該文件由Microchip Technology的應用程序段工程師Steve Bowling撰寫(xiě)，討論了電動(dòng)機的工作原理，并描述了AC感應電動(dòng)機，變速ACIM控制和FOC。本文檔還說(shuō)明了如何將交流感應電動(dòng)機變成直流電動(dòng)機。
高性能電機控制領(lǐng)域已由同步直流電機主導。這組電動(dòng)機包括有刷，無(wú)刷，磁場(chǎng)和永磁品種。占據主導地位的簡(jiǎn)單原因是直流電動(dòng)機更易于控制。如果應用需要很好地控制電動(dòng)機扭矩，速度或位置，則尤其如此。直流電動(dòng)機的機電模型顯示，電動(dòng)機轉矩在極限范圍內是輸入電流的近似線(xiàn)性函數。因此，使用比例積分微分（PID）控制器從直流電動(dòng)機中獲得可靠的性能是相對容易的任務(wù)。
在“實(shí)際設計世界”中，要在應用程序中使用的一種電動(dòng)機的選擇過(guò)程可能很復雜。不能僅根據控制的容易程度來(lái)選擇特定的電動(dòng)機。還有許多其他與系統相關(guān)的變量需要處理，例如：
維護電機有多容易？
電動(dòng)機出現故障時(shí)，系統會(huì )如何處理？（即短路繞組）
什么是工作環(huán)境？
電機將如何冷卻？
電機的成本是多少？
注意事項列表可以持續不斷地…
交流感應電動(dòng)機（ACIM）與其他類(lèi)型的電動(dòng)機相比具有明顯的優(yōu)勢，并且通常在需要魯棒的定速解決方案時(shí)使用。微控制器（MCU）和電力電子設備的發(fā)展已使ACIM的廉價(jià)變速控制成為可能。但是，使用基本控制方法無(wú)法匹配直流電動(dòng)機的性能。本文將探討磁場(chǎng)定向控制（FOC）的主題，以及如何將其用于改進(jìn)使用數字信號控制器（DSC）的ACIM的控制。FOC使您可以將直流控制技術(shù)用于交流電動(dòng)機，并可以在電動(dòng)機選擇過(guò)程中為下一個(gè)設計刪除變量之一。
電機如何工作
當電流流過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，電動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生機械力。同步電動(dòng)機具有磁場(chǎng)源。該磁場(chǎng)可以由永磁體或由電流源供電的繞組提供。在極限范圍內，電動(dòng)機的轉矩響應是電流和磁場(chǎng)強度的線(xiàn)性函數。線(xiàn)性響應使這些電機在高性能應用中易于控制。PID控制器可用于控制電動(dòng)機電流和產(chǎn)生的電動(dòng)機轉矩。如果需要，可以使用輔助PID控制器來(lái)控制位置或速度。
因此，看來(lái)我們已經(jīng)解決了問(wèn)題！我們將僅使用帶有勵磁繞組或永磁體的同步電動(dòng)機來(lái)獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”您可能會(huì )說(shuō)�！霸谖业膽弥�，我需要一臺大功率電機。我可以使用帶有轉子和定子繞組的電動(dòng)機。但是，我將不得不擔心更換電刷并保持轉子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無(wú)刷電動(dòng)機，但是磁鐵的成本會(huì )使電動(dòng)機的成本過(guò)高�！�
交流感應電動(dòng)機
在這種情況下，ACIM確實(shí)可以提供幫助。ACIM在電動(dòng)機的外部具有繞組，因此很容易提供冷卻。轉子是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼制保持架，因此堅固耐用并可以承受高溫。ACIM沒(méi)有電刷會(huì )磨損。那好吧–到目前為止，一切都很好�，F在，看一下電動(dòng)機的運行方式。
由于交流電源廣泛可用，因此在設計ACIM時(shí)通常會(huì )考慮特定的線(xiàn)路電壓和頻率。在此討論中，讓我們看一下典型ACIM的銘牌。我們的示例銘牌中顯示的參數如下所示：
電壓：230 VAC
頻率：60 Hz
FLA：1.4A
HP：1/3
RPM：3450
其中，銘牌規定了電動(dòng)機的額定功率，工作電壓，工作頻率和工作RPM。電機的定子繞組的排列方式使得當用交流電通電時(shí)會(huì )產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。
ACIM的轉子必須以比旋轉磁場(chǎng)低的速度旋轉。勵磁速度和轉子速度之間的差異稱(chēng)為滑差�；羁梢员硎緸楸嚷驶蝾l率，但是考慮滑差頻率會(huì )有所幫助。對于此示例電動(dòng)機，旋轉磁場(chǎng)速度將為60轉/秒或3,600 RPM。但是，您會(huì )注意到負載下的銘牌RPM僅為3,450 RPM，即57.5轉/秒。因此，轉差頻率為60 Hz – 57.5 Hz或2.5 Hz。
在此示例中，您可以將2.5 Hz滑差頻率視為通過(guò)變壓器耦合為轉子提供能量的交流電源。交流電為轉子通電，從而產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)，從而使電動(dòng)機產(chǎn)生轉矩。ACIM滑差使電動(dòng)機能夠在一定程度上自我調節其速度。隨著(zhù)電動(dòng)機負載的增加，轉子速度將降低。然后，轉差頻率將增加，這將增加轉子電流和電動(dòng)機轉矩。
變速ACIM控制
通過(guò)改變提供給電動(dòng)機的頻率和電壓，ACIM可以以不同的速度和扭矩級別運行。假設您想以1/2額定速度運行示例電動(dòng)機。為此，您可以將輸入到電動(dòng)機的頻率降低1/2或30 Hz。如果我們想以1/4速度運行電動(dòng)機，則頻率將降低到15 Hz。
您還希望通過(guò)保持定子電流恒定來(lái)保持定子磁場(chǎng)相對恒定。ACIM電機是感應式的，并且定子電流將隨著(zhù)輸入頻率的降低而增加。因此，當頻率降低時(shí)，還需要按比例降低輸入電壓。恒定的V / Hz曲線(xiàn)通常用于提供ACIM的變速操作。我們的示例電動(dòng)機的V / Hz常數可以通過(guò)將工作頻率除以工作電壓來(lái)計算。
K = V / Hz = 230/60 = 3.83
現在，對于給定的輸入頻率選擇，我們可以為該輸入頻率計算所需的驅動(dòng)電壓：
電壓= K *頻率
圖1變速ACIM應用的典型V / Hz曲線(xiàn)
結果稱(chēng)為“伏特-赫茲”曲線(xiàn)，可以如圖1所示繪制。沒(méi)有固定的規則說(shuō)驅動(dòng)電壓必須與頻率保持固定的線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)際上，通常會(huì )在特定的頻率范圍內更改V / Hz曲線(xiàn)的形狀，以?xún)?yōu)化特定速度范圍內的驅動(dòng)性能。例如，已對圖1中所示的輪廓形狀進(jìn)行了調整，以在低頻范圍內提供更高的電壓。當電動(dòng)機從靜止狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，此修改可提高電動(dòng)機轉矩，以幫助克服負載摩擦和慣性。在電動(dòng)機的機械極限范圍內，還可以將驅動(dòng)頻率提高到銘牌值之外，以實(shí)現更高的速度。但是，可用電壓可能會(huì )受到限制，因此電動(dòng)機轉矩也會(huì )降低。
圖2用于變速ACIM控制的典型系統框圖
對于不需要頻繁改變速度或負載的應用，用于控制ACIM的V / Hz方法效果很好。當使用控制回路調節速度或電機電流時(shí)尤其如此。圖2顯示了可用于V / Hz應用的典型系統框圖。MCU具有專(zhuān)用的PWM外設來(lái)驅動(dòng)6晶體管逆變器電路。MCU測量電機轉速表的頻率，計算速度誤差，并使用PID控制回路生成驅動(dòng)需求。使用V / Hz配置文件將驅動(dòng)器需求轉換為所需的電壓和頻率，PWM調制代碼隨時(shí)間改變占空比，以生成具有適當幅度和頻率的正弦驅動(dòng)信號。
