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-所以也才叫转子磁链定向控制(Field Oriented Controll:FOC)

  一直以来很喜欢电机控制,因为感觉:高端!大气!上档次!

  接触到永磁同步电机后,沉迷其中无法自拔,在永磁同步电机控制里挣扎一阵子后,心血来潮,感触很深,估计过一阵子全忘了吧~

  背着导师偷偷搞机,可能会挨批吧。于是,我得记录下这难得的时刻,致敬我这机情的岁月!(刚接触控制,有些地方理解不是很到位,如果有错误或疑问,请一定要指出来)

  1、为什么会出现永磁同步电机

  —–若以永磁代励磁,岂不美哉?

  先说说交流同步电机,定子由三相绕组和带有齿槽的铁芯构成,转子由励磁绕组和带有齿槽的铁芯构成。工作原理(矫情一下):三相绕组通三相电流产生旋转磁场,励磁绕组通入直流电流产生静止磁场,两磁场相互耦合产生电磁力,从而做旋转运动。

  交流机的励磁装置体积大且昂贵,随着对速度要求越来越高,缺点也越来越明显。

  汝铁硼永磁材料问世之前,永磁材料做成的永磁体,虽美哉,但是那时候的永磁材料磁场弱,有点儿贵,做成党的永磁电机性能不好。直到1983年,汝铁硼出现,汝铁硼做成的永磁转子,即便宜又好用(成本低,高剩磁,高磁能积,高矫顽力)。于是,永磁同步电机开始搞事情了!

  永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor:PMSM),定子和交流电机一样,转子由永磁体和铁芯构成。PMSM性能上并不输给交流电机,功率因数高,功率密度大,效率高,重量轻,重要的是便宜!于是PMSM开始大量生产。

  2、为什么会有转子磁链定向控制

  —–生产PMSM就是为了用。干啥用?调速呗。

  研究PMSM的控制还是挺难的,毕竟交流机是出了名的难控制,在人类的智慧和创造力上,什么都是可能的。1972年德国西门子一篇论文和美国一篇专利,加上众多科研人员努力,得出“矢量控制”这种控制方法。这种思路源于直流电机,所以也才叫转子磁链定向控制(Field Oriented Controll:FOC)。

  一提起FOC控制,什么坐标变换啊,空间矢量啊,SVPWM等,常常让人沉迷其中,无法自拔,一堆公式,画面太美看不下去。说到底,还是电流控制转速,只不过不能直接控制三相电流,需要变换一下。因为在三相坐标系中,改变三相电流时磁场和转矩会同时变,转速变化规律不明显,于是要变换成正交坐标系dq轴,使磁场和转矩的解耦。所以FOC也叫“解耦控制”,把磁场和转矩分开控制。怎么达到解耦的?把d轴对准转子轴重合,q轴超前d轴90°(国外采用滞后90°),这样好处在于d轴永磁磁链恒定,在这样的转子参考系下,永磁磁链不变,这不就成了直流电动机?(FOC控制思想源于直流机)于是,控制dq轴电流就能精准地电机的转速。

  确实,这些都是有深度的东西,只有心无旁骛且花几天功夫才能明白里边儿的种种关联,所以不用想着一时半会就能掌握。其实,只要抓住内在逻辑,不难理解。

  电流→磁场→电磁力→转矩→转速

  要明白:三相电流产生旋转磁场,磁场耦合产生电磁力,力产生转矩,转矩表征为转速,这不就是高中的物理知识?于是,要控制转速,不就是控制转矩吗;要控制转矩,就要控制磁场(旋转速度、大小);要控制磁场,就要控制电流,也就是三相电流坐标变换后的dq轴电流。这一变换,世界顿时美好了许多:控制d可以控制磁场,控制q可以控制转矩,岂不美哉?

  结果就是,控制dq电流就能控制转速!就算你再复杂,归根到底,都是高中的物理。于是,PMSM调速问题得到了很好的解决,PMSM应用就更加广泛了。

  3、为什么会有直接转矩控制

  ——因为FOC有缺点。啥缺点?运算量太大(反复坐标变换)导致响应慢

  再看FOC控制逻辑:

  电流→磁场→电磁力→转矩→转速

  电流→磁场,这一步需要各种坐标变换,繁琐!我直接给定磁场和转矩,让定子的磁场和转矩跟踪给定值,不就可以避开转子坐标系dq变换了?

  于是,1985年德国学者M提出了“直接转矩控制”,并且申请了专利(有经济头脑嘛)。直接转矩控制(Derect Torque Control:DTC),取消了坐标变换,将计算得到的磁链和转矩实际值与给定值比较,由滞环比较器跟踪给定,于是直接控制了转矩(即转速),使得响应速度快了不少。

  相比于FOC,DTC缺点是用了滞环比较器,逆变器开关频率无法固定,转矩脉动较大。优点在于,DTC控制简化且容易实现,总的来说在转矩要求不高场合下,这种控制方式还是不错的。

  但是,DTC专利被AAB公司买断了!

  诶,还是用FOC吧。

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  就写到这里吧,以后有机会再修改补充。

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