淺析交流伺服電機(jī)矢量控制技術(shù)

關(guān)于交流電機(jī)的矢量控制技術(shù)，有很多論文與各種文章介紹。但多用難解的公式與坐標(biāo)來(lái)記述，如果沒有扎實(shí)的數(shù)學(xué)和控制等理論基礎(chǔ)的話，相信大家有同感比較難理解。小編盡量用簡(jiǎn)單易懂的圖解與計(jì)算來(lái)聊聊電機(jī)的構(gòu)造，靜止坐標(biāo)與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化，矢量控制，伺服控制等電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

在聊控制之前，為了更好理解控制，我們先來(lái)看看電機(jī)的構(gòu)造。實(shí)時(shí)應(yīng)用的電機(jī)構(gòu)造很復(fù)雜，但可以簡(jiǎn)單的理解成：電機(jī)由裝在里面的轉(zhuǎn)子與裝在外面的定子構(gòu)成(也有相反的電機(jī))，轉(zhuǎn)子里面一般放入永久磁石，定子里面一般纏繞銅線。然后在中間插入中軸來(lái)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)物體。

電機(jī)技術(shù)經(jīng)過(guò)百年的發(fā)展，形成了如上的各種分類。電機(jī)上使用的磁石屬于稀有金屬，產(chǎn)量主要分布在中國(guó)，近年由于稀土材料的價(jià)格高騰，工業(yè)界正在積極研究如何減少稀土的使用量，保持性能的同時(shí)降低產(chǎn)品成本，是企業(yè)也更是工程師永遠(yuǎn)的課題。如今實(shí)際應(yīng)用中，同步電機(jī)得到廣泛的采用。

同步電機(jī)又以磁石所裝入的部位，主要分類為SPM(表面磁石)和IPM(內(nèi)部磁石)：

SPM電機(jī)由于控制簡(jiǎn)單，早起被工業(yè)界所采用，但是這種電機(jī)由于磁石裝在轉(zhuǎn)子的表面，所以可以利用的動(dòng)力主要來(lái)源于自身的表面磁石。

IPM電機(jī)由于可以利用磁石與磁石周圍勵(lì)磁的動(dòng)力，產(chǎn)生高密度的能量，而且可以通過(guò)構(gòu)造的工夫減少稀土的使用量，所以今年得到更廣泛的應(yīng)用。

SPM電機(jī)：

轉(zhuǎn)子(磁石未插入狀態(tài))

定子(線圈纏繞狀態(tài))

我們可以看到，定子鐵芯上有斜入的空心，在這里纏繞線圈。斜著是應(yīng)為可以使磁場(chǎng)平均化(具體請(qǐng)參照相關(guān)論文或?qū)＠?。

轉(zhuǎn)子與定子的合體

IPM電機(jī)：

轉(zhuǎn)子(磁石未插入狀態(tài))

我們可以看到裝磁石的地方分為對(duì)稱的兩條，這是應(yīng)為想使得勵(lì)磁的地方得到有效的利用，這個(gè)空心對(duì)稱的角度會(huì)影響勵(lì)磁動(dòng)力，具體有興趣的話可以參照各種專利(關(guān)于角度問(wèn)題有很多專利申請(qǐng))。

定子(線圈纏繞狀態(tài))

轉(zhuǎn)子與定子的合體

下面進(jìn)入正題，聊聊交流電機(jī)的控制問(wèn)題。

一般的電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器如上所示。我們可以看到IGBT的輸出與電機(jī)的輸入都是三相(電壓，電流的UVW)，而電機(jī)里面的磁石只有S和N的兩極。同時(shí)，三相的UVW屬于靜止坐標(biāo)，而電機(jī)在運(yùn)行時(shí)屬于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，那么我們要控制電機(jī)就需要按照我們的目的把三相的靜止坐標(biāo)與二相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)進(jìn)行互換。

我們先來(lái)俯瞰一下矢量控制的結(jié)構(gòu)圖：

從AC Motor的電流采樣得到三相交流數(shù)值，通過(guò)Clark變換成二相坐標(biāo)(αβ)，再利用Park變換把靜止的αβ坐標(biāo)換成旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)，形成反饋值，與dq的指令值進(jìn)行演算。

通過(guò)PI控制器的演算結(jié)果，我們可以得到dq兩相的電壓指令值，把旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的dq指令值通過(guò)逆Park變換，得到靜止坐標(biāo)的αβ，再通過(guò)逆Clark變換得到三相的電壓驅(qū)動(dòng)指令，控制SVPWM的輸出。

另外，d軸對(duì)應(yīng)勵(lì)磁所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，q軸對(duì)應(yīng)永久磁石所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在SPM電機(jī)的控制時(shí)我們可以讓d軸的指令值為0。但在IPM電機(jī)控制時(shí)，d軸和q軸都要利用，所以在速度環(huán)需要有兩個(gè)指令的輸出。

下面以正向Clark變換和Park變換，來(lái)計(jì)算如何進(jìn)行坐標(biāo)變換的：

Clark變換

我們?cè)O(shè)定U和α軸一致，并假設(shè)k為三相與二相的矢量振幅比系數(shù)。通過(guò)上面圖示我們可以得到：

α=k{U-1/2V-1/2W}

β=k{sqrt(3)/2V-sqrt(3)/2W}

由于三相平衡，我們可以有：

U+V+W=0

α=U

帶入上式可以得到: k=2/3

所以β=1/sqrt(3)*(V-W) =1/sqrt(3)*(U+2V)

Park變換

我們假設(shè)αβ軸與dq軸之間有著θ的角度，把αβ分解到dq軸上，再利用三角公式可以得到：

d=αcosθ+βsinθ

q=-αsinθ+βcosθ

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)與靜止坐標(biāo)的逆變換同上述一樣，這里就省略了。

上面我們聊了坐標(biāo)變換與矢量控制結(jié)構(gòu)，矢量控制的目的是控制伺服的同時(shí)，使電流與電壓的位相一致進(jìn)而提高電力效率和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的效率。下面我們?cè)賮?lái)了解下包括矢量控制在內(nèi)的伺服控制結(jié)構(gòu)。

上述結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為以下：位置控制環(huán)，速度控制環(huán)，矢量(電流)控制環(huán)。

淺析了交流電機(jī)的矢量控制，實(shí)際利用變頻器的交流電機(jī)控制中，由于外亂，溫度，高頻等等因素的影響，使得電機(jī)控制算法越來(lái)越復(fù)雜，精度越來(lái)越高，但我們只要掌握了上述最基本的方法，有助于理解其他發(fā)展算法。