吐血整理最通俗易懂的电机控制讲解(一)
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Clarke和Park变换
永磁同步电机的本质是利用磁场(定子导电线圈产生磁场+转子永磁体产生磁场)产生电磁力(转矩)。磁场的电磁力的大小与磁感应强度、导体内的电流、导体的长度以及电流与磁场方向间的夹角都有关系,在均匀磁场中,他们之间的关系可用公式F=BILsinθ表示。这个大家在高中物理已经很熟悉了。
转子位置确定后,接下来就是就是控制定子磁场位置与转子磁场位置成90°。定子磁场是通过控制三相交流电来实现(电生磁),那么电机控制实际上就是对电流的控制。
根据正交分解的原理,有效扭矩就是粉红色磁场在垂直与基准磁场90°的分量所产生。这里虽然简单,但非常关键,电机控制学中Clarke和Park变换隆重登场。将转子磁场方向定义为D轴(直轴),垂直与D轴90°的方向定义为Q轴(交轴)。也就是说任何时刻的定子磁场都可以分解为D轴磁场和Q轴磁场,其中D轴磁场不产生转矩,只有Q轴磁场产生转矩。电机定向控制中的这种数学处理方式,也就是Clarke和Park变换。
前面谈到定子是通过电流进行励磁产生旋转的磁场。如下图所示,图纸红色、绿色、紫色分别代表的就是A/B/C三相电流(间隔120°),三相电流分量合成定子磁场向量总和。通过控制不同时刻三相电流,也就可以控制电机定子磁场方向了。
一方面,是减少控制变量,同时进行更直观的理解(Iq产生扭矩,Id不产生扭矩);
另外一方面,电流控制是通过PID控制器来实现,而PID控制器很难控制交流信号。交流电流通过Clarke和Park变换成两个直流电流后,通过两个PI控制器即可(一个使Id为0,一个使Iq最大)。
整个控制流程简单描述如下:
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角度自学习
关于电机定子,也需要了解一个概念。那就是电机绕组轴线的位置是该绕组所能产生最大磁场的方向。通常将A轴定义为α轴,超前α轴90度为β轴。不要问我为什么这么定义,死记硬背就好了。如下图所示,电机转子D轴与电机定子A轴存在一定夹角θ,这个夹角就是我们所需要知道的转子位置。
当电机转子D轴与电机定子A轴夹角θ为0时,我们称为电机零位。因为,此时电机无扭矩产生。
那么问题来了,电机零位和旋变零位不一样啊,这怎么办?
很简单,通过标定的方式,强行将电机零位时的旋变角度进行归零。这就是我们所说的电机角度自学习。电机零位和旋变零位的差角即为电机零位角。理论上,电机设计锁定后,电机零位角是固定的。
电机角度自学习的好坏,直接的影响电机性能输出。能否一直保证最大扭矩输出,保证定子磁场和转子磁场正交,全靠它了。
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其他
若需要继续提速,Iq和Id产生的转矩大于转动阻力,继续提供加速度即可。减速道理是一样的。