電機(jī)啟動(dòng)技術(shù)：第三部分

我在本系列的第一部分中討論了使用我們的 InstaSPIN-FOC? 技術(shù)啟動(dòng)無(wú)傳感器電機(jī)，然后在第 2 部分中討論了如何在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生足夠的扭矩并在旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)將其最大化。在這第三部分和在本系列的最后一部分，我將解釋如何應(yīng)對(duì)可能具有高達(dá) 100% 的高動(dòng)態(tài)負(fù)載或額定扭矩輸出的應(yīng)用中的一些挑戰(zhàn)。

連續(xù)角度跟蹤

要真正解決這個(gè)問(wèn)題，您需要能夠在零速和極低速下連續(xù)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁通角，并在低速和高速觀測(cè)器之間以穩(wěn)定的方式過(guò)渡。InstaSPIN-FOC 技術(shù)正在提供一組新的庫(kù)以使這成為可能。圖書(shū)館分為兩部分：

· IPD_HFI：用于零速和低速操作的初始位置檢測(cè) (IPD) 和高頻注入

· AFSEL：IPD_HFI 和 FAST 之間的邏輯轉(zhuǎn)換

圖 1. FAST 和 IPD_HFI 的操作頻率

初始（零速）位置檢測(cè)

IPD_HFI 模塊的 IPD 部分使用定子線圈纏繞的鐵的 BH 曲線來(lái)確定轉(zhuǎn)子的北極，從而確定 d 軸。磁場(chǎng)強(qiáng)度將偏向定子的 BH 曲線工作點(diǎn)，如下圖所示。定子線圈施加支持和相反的磁場(chǎng)。當(dāng)兩個(gè)場(chǎng)都支持時(shí)，BH 曲線被進(jìn)一步推入飽和。當(dāng)磁場(chǎng)相反時(shí)，BH 曲線工作點(diǎn)進(jìn)一步移動(dòng)到線性區(qū)域。這兩個(gè) BH 曲線工作點(diǎn)之間的電感差異允許 IPD 算法確定轉(zhuǎn)子北極的位置。

圖 2. 不同轉(zhuǎn)子方向的 BH 曲線和相對(duì)位置

低速位置檢測(cè)

一旦確定了轉(zhuǎn)子的北極，為了獲得最佳控制系統(tǒng)性能，必須在電機(jī)運(yùn)行期間始終對(duì)其進(jìn)行跟蹤，即使在啟動(dòng)和 FAST 之間的極短時(shí)間也能夠可靠地提供有效的角度估計(jì)。IPD_HFI 解決方案使用高頻信號(hào)來(lái)跟蹤北極。然而，這種能力依賴于具有大凸極的電機(jī)設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)將轉(zhuǎn)子磁體放置在轉(zhuǎn)子表面下方并在兩極之間留下轉(zhuǎn)子鐵的間隙來(lái)引入顯著性。將此與非突出的表面安裝設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比。

圖 3. 突出與非突出轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

對(duì)于突出型，由于磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)低于周圍的鐵，因此流過(guò)磁體的磁通量的磁阻差大于鐵路徑的磁阻。隨著轉(zhuǎn)子的角度前進(jìn)，磁阻具有周期性變化。如果在定子的線圈上測(cè)量電感，則如下所示：

圖 4. 高凸極轉(zhuǎn)子的電感變化

IPD_HFI 的 HFI 部分使用此信息在轉(zhuǎn)子低速旋轉(zhuǎn)時(shí)保持鎖定在轉(zhuǎn)子的北極上。為了確保其角度鎖定在北極而不是南極峰上，HFI 由 IPD 部分初始化為 D 軸北極。用于激發(fā)該特征的高頻信號(hào)是根據(jù)電機(jī)的時(shí)間常數(shù)來(lái)選擇的。

過(guò)渡邏輯

HFI 算法在低速下工作得很好，但它有一個(gè)最大速度限制。在達(dá)到這個(gè)最大速度限制之前，必須將控制權(quán)交給像 FAST 這樣的更高速度的觀察者。在低速 (HFI) 和高速 (FAST) 估計(jì)器之間進(jìn)行選擇的模塊是角頻率選擇 (AFSEL)。AFSEL 需要來(lái)自低速和高速估計(jì)器的角度和頻率輸入以及控制從一個(gè)估計(jì)器傳遞到另一個(gè)估計(jì)器的速度。 

圖 5. 具有 FAST (EST)、IPD_HFI 和 AFSEL 的 InstaSPIN-FOC

限制

除了需要凸極轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)外，關(guān)鍵限制之一是通過(guò)電機(jī)的電流對(duì)凸極效應(yīng)的影響。要在負(fù)載下啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)必須消耗足夠的電流以產(chǎn)生所需的扭矩。隨著電流的增加，磁阻變化減小，因此電感變化減小，并且 HFI 部分將無(wú)法精確地估計(jì)角度位置以使扭矩產(chǎn)生最大化。這必須經(jīng)過(guò)測(cè)試，并且高度依賴于電機(jī)設(shè)計(jì)和初始顯著性（變化）。越多越好。

示例實(shí)現(xiàn)

從MotorWare版本 1.01.00.14開(kāi)始，“扭矩控制”實(shí)施示例已發(fā)布為“proj_lab21”

最初，該項(xiàng)目剛剛發(fā)布在帶有我們的 C2000? Piccolo? F28069 微控制器的DRV8301 Rev D EVM逆變器上。在 MotorWare? 的未來(lái)版本中，支持將擴(kuò)展到逆變器和控制器的不同組合以及進(jìn)一步的系統(tǒng)示例，例如“速度控制”。