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什么是无刷电机矢量控制?它有什么优点?

时间:05-09 18:57 点击:131

无刷电机矢量控制与弦波式控制方式存在着本质的问题,就是它对无刷电机电流的控制是一个变量的控制。当无刷电机速度不断提高,P-I控制器达到极限带宽时,这种控制方式就会失去它的效用。矢量控制就可以解决这个问题,它是通过直接控制对应于转子磁场平行和垂直方向的矢量电流分量来实现对定子线圈电流进行的精确控制。理论上看,矢量电流可分解成平行和垂直于转子磁场的两个电流分量。因为在这两个方向上的电流是静态的,所以P-I控制器对电流的控制就可以是直流的,而不是弦波信号。所以控制器输出的线圈电流和电压就是一个常量,不是原先的随时间不断变化的变量,这也就消除了控制器在频率响应和相位漂移上的限制。如果用矢量控制方式来控制无刷电机,电流控制的质量与电机转速没有任何关系。

 

无刷电机矢量控制


在矢量控制的情况下,我们主要控制对应于转子磁场平行和垂直方向上的无刷电机电流和电压。这就表明我们所测得的无刷电机电流必须经过PI控制器进行数学计算,然后将其从定子的三相静态结构转化成转子d-q的动态结构(平行和垂直于转子磁场方向)。同样的,无刷电机端的控制电压也需要经过数学计算将其由转子的d-q结构转化为定子的三相静态结构,然后再输入到PWM部分进行调制。这些转化就要求我们具备高速的数学处理能力,DSP和高性能的处理器就会被采用并成为矢量控制的核心。

 

虽然这种结构的转换至需要一步计算就可以完成,但我们用两个步骤来描述会比较方便。电机电流首先从定子的物理120度相位差的三相结构转变成稳定的动态的直角正交的d-q结构,然后再由这种定子的动态结构转化为转子的三相静态结构。为了确保得到有效的结果,这些计算必须在P-I控制器的一个采样周期内完成。上述的这种转换与P-I控制器所需的电压信号从d-q结构转换成定子线圈的三相结构的操作正好相反。

 

一旦无刷电机电流被转化成d-q结构,控制将变得非常简单。我们需要两路P-I控制器;一个控制平行与转子磁场的电流,一个控制垂直向电流。因为平行向电流的控制信号为零,所以这就使无刷电机平行向的电流分量也变成零,这也就驱使无刷电机的电流矢量全部转化为垂直向的电流。由于只有垂直向电流才能产生有效的力矩,这样无刷电机的效率被最大化。另一路P-I控制器主要用来控制垂直向的电流,以获得与输入信号相符的需求力矩。这也就使垂直向电流按照要求被控制以获得所需的力矩。

 

无刷电机矢量控制优越性


两路P-I控制器的输出信号表征了对应于转子的电压矢量。对应于无刷电机电流信号的转换,这些静态的电压矢量也经过一系列的参考坐标的转换,得到输出桥路需要的电压控制信号。他们首先由转子动态的d-q参考结构转换成定子的静态x-y结构。接着,电压信号又被由这种直角坐标结构转换成相互间隔120度的物理结构,然后输入到无刷电机的U,V和W的三相线圈中。这三路电压信号在输入到无刷电机线圈前需要经过PWM的调制。

 

将无刷电机线圈中时变的电流和电压的弦波信号转换成d-q结构的直流信号的工作就是参考坐标的转换。

 

弦波式换相和矢量控制间的本质区别就是一系列的坐标转换和对电流控制的处理。在弦波式换相方式中,我们需要先进行换相,然后通过P-I控制得到所需的弦波式电流。因此对系统的P-I控制主要处理的是时变的无刷电机电流和电压的弦波信号,无刷电机的性能就会受到控制器带宽和相位漂移的限制。而在矢量控制中,电流信号先经过P-I控制,再经过高速的换相处理。因此,P-I控制器不需要对时变的电流和电压信号进行处理;系统也不会受到P-I控制器带宽和相位漂移的影响。

 

因此,为什么说矢量控制的方式更优越?

矢量信号能够让电机在低速的运转和高速一样的平滑。弦波式换相能让电机在低速下运转平稳,但在高速运转下效率却大大降低。而梯形波式换相在无刷电机高速运转下工作比较正常,但在电机低速运转下,会产生力矩的波动。因此,适量控制是对无刷电机的最佳控制方式。


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