,仅代表个人观点,尽可能... 电机基础1.1 什么是电机1.2 电机分类1.3 电机简化机械/物理模型1.4 电机为何能转1.5 什么是永磁同步电机1.6 如何控制速度1.7 ...

    作者:Stephen Du

    免责声明: 本文为个人学习笔记及总结,仅代表个人观点,尽可能保证内容准确性。复制/转发请注明来源/作者。

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    由于内容较多,会拆分为多篇文章及多个章节来介绍。先上本篇目录:

    前言

    电机的应用非常广泛,可以说是无处不在,与我们生活息息相关。比如我们小时候的玩具车,家里的各种家用电器,工业、汽车、航空航天领域里的各种设备等都离不开电机。本文将首先描述电机的一些基础知识,从最基本的物理学知识引入,再逐渐深入推导,然后重点以永磁同步电机(PMSM: permanent magnet synchronous motor)为例,对其控制系统的一些原理做介绍。尽量使用通俗易懂的语言进行描述,让枯燥的公式更易理解,适合基础比较薄弱又想学习电机的阅读者。希望通过阅读本文后对电机控制有一个整体了解,算法部分不会面面俱到,本文为学习笔记,部分地方可能有误。文中部分图片来源与网络,部分章节参照了其他文章,请看参考资料章节。

    为了尽量缩小篇幅,一些基本物理定律或概念做了超连接,不清楚的可以点击阅读。

    缩写

    名称 单位 Abbr. Unit
    转矩/扭矩 牛米 T Nm
    角速度 弧度/秒 ω rad/s
    功率 瓦特 P W
    F N
    时间 t s
    距离/位移 s(lower case) m
    (线)速度 米/秒 v m/s
    转速 转/秒 n r/s
    半径 r m
    1 焦耳 W J
    磁通量2 Φ
    磁感应强度 B
    曲面面积 S(capital)

    1. 电机基础

    1.1 什么是电机

    根据百科描述,电机(英文:Electric machinery,俗称“马达”)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。

    这个解释够简洁,但所包含的信息却不少。首先,前半句解释了电机的工作原理:利用电磁感应原理工作。而后半句强调了两个东西,一个是电能转换,一个是电能传递

    电能转换比较好理解,这就是我们大部分人通常理解的“电机”1,由电能转换为机械能。

    后半句则不大好理解,平时我们都把它忽略了,甚至很多人都还不知道,但其实它也是我们生活中比较常见的设备。电能传递意味着是由电能到电能,而非其他形式的能。这样描述可能你会想起来,那就是我们的变压器。

    是不是看起来这样就解释完了?其实在第一点电能转换里面我们还遗漏了一点,我们只关注了电能到机械能,但是定义里面没有明确说必须是电能到其他形式的能,而是归纳为电能转换。机械能到电能也属于电能转换,所以第一点还包括机械能到电能,这就是我们的发电机。

    不管是电能转换还是电能传递,都离不开电,而电和磁往往又密不可分,所以电机是一种电磁装置或设备。

    综上所述,电机其实是一个非常大的定义,包含了三大部分:电动机发电机变压器。这三者负责的领域或者说功能差异还是非常明显的,所以我们也可以说按照功能来划分,电机包含这三种类型。但电机的分类也非常多,还可以按照其他方式进行分类,见下一章节。而我们平时说所的“电机”实际上更多指电动机(侠义上的电机,后文出现的“电机”也指电动机,如出现另外两种会明确说明)。

    1.2 电机分类

    根据不同分类方式(比如工作电源的不同,结构和工作原理的不同,启动运行方式的不同,用途的不同等)可分为很多类型。前文已经描述过一些,我们再看看根据工作电源的不同的分类,可分为直流电机交流电机两大类;根据结构和工作原理的不同可分为异步电机同步电机等。详细的电机分类可参照百科·电机,里面详细描述了各种分类以及各类型电机的优劣,使用场景等等。本文不再重述。

    常见分类可参照下图:

    直流电机
    直流电动机
    直流发电机
    有刷直流电动机
    无刷直流电动机
    电磁直流电动机
    它励
    串励
    并励
    复励
    永磁直流电动机
    交流电机
    异步电机
    同步电机
    异步/感应电动机
    异步发电机
    同步电动机
    同步发电机
    永磁同步电动机
    PMSM
    磁阻/磁滞同步电动机
    IPMSM
    SPMSM
    电机
    旋转电机
    静止电机
    变压器
    图1.1

    这里我们重点说一下永磁同步电机(PMSM),PMSM根据永磁体在转子铁芯上的安装位置不同,又可以将永磁同步电机分为:表贴式(SPMSM)和内嵌式(IPMSM)。表贴式又名面贴式,面装式,表面式,表面凸出式等,还有一种比较特殊的交表面插入式。内嵌式又名内置式,内装式,内埋式,插入式。

    表贴式由于永磁体在转子铁芯表面,而且永磁体的相对磁导率约等于1,气隙均匀,这样交直轴(dq)磁阻也几乎相等(交值轴请见后文),交直轴的电感Ld和Lq几乎相等。

    所以也有人根据交直轴电感是否相等(约等)来将永磁同步电机分为凸极性电机和隐极性电机。Ld=Lq的为隐极性电机。Ld!=Lq的为凸极性电机。

    1. 平时我们经常听到凸极效应及凸极率,凸极率就是Lq和Ld的比值。

    2. 根据上面描述的特性,我们可以通过测量交直轴的电感值(Ld,Lq)来大概判断电机的结构。

    3. 通常情况下,内嵌式永磁同步电机的Ld<Lq,而电励磁凸极同步电机的Ld>Lq

    1.3 电机简化机械/物理模型

    我们都知道,电机由定子、转子组成。定子又包含定子铁心、定子绕组、机座。而转子根据电机类型的不同组成也不同,本文重点讨论永磁同步电机(PMSM),其转子包含转子铁心、永磁体、转轴。

    我们先看一下真实的电机是什么样的,如下图:
    在这里插入图片描述

    图1.2

    由上图可以看到,电机的定子绕组由很多线圈组成,为简化理解,我们将定子的绕组线圈也简化为永磁体。如下图:
    在这里插入图片描述

    图1.3

    该简化模型里面没有什么复杂的三相交流电了,就只有磁铁啦,磁铁异极相吸,同极排斥的特性小学生都懂了。

    上图蓝色部分为定子和转子,橙黄色和红色分别为磁铁的南北极,磁铁分别固定在转子和定子上面(这里为了描述方便,严格来说蓝色部分加上磁铁统称定子或转子)。但是上图中蓝色部分有两部分,一个是外环,一个是内部的实心圆,那这两个哪个是定子,哪个是转子呢?其实这两者都可以当转子也可以当定子,这就是我们平时说的内转子和外转子之分。反正选中一个为转子后,另外一个就是定子了。

    1.4 电机为何能转

    问题:电机为何能转?

    答:电机通电就转啦

    在这之前,我对电机的认识就停留在上面的问答层面,别笑,你不能说错这个答案了。

    问题:电机怎么转?

    答:转子跟着定子转

    是的,就如名字一样,转子跟着定子转动。等等,定子不是应该固定不动么,它怎么转?对的,实际电机中定子是固定不动的,如果我们选择外环为定子(后文默认外环为定子),你可以先简单理解为上图中与蓝色外环接触的磁铁也可以相对于蓝色外环独立转动(里面与实心圆接触的磁铁和实心圆是固定死的)。

    到底怎样才能让电机转起来呢?正式讨论这个问题前,我们有必要先复习一下物理学基本知识。根据牛顿定律可知,力是改变物体运动状态的根本原因2

    电机里面力从何来?根据前面的简化模型图可知,分别位于定子和转子上的磁铁之间可以产生力。但是这里定子上的磁铁是等效简化而来的。

    那实际电机里面呢?我们都知道磁场对通电导体/电流产生安培力,而电流产生磁场,电流产生的必要条件是回路,正好我们电机绕组里面的线圈是通过某种方式连接成一个闭合回路的(通常是Y形,也可以是其他连接方式)。有了闭合回路,通上电后就可以产生电流了,有了电流就产生磁场,固定在转子上的永磁体也有磁场,这两个磁场相互作用就产生力啦。

    总结一下:

    电压
    电流
    磁场
    力矩/转矩
    速度
    图1.4

    你看我们只需要控制输出电压就好啦。并且电压/电流还可以轻松采集/测量获取,形成闭环。

    是不是这样电机就能旋转呢?答案是否定的。到目前为止,我们只是得到了上图的简化模型。如图3所示,显然电机无法转起来,电机的定子和转子磁极对齐,电机处于稳定状态。如果我们通过某种方式让定子上的磁铁旋转一个角度,此时,该系统处于一个不稳定的状态,在吸引力的作用下,是不是转子就会跟着转动以达到稳定状态呢?如下图:
    在这里插入图片描述

    图1.5

    在实际电机中,我们说定子是不能动的,那怎么让图中外环(定子)上的这个等效磁铁动起来呢?这需要在定子绕组中需要通入三相交流电。

    为何必须是三相交流电呢?输入直流电也可以产生磁场。没错,但是直流电产生的磁场就像图1.3里面的磁铁一样不能动,而通入三相交流电,磁铁就能像图1.5一样转起来啦。

    1.5 什么是永磁同步电机

    到底什么是永磁同步电机?或者说为何叫永磁同步电机呢?

    我们将从两个方面来解析它,永磁同步。首先,永磁比较简单,由前文的电机组成上可以看到,其转子上由永磁体组成,这就是永磁的由来。我们重点说一下同步,在前文的电机分类中已经提及过,除了同步电机,还有异步电机。为了弄清楚同步,我们先来了解什么是异步电机?这里的同步和异步到底指什么?

    最常听/典型的异步电机如鼠笼型异步电机,它的转子组成和永磁同步电机有所不同。先上图,看看长什么样。
    在这里插入图片描述

    图1.6

    如上图所示,它的转子结构比较简单,没有永磁体,取而代之得就是一个笼子(这就是为何叫鼠笼)。你会问没有了永磁体电机怎么转?根据前面得物理简化模型来看,就算定子绕组通电可以提供一个磁铁(等效),但也只有这一个磁铁啦。没错,但你再想想,其实这个笼子也是一个闭合线圈。现在我们有了一个闭合线圈以及定子产生的旋转磁场(变化的),这两者是不是组成了电磁感应的基础条件?是的,三相交流电产生的磁通量是变化的,而根据电磁感应现象得知,放在变化磁通量中的导体,会产生电动势,并且这个导体还是闭合的,进而会产生感应电流。有了电流是不是又可以产生磁场啦。一个轮回就这样完啦。

    现在我们弄清楚了这个转子上的磁铁是怎么得来的(从定子那里偷来的,感应来的,这时定子相对于转子来说相当于一个发电机),但是还是没有回答问题本身,怎么体现异步的?由于这个是从定子那里感应来的,那它就得听定子的话,定子上的磁铁转它就得跟着转,如果定子上得磁铁不转(比如通入直流,而不是交流,磁通不变,就不会产生这个感应电动势,也就没有这个磁铁了),那转子也没办法转。并且你还只能在后面跟着,没法和它一样快,更不可能越级跑它前面去了。这是为何呢?前面我们说了放在变化磁通量中得导体会产生感应电动势,我们换个说法。闭合线圈切割定子产生的旋转磁场得到感应电动势和感应电流。这里切割是重点。我们假设他们速度完全一样,也就是这两者保持相对静止状态。这就谈不上切割了,流经转子磁通量也固定不变了。那是不是这一切就化为乌有?所以转子想要得到感应电流,就必须比定子慢点。定子和转子两者的旋转速度不一样、不同步,这就是异步的由来。转子的转速叫异步转速。至于转子的转速和定子磁场的转速差多少这个问题,比较麻烦,和负载有关。总的来说,空载的时候两者速度差比较小,负载变大差值变大,但差值不会一直大下去,因为那样就会失去控制/失速,拉不动。

    理解了异步电机后,那同步电机就比较好理解了,为了解决异步电机的这个问题,我们就在转子里面直接加上永磁体,而不是靠感应。这样永磁同步电机的转子转速与定子绕组的电流频率/磁场旋转速度始终保持一致。

    1.6 如何控制速度

    前面我们已经基本弄清楚什么是永磁同步电机以及它时如何转起来的。那如果我们想控制它转快点转慢点怎么实现呢?

    前面我们提到永磁同步电机的转子和定子磁场的旋转速度保持同步的,这个速度我们叫同步转速n(rpm),这个转速与通入的电流频率f(Hz)及电机极对数p有关。

    n=60f/pn = 60f/p

    假如我们直接以市电交流电输入,电机极对数是2,我国的市电的频率是50Hz,那么得到同步转速为60*50/2 = 1500 rpm。

    这个公式怎么来的?如图1.5所示,有多个磁铁的时候,你会注意这些磁铁的排布是由规律的,相邻的磁铁极性是相反的。我们想想,一对极的时候只需要外面变化一次就可以跟着旋转一圈,磁极多后,变化的时候相邻的磁极会有阻碍作用。是不是就会感觉一卡一卡的?外面变化一次,转子只能转相邻两个磁极夹角这么多,这就像一个分频器。那这个60是怎么来的?这是因为单位的原因,这个公式的转速n的单位rpm(转每分),而频率的单位是国际默认单位Hz,转速的国际默认单位应该是转每秒,所以乘以60就变为转每分了。

    既然公式都有了,那我们就很容易知道怎么控制它了。公式里面就两个量,一个是频率,一个是极对数。而对于一个固定的被控对象(电机)来说,极对数是固定的,我们无法改变,那就只有控制频率了。

    是不是觉得很简单?只要能控制电机的定子绕组输入电流频率就可以控制速度了。其实要让一个电机平滑稳定的转起来是非常麻烦的,首先硬件上,通常需要使用MOSFET或IGBT这种电子开关器件来搭建专门的驱动电路,比如在汽车领域,我们根本没有直接可用的三相交流电。

    软件上也非常麻烦,因为不是说我们随便输入一个变化的信号就行了。回到上图1.3和图1.5,图1.3中,磁铁对齐时,处于稳定状态,转不起来。图1.5中,磁铁错开一点角度,转子可以跟着定子转动。假如我们突然一下错开很多,这个力度就变小了,同时相邻的磁极还会有相反的力来阻碍(前文已提及,相邻磁极极性是相反的)。按照这个思路,一开始由于转子处于静止状态,需要一定时间才能跟上脚步,如果定子很快的旋转,第一个磁极还没有跟上来,就被上一个磁极的力打回去了,这样电机根本转不起来,会一直在那里抖动。所以也没那么简单。我们需要根据转子的实际情况来控制定子磁场的旋转速度,这需要一些特别的算法,为了便于分析以及算法实现,还牵涉很多理论。由于本章节为基础知识介绍,详细请见其他章节。

    1.7 电机控制环

    通常情况下,电机控制系统都有几个闭环。如电流环,速度环,位置环等。那一个系统中到底需要哪些环?这些环的位置/顺序是怎样的?他们的作用都是啥?刚开始接触时或许有点蒙。先看一个示意图:

    在这里插入图片描述

    图1.7 伺服电机控制示意图

    通常来说,需要几个环与你的控制目标有关系,这里说的控制目标指你控制电机以速度为目标还是位置,比如我们做一个电吹风机或者洗衣机,那么很显然我们的目标是速度,位置对我们来说不重要;但是如果我们控制的是一个伺服电机,比如一个电子阀门,我们需要控制阀门开度,那么我们需要明确知道电机的转角/位置。

    通常内环是因,外环是果,或者说外环是目标环,是这个控制系统所要达到的目标,是系统的控制输入。比如上面的电吹风,我们想控制电机的速度,那么外环输入就是速度偏差;如果是要控制阀门的开度(位置),那么外环输入就是位置偏差。内环的作用一般是提升系统稳定性,防冲击的作用。比如一个直流调速系统中,假如只有速度环调节,因为某种异常,突然设定一个很高的转速,速度环会计算出一个很大的输出作为电机输入(电流),会对电机造成冲击,电机发热甚至烧坏,所以需要内环电流环进一步平滑控制,有了内环控制,外环的控制目标就可以安全平稳的达到。内环电流环非常重要,所有的系统都离不开电流环,因为不管你采样何种方法进行控制,本质都是电流/力矩的控制。

    假如我的目标是控制速度,那么外环应该是速度环,那位置环是交换一下顺序放到里面还是直接不要了呢?这时候是没有位置环的。问题来了,在后文我们会提到,在速度环控制过程中,我们也需要知道转子的位置。这个位置和位置环有什么区别呢?这里主要的区别就是,的确后文中提到速度环中也需要知道转子的速度及位置,但这个位置只是单向的估算一个位置,并没有形成一个环。而位置环是设定一个位置,然后采集位置进行误差计算,然后通过PI调节器进行调节。

    通常内环的处理速度要求比外环要快,外环处理的东西或复杂度通常要高于内环。

    也有网友说:内环的选定一般是外环的导数(外环是位置,内环就是速度)。这个我大概能理解他的意思,但个人觉得表述不是非常准确。

    参考资料

    三相对称电流通过向dq坐标轴上投影得到的Id,Iq与通过park变换得到的Id,Iq有什么区别和联系…

    弱磁控制原理与控制方法个人总结

    电动机控制漫谈

    电机控制的Clarke变换的等幅值变换和等功率变换

    伺服电机速度环、位置环、扭矩环的控制原理

    3-phase Sensorless PMSM Motor Control Kit with S32K144

    永磁电机为啥适合低速大转矩直驱,而感应电机不适合?

    等幅值和等功率Clark变换矩阵的推导

    坐标变换总结Clark变换和Park变换

    电机FOC中的坐标变换(CLARK+PARK+公式推导+仿真+C语言实现)

    一种根据电磁转矩的同步电机分类方法


    1. 准确说应该是电动机 ↩︎ ↩︎

    2. 牛顿第一定律:力是改变物体运动状态的原因 ↩︎ ↩︎

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  • PTT文档介绍FOC电机控制技术,包含了针对dspic的控制说明,可清楚的了解永磁同步电机和直流无刷电机的转动原理。
  • 电机控制的个人解读

    千次阅读 2019-05-30 10:40:21
    FOC全称Field Oriented Control,磁场定向控制,也有人叫它矢量控制,西门子为它站台。 DTC全称Direct Torque Control,直接转矩控制,ABB为它站台。 参考 矢量控制(Siemens)VS 直接转矩控制(ABB)...

    1. FOC与DTC

    FOC全称Field Oriented Control,磁场定向控制,也有人叫它矢量控制,西门子为它站台。

    DTC全称Direct Torque Control,直接转矩控制,ABB为它站台。

    参考 

    矢量控制(Siemens)VS 直接转矩控制(ABB) https://zhuanlan.zhihu.com/p/23489149?refer=zhishixuediande

    永磁同步电机越来越火 但其中的 FOC/ DTC有几人能搞明白 http://www.sohu.com/a/247445825_464086

    由于ST有FOC库,因此我们暂时研究FOC

    2. Clark-Park变换

    知识点啊同志们!简单来说就是坐标变换。

    Clark变换是将相互夹角120度的abc坐标系变换到静止的夹角90度的αβ坐标系。 
    Park变换是将相互夹角120度的abc坐标系变换到旋转的夹角90度的dq坐标系

    120度——> 90度:三相电的每一相夹角120度,耦合度较高,不利于独立控制,因此需要变换到正交的90度坐标系

    静止90度坐标系——>旋转90度坐标系:取决于是以定子的视角来观察还是以转子的视角来观察

    参考

    电机FOC中的坐标变换(CLARK+PARK+公式推导+仿真+C语言实现)https://blog.csdn.net/qq_27158179/article/details/82981229

    [转载]park,clark和ipark浅析

    http://blog.sina.com.cn/s/blog_7051d1290102xrb4.html

    永磁同步电机矢量控制(二)——控制原理与坐标变换推导

    https://blog.csdn.net/sy243772901/article/details/82217112?utm_source=blogxgwz9#commentsedit

    Clark变换与Park(派克)变换

    https://blog.csdn.net/chenjianbo88/article/details/53027298

    3. PI控制器(PI调节器)

    PI控制器里,输入是电流差,被控制量是d/q轴电压,通过适当的PI控制系数,使得可以在一定时间内将被控制量收敛到给定目标值上(存在一定允许的误差范围)。

    参考

    电机控制回路中使用的PI调节器作用是什么? https://www.zhihu.com/question/20797136

    FOC之PI控制解读 http://bbs.elecfans.com/jishu_1624097_1_1.html

    4. SVPWM

    输入为直流母线上的电压Udc,输出为三相相电压为UA、UB、UC

    主要是控制三组开关打开闭合的时间长度来产生某一角度的矢量。

    参考 

    SVPWM算法原理及详解 https://blog.csdn.net/qlexcel/article/details/74787619

    SVPWM是我们通常说的矢量控制么? https://www.zhihu.com/question/26858454

    电机控制要点解疑:SPWM,SVPWM和矢量控制 https://blog.csdn.net/qq_20848757/article/details/80202136

    5. 电流采样

    几种电流采样的方法,单电阻,三电阻等等。

    6. 位置速度检测

    Hall传感器、Encoder

     

    展开全文
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  • 电机控制代码

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    声明:本文出自百度文库无刷无霍尔电机控制,因为该文为繁体,看起来特别别扭,特此翻译。 文库网址:https://wenku.baidu.com/view/b99217dca0116c175f0e489c.html1.概述无霍尔BLDC电机控制 1 概述 无霍尔的BLDC...
  • 在学习FOC控制前,我对于FOC控制完全不懂,只知道中文叫做磁场定向控制,因公司产品开发需要用到对永磁同步电机(PMSM)进行精确的位置控制,才开始从网上了解什么是FOC,有哪些数学公式,控制的过程是怎么样的,但...
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