電磁學(xué)的實驗始于19世紀(jì)早期,由像邁克爾法拉第這樣的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)。第一臺實用電動機是1834年由托馬斯·達文波特發(fā)明的。這種直流電動機利用固定的電磁鐵作為定子,形成一個固定的磁場。轉(zhuǎn)子,電動機的運動部件,也是由電流驅(qū)動的電磁鐵,通過換向器和刷轉(zhuǎn)移。雖然自達文波特時代以來,刷式直流電動機的基本工作原理基本保持不變,但在技術(shù)、材料和設(shè)計方面取得了巨大進展,從而提高了效率、可靠性和更廣泛的應(yīng)用。
有一個傳說,1882年,尼古拉特斯拉在布達佩斯(今天是匈牙利的首都,但后來是匈牙利王國)的一個城市公園里散步,與朋友交談。突然間,他受到啟發(fā),背誦歌德的《浮士德》中的臺詞。當(dāng)他看著日落時,他看到了一個旋轉(zhuǎn)磁場,構(gòu)思出了異步電動機的原理,他很快在塵土彌漫的小路上畫出了這個原理。
異步電動機的移動部件較少,不需要刷,而刷是當(dāng)時直流電動機不可分割的一部分。這使得它們更健壯,更不容易發(fā)生故障,并且需要更少的維護。這些電動機在較高的速度下效率更高,由于它們使用交流電(AC),它們自然地與交流電系統(tǒng)保持一致,由于尼古拉·特斯拉的緣故,交流電系統(tǒng)由于能夠在最小的損耗下長距離傳輸電能,因而也變得占主導(dǎo)地位。如今,異步電動機仍然是業(yè)界最常用的電動機。
除了這些優(yōu)點之外,異步電動機還有一些沒有直流電動機的缺點。直流電動機有能力在啟動時立即產(chǎn)生高扭矩,這對需要強啟動扭矩的應(yīng)用是有用的。與異步交流電動機相比,刷型直流電動機具有相對線性的特性,能夠快速響應(yīng)控制信號的變化,使其適合于需要快速響應(yīng)的應(yīng)用。
公共汽車公司簡介:現(xiàn)代汽車技術(shù)奇跡
一種新型電動機結(jié)合了異步交流電動機和灌木型直流電動機的許多優(yōu)點,即"永磁同步電動機"。PMSM是一種先進的三相電動機,在轉(zhuǎn)子內(nèi)安裝了堅固的永久磁鐵。當(dāng)電流通過電動機的定子(電動機的固定部分)時,就會產(chǎn)生一個電磁場,它與轉(zhuǎn)子的永磁磁場相互作用,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與電源的頻率同步,因此被稱為"同步"電動機。這種獨特的結(jié)構(gòu)使得功率密度比其他可用的電動機類型明顯增加。盡管PMSM發(fā)動機的基本概念和理論早已為人所知,隨著尖端電子和控制技術(shù)的發(fā)展,它們的廣泛使用和商業(yè)化始于20世紀(jì)末和21世紀(jì)初。從工業(yè)驅(qū)動到汽車,PMSM電動機在各種應(yīng)用中都很受歡迎。許多現(xiàn)代電動汽車使用PMSM電動機是因為它們的效率、功率密度和廣泛的運行速度。
另一種需要考慮的類型是BDH,它代表無刷直流電動機。顧名思義,這些電動機沒有刷。雖然他們與pms有相似之處,因為兩者都使用永久磁鐵,但他們的操作不同。PMS在正弦電流上工作,通常需要更復(fù)雜的控制策略。另一方面,BDH電動機工作的步進(梯形)電壓更大,并使用哈爾傳感器或其他方法跟蹤轉(zhuǎn)子的位置。
還有各種其他類型的電動機,包括步進電機和開關(guān)磁阻電機等。然而,本文將主要側(cè)重于對PMSM的控制。
汽車控制結(jié)合了各種工程學(xué)科,這使它特別引人入勝。這些學(xué)科包括電力電子學(xué)、模擬電子學(xué)、數(shù)字電子學(xué)、控制理論、數(shù)字信號處理和嵌入式軟件工程。此外,機械和熱工程在設(shè)計和優(yōu)化過程中起著至關(guān)重要的作用.
現(xiàn)場電動機控制:彌合直流和PMS電動機之間的差距
深入分析直流電動機的電分析,突出表明了獨立控制定子和轉(zhuǎn)子勵磁的能力。這種獨立的控制機制保證了轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生和磁通量的明顯調(diào)整.
當(dāng)pms基于不同的基本原理運行時,它們與直流電動機有一個重要的特性:只有定子電流受控制。在PMS中,磁通量和轉(zhuǎn)矩之間的相互依賴性來自于永磁對轉(zhuǎn)子勵磁的利用。
直接軸和正交軸電流組件
FOC,又稱矢量控制,是一種復(fù)雜的控制方法,旨在復(fù)制直流電動機對轉(zhuǎn)矩和通量的獨特控制。這需要轉(zhuǎn)子和定子磁場之間的正交性。
使用數(shù)學(xué)變換,特別是公園和克拉克的數(shù)學(xué)變換,FOC成功地將轉(zhuǎn)矩與通量脫鉤。要想有效地實現(xiàn)FOC,就必須明白,精確的轉(zhuǎn)子定位和對定子繞組電流的熟練控制是不可商量的。
FOC中使用的數(shù)學(xué)變換
通過將三相ABC參考框架轉(zhuǎn)換為DQ協(xié)調(diào)系統(tǒng),FAC在電動機控制方面提供了一個重大飛躍。這種變換為兩個軸上幾乎均勻的磁場鋪平了道路。結(jié)果是什么?一種系統(tǒng),可以促進在兩個DQ方向的電流的獨立控制,類似于保持速度的電機,與定子繞組引起的磁場同步。
三相電動機固有的冗余意味著其相(A,B,C)之間的電流是相互依存的。這種相互依存關(guān)系確保了從兩個階段獲得價值的過程中立即發(fā)現(xiàn)第三個階段,從而減少了對第三維度的需求。從 廣播公司 到 數(shù)據(jù)量坐標(biāo)響應(yīng)數(shù)學(xué)坐標(biāo)的變化,類似于從笛卡爾坐標(biāo)向極坐標(biāo)的過渡。這一變化使我們的視角與轉(zhuǎn)子的磁場相一致,為控制器提供了一個簡單的、準(zhǔn)平穩(wěn)的表示。尺寸縮減的控制優(yōu)勢不僅僅是數(shù)學(xué)上的優(yōu)雅,還在于控制的容易性。通過將尺寸從3縮小到2,電動機控制器可以單獨管理扭矩和通量組件,使整體控制更加直觀和有效。
控制器
電機控制器除了具有控制轉(zhuǎn)矩的能力外,還具有控制轉(zhuǎn)速甚至轉(zhuǎn)子位置的能力。位置控制與軌跡生成技術(shù)和其他相關(guān)方法密切相關(guān)。然而,在這方面,我們的主要重點將是控制電動機的速度和扭矩。
由于PMSM的電壓、電流、磁場和機械動力學(xué)之間的內(nèi)在關(guān)系,它通常被描述為一個非線性系統(tǒng)。在分析某一特定操作點或平衡點的PMSM時,可以將其近似為線性系統(tǒng),并可以成功地應(yīng)用于控制技術(shù),如530控制器。
為了調(diào)節(jié)電動機的速度,可以采用傳統(tǒng)的級聯(lián)方法,采用兩個PI控制器。
控制器
速度控制器(外環(huán)) 控制電動機的速度,與內(nèi)循環(huán)相比,運行更慢。當(dāng)一個目標(biāo)值,例如一個特定的電機速度,被設(shè)置為這個循環(huán),它的輸出級聯(lián)下降,成為內(nèi)環(huán)的參考,表示所需的扭矩。這種分層結(jié)構(gòu)確保系統(tǒng)反應(yīng)更快,并加強其對抗干擾的能力。
電動機控制的速度控制器也可以使用復(fù)雜的控制技術(shù)來制作.在傳統(tǒng)方法之外,模型預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、狀態(tài)空間控制和模糊控制系統(tǒng)等先進方法為設(shè)計和優(yōu)化提供了創(chuàng)新途徑。與更復(fù)雜的控制技術(shù)相比,低計算開銷、簡單性、健壯性和直接性控制器的調(diào)整提供了顯著的優(yōu)勢。一個精心調(diào)整的IP速度控制器,加上增益調(diào)度和其他補償,應(yīng)該足以滿足大多數(shù)應(yīng)用。
扭矩/電流控制器(內(nèi)環(huán)) 及時采取行動抵消干擾,主要關(guān)注系統(tǒng)的可測量方面,如轉(zhuǎn)矩或電流?？紤]到轉(zhuǎn)矩與電流密切相關(guān),這個循環(huán)的主要目標(biāo)是在不過度的情況下進行快速調(diào)整。主計長采取了系統(tǒng)的做法。首先,它測量電機電流、直流電壓和轉(zhuǎn)子角。利用帕克克拉克變換,然后將三相電流轉(zhuǎn)換成一個旋轉(zhuǎn)的DQ框架,產(chǎn)生兩個不同的數(shù)量。隨后,轉(zhuǎn)矩(與Q-電流成正比)被控制。
然后,控制器通過逆帕克克拉克變換從控制器輸出中確定定子電壓,并將這些電壓轉(zhuǎn)換成適合于三相壓波M逆變器的雙環(huán)電壓。
面向磁場轉(zhuǎn)矩控制器塊圖
上圖突出顯示了FOC轉(zhuǎn)矩控制器的基本部件。它的主要輸入來自于q-電流，它直接對應(yīng)于電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。與q電流外，與q電流正交的d電流在PMS電機的FOC中起著至關(guān)重要的作用。q電流與轉(zhuǎn)矩直接相關(guān)，而d電流負責(zé)控制電機中的磁通量。在正常工作條件下，PMSM的d電流被理想地設(shè)置為零。這是因為電機固有的磁場是從永磁體中獲得的，而任何由非零d電流引起的額外通量都會降低效率，而且通常是不必要的。保持d電流在零可以優(yōu)化每安培的扭矩，確保電機有效運行，不會產(chǎn)生過多的熱量。然而，在像磁場減弱這樣的情況下，d電流從這個零值調(diào)整，以允許操作超過電機的基本速度。正確管理d流，保持在零，必要時調(diào)整，確保最佳電機效率，防止退磁雖然某些功能塊需要硬件實現(xiàn),但控制器的核心邏輯主要是在單片機、DSP或FPGA中作為軟件執(zhí)行的。該位置傳感器便于在全速度下,特別是在較低速度下,電動機的FOC操作。
電機控制器硬件
電動機控制器的主要HW部件
為了實現(xiàn)永磁同步電動機控制器,需要有下列基本硬件部件:
電力供應(yīng): 驅(qū)動電動機和控制電路的電力來源.它必須符合電動機的電壓和電流要求,并提供穩(wěn)定的電壓和電流,沒有重大波動,以確保電動機運行一致。
在電動機控制器中,通信接口、反饋傳感器、控制邏輯、閘門驅(qū)動器和輔助系統(tǒng)可能需要電流隔離,以確保無噪音操作,防止電壓峰值,并在各個部件之間保持可靠的性能。需要注意的是,電隔離的需要取決于電動機控制器的具體應(yīng)用、環(huán)境和設(shè)計考慮。
轉(zhuǎn)換器:從電源轉(zhuǎn)換成三相交流(AC)以驅(qū)動PMSM的直流設(shè)備。在一個三相逆變橋中,有六個開關(guān)三對排列。每對都處理三個階段中的一個。在每個階段,一個開關(guān)管理正的半周期,而另一個管理負的半周期。脈沖寬度調(diào)制信號控制這些開關(guān).這些信號的調(diào)制方式?jīng)Q定了每一個相位交流輸出電壓的大小、頻率和波形。逆變器從兩個稱為直流鏈路的終端接收其直流電壓輸入.電容器通常包括在直流連接中,以穩(wěn)定和濾波直流電壓.作為輸出,逆變器產(chǎn)生三種交流波形.這些波形典型地是正弦型的,它們之間有120度的相位。在許多逆變器設(shè)計中,每一個開關(guān),無論是IGBT或MOSFET,都與反平行設(shè)置中的二極管配對。這種配置確保當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時,相應(yīng)的二極管為電流提供了一條通道,防止?jié)撛诘奈：?。這種裝置也有助于電感電流的再循環(huán),這在運動操作中很常見。一種常見的電動機操作.一種常見的電動機操作.
逆變器三相MOSFET橋
電動機控制器中絕緣閘極晶體管與金屬氧半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管之間的決定取決于與應(yīng)用要求有關(guān)的各種因素和這些裝置的內(nèi)在特性。 IGbts 通常是最好的高電壓應(yīng)用,往往超過600伏和一個開關(guān)頻率低于20-30千赫茲的應(yīng)用。IGBT對短路更堅固,提供更好的熱穩(wěn)定性。 莫斯費茨 應(yīng)用于中低功率的應(yīng)用,需要高開關(guān)頻率和低電壓效率是一個問題。
門驅(qū)動器是逆變器的一個重要組件,它充當(dāng)接口,將低壓控制信號轉(zhuǎn)換為高壓水平。它集成了脫飽和檢測和電壓不足鎖定等保護元件,確保了開關(guān)關(guān)閉與開關(guān)關(guān)閉之間設(shè)定的截止時間內(nèi)的快速開關(guān)速度,以最大限度地減少損耗和電磁干擾,為安全和無噪音的操作提供了電流隔離,通過減少開關(guān)和傳導(dǎo)損失提高了逆變器的整體效率。閘門驅(qū)動器的非常重要的部件是閘門電阻,定位在一個IGBT或MOSFET的閘門上。它們對電力電子開關(guān)設(shè)備的操作和控制至關(guān)重要。它們有助于控制晶體管的開關(guān)速度,在可能會產(chǎn)生有害的超微波或電磁干擾的過快開關(guān)與可能增加損失的慢開關(guān)之間達成平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發(fā)寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止?jié)撛诘膿p害。正確選擇閘門電阻值是至關(guān)重要的,因為它決定了開關(guān)設(shè)備的幾個性能和保護方面之間的平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發(fā)寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止?jié)撛诘膿p害。正確選擇閘門電阻值是至關(guān)重要的,因為它決定了開關(guān)設(shè)備的幾個性能和保護方面之間的平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發(fā)寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止?jié)撛诘膿p害。正確選擇閘門電阻值是至關(guān)重要的,因為它決定了開關(guān)設(shè)備的幾個性能和保護方面之間的平衡。
確保逆變器的最佳電氣和機械設(shè)計是至關(guān)重要的。在這方面,電力電子、建筑和熱設(shè)計方面的專業(yè)知識至關(guān)重要。
管制股:負責(zé)控制逆變器的信號處理和產(chǎn)生壓波調(diào)制(脈沖寬度調(diào)制)信號的核心部件通常是單片機、數(shù)字信號處理器或可編程門陣列。該單元還集成了內(nèi)存、模擬接口和數(shù)字接口。此外,安全邏輯可以嵌入到這個中心單元中,以確保采取保護措施,防止故障和潛在的危險。選擇正確的單片機(單片機)或數(shù)字信號處理器(DSP)用于電機控制的應(yīng)用,需要考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)和特點,以確保最佳性能、可靠性和效率。需要考慮的主要因素是:處理能力、外圍設(shè)備和I/OS、存儲器、硬件聯(lián)鎖等安全特性,錯誤校正碼(ECC)存儲器、監(jiān)視器、硬件故障和故障檢測和保護機制,如故障檢測和保護功能(通常被稱為"差幅"或"差幅點")、功率消耗、運行溫度范圍、開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)和成本。一些應(yīng)用程序可能會從具有FPGA功能的單片機中受益,從而實現(xiàn)自定義硬件邏輯。
反饋傳感器:
· 位置傳感器: 這些通常是編碼器或解析器跟蹤的位置的轉(zhuǎn)子。
此外,還有主要基于卡爾曼濾波器的無傳感器觀測技術(shù),可以在沒有直接測量的情況下用來估計轉(zhuǎn)子的位置。然而,這些無傳感器的方法可能會有一些缺點,比如準(zhǔn)確性降低,在某些情況下可能出現(xiàn)不穩(wěn)定性,以及啟動或低速度時的挑戰(zhàn)。這些技術(shù)及其具體細節(jié)將不包括在本文中。
· 現(xiàn)有傳感器: 用于測量電動機的相位電流。在實踐中,IIA+Ib+IC等于零,但通常只需要兩個電流傳感器來進行精確的電流評估。
· 電壓傳感器: 用于測量驅(qū)動電動機(直流總線)的電源電壓。
· 溫度傳感器: 電機控制器中的溫度傳感器至關(guān)重要地監(jiān)控和調(diào)節(jié)熱量,以確保電機保護,優(yōu)化效率,延長電機壽命,為先進的控制算法提供反饋,并管理有源冷卻系統(tǒng)。
通信接口: 用于與外部設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)的通信,如CAN、UART或以太網(wǎng)。
保護性部件: 包括繼電器、引信和保護二極管,以確保系統(tǒng)的安全運行,并防止過大電壓或電流。
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