高性能電機控制領(lǐng)域一直由同步直流電機主導。這組電機包括有刷電機、無(wú)刷電機、繞線(xiàn)電機和永磁電機。這種統治地位的簡(jiǎn)單原因是直流電機更容易控制。如果應用需要良好地控制電機扭矩、速度或位置，則尤其如此。直流電機的機電模型表明，電機扭矩在限制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) 控制器使直流電機獲得穩定的性能是一項相對容易的任務(wù)。
在“真實(shí)的設計世界”中，選擇在應用中使用的電機類(lèi)型的過(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？
當電機出現故障時(shí)系統會(huì )發(fā)生什么？（即繞組短路）
運行環(huán)境會(huì )怎樣？
電機如何冷卻？
電機的成本是多少？
考慮因素的清單可以一直列下去……
交流感應電機 (ACIM) 與其他類(lèi)型的電機相比具有明顯的優(yōu)勢，通常在需要穩健的定速解決方案時(shí)使用。微控制器 (MCU) 和電力電子設備的發(fā)展使得廉價(jià)的 ACIM 變速控制成為可能。然而，使用基本控制方法無(wú)法匹配直流電機的性能。本文將探討磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 主題以及如何使用它來(lái)改進(jìn)使用數字信號控制器 (DSC) 的 ACIM 控制。FOC 允許您將直流控制技術(shù)用于交流電機，并且可以消除下一個(gè)設計的電機選擇過(guò)程中的一個(gè)變量。
電機的工作原理
當電流流過(guò)磁場(chǎng)附近時(shí)，電動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生機械力。同步電機具有磁場(chǎng)源。該磁場(chǎng)可以由永磁體或由電流源供電的繞組提供。在限制范圍內，電機的扭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機電流和產(chǎn)生的電機扭矩。如果需要，可以使用輔助 PID 控制器來(lái)控制位置或速度。
那么，看起來(lái)我們的問(wèn)題已經(jīng)解決了！我們將僅使用帶有勵磁繞組或永磁體的同步電機來(lái)獲得良好的控制性能。好吧，“等一下，”你可能會(huì )說(shuō)�！拔业膽眯枰粋�(gè)大功率電機。我可以使用帶有轉子和定子繞組的電機。但是，我不得不擔心更換電刷和保持轉子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無(wú)刷電機，但磁鐵的成本會(huì )使電機的成本太高�！�
交流感應電機
ACIM 在這種情況下確實(shí)可以提供幫助。ACIM 的繞組位于電機外部，因此易于提供冷卻。轉子是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼保持架，因此堅固耐用，可以承受高溫。ACIM 沒(méi)有會(huì )磨損的電刷。好吧——到目前為止，一切都很好�，F在，看看電機是如何工作的。
由于交流電源廣泛可用，因此 ACIM 在設計時(shí)通常會(huì )考慮特定的線(xiàn)路電壓和頻率。為了進(jìn)行討論，我們先看一下典型 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
除此之外，銘牌還規定了電機的額定功率、工作電壓、工作頻率和工作轉速。電機定子繞組的布置使得在交流電流通電時(shí)產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)。
ACIM 的轉子必須以低于旋轉磁場(chǎng)的速度轉動(dòng)。場(chǎng)速度和轉子速度之間的差異稱(chēng)為轉差率。轉差率可以表示為比率或頻率，但考慮轉差頻率會(huì )有所幫助。對于本示例電機，旋轉場(chǎng)速度為 60 轉/秒，即 3,600 RPM。但是，您會(huì )注意到負載下的銘牌 RPM 僅 3,450 RPM，或 57.5 rev/s。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 轉差頻率視為交流電源，通過(guò)變壓器耦合向轉子提供能量。轉子通過(guò)交流電流通電，產(chǎn)生轉子磁場(chǎng)，使電機產(chǎn)生扭矩。ACIM 滑差使電機能夠在一定程度上自我調節自身速度。隨著(zhù)電機負載的增加，轉子速度將降低。然后轉差頻率將增加，從而增加轉子電流和電機扭矩。
變速 ACIM 控制
通過(guò)改變提供給電機的頻率和電壓，ACIM 可以在不同的速度和扭矩水平下運行。假設您希望以額定速度的 1/2 運行我們的示例電機。為了實(shí)現這一點(diǎn)，您可以將電機的輸入頻率降低 1/2，即 30 Hz。如果我們想讓電機以 1/4 速度運行，那么頻率將降低至 15 Hz。
您還需要通過(guò)保持定子電流恒定來(lái)保持定子磁場(chǎng)相對恒定。ACIM 電機是感性電機，定子電流會(huì )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 的變速運行。我們示例電機的 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 = 電壓/赫茲 = 230/60 = 3.83
現在，對于給定的輸入頻率選擇，我們可以計算該輸入頻率所需的驅動(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“伏赫茲”曲線(xiàn)，可以如圖 1 所示繪制。沒(méi)有固定規則表明驅動(dòng)電壓必須與頻率保持固定的線(xiàn)性關(guān)系。事實(shí)上，V/Hz 曲線(xiàn)的形狀經(jīng)常在特定頻率范圍內改變，以?xún)?yōu)化特定速度范圍內的驅動(dòng)性能。例如，圖 1 所示的輪廓形狀經(jīng)過(guò)調整，可在低頻范圍內提供更高的電壓。當電機從靜止狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，這種修改可以提高電機扭矩，以幫助克服負載摩擦和慣性。在電機的機械極限范圍內，您還可以將驅動(dòng)頻率提高到銘牌值以上，以獲得更高的速度。然而，可用電壓可能有限，因此電機扭矩也會(huì )較低。
對于不需要頻繁速度或負載變化的應用，控制 ACIM 的 V/Hz 方法效果很好。當控制回路用于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 PWM 外設來(lái)驅動(dòng) 6 晶體管逆變器電路。MCU 測量電機轉速計的頻率，計算速度誤差，并使用 PID 控制環(huán)路生成驅動(dòng)需求。
使用 V/Hz 曲線(xiàn)將驅動(dòng)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。 |
