高性能電機(jī)控制領(lǐng)域一直由同步直流電機(jī)主導(dǎo)。這組電機(jī)包括有刷電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)、繞線電機(jī)和永磁電機(jī)。這種統(tǒng)治地位的簡(jiǎn)單原因是直流電機(jī)更容易控制。如果應(yīng)用需要良好地控制電機(jī)扭矩、速度或位置，則尤其如此。直流電機(jī)的機(jī)電模型表明，電機(jī)扭矩在限制范圍內(nèi)是輸入電流的近似線性函數(shù)。因此，使用比例積分微分 (PID) 控制器使直流電機(jī)獲得穩(wěn)定的性能是一項(xiàng)相對(duì)容易的任務(wù)。
在“真實(shí)的設(shè)計(jì)世界”中，選擇在應(yīng)用中使用的電機(jī)類型的過(guò)程可能很復(fù)雜。不能僅根據(jù)控制的容易程度來(lái)選擇特定的電機(jī)。還有許多其他與系統(tǒng)相關(guān)的變量需要處理，例如：
維護(hù)電機(jī)有多容易？
當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么？（即繞組短路）
運(yùn)行環(huán)境會(huì)怎樣？
電機(jī)如何冷卻？
電機(jī)的成本是多少？
考慮因素的清單可以一直列下去……
交流感應(yīng)電機(jī) (ACIM) 與其他類型的電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，通常在需要穩(wěn)健的定速解決方案時(shí)使用。微控制器 (MCU) 和電力電子設(shè)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(jī)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(shù)字信號(hào)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(jī)，并且可以消除下一個(gè)設(shè)計(jì)的電機(jī)選擇過(guò)程中的一個(gè)變量。
電機(jī)的工作原理
當(dāng)電流流過(guò)磁場(chǎng)附近時(shí)，電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械力。同步電機(jī)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(nèi)，電機(jī)的扭矩響應(yīng)是電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的線性函數(shù)。線性響應(yīng)使這些電機(jī)在高性能應(yīng)用中易于控制。PID 控制器可用于控制電機(jī)電流和產(chǎn)生的電機(jī)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(lì)磁繞組或永磁體的同步電機(jī)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�(yīng)用需要一個(gè)大功率電機(jī)。我可以使用帶有轉(zhuǎn)子和定子繞組的電機(jī)。但是，我不得不擔(dān)心更換電刷和保持轉(zhuǎn)子冷卻。我可以使用帶有永磁體的無(wú)刷電機(jī)，但磁鐵的成本會(huì)使電機(jī)的成本太高�！�
交流感應(yīng)電機(jī)
ACIM 在這種情況下確實(shí)可以提供幫助。ACIM 的繞組位于電機(jī)外部，因此易于提供冷卻。轉(zhuǎn)子是一個(gè)簡(jiǎn)單的鋼保持架，因此堅(jiān)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(xiàn)在，看看電機(jī)是如何工作的。
由于交流電源廣泛可用，因此 ACIM 在設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)考慮特定的線路電壓和頻率。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(shù)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(guī)定了電機(jī)的額定功率、工作電壓、工作頻率和工作轉(zhuǎn)速。電機(jī)定子繞組的布置使得在交流電流通電時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
ACIM 的轉(zhuǎn)子必須以低于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。場(chǎng)速度和轉(zhuǎn)子速度之間的差異稱為轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率可以表示為比率或頻率，但考慮轉(zhuǎn)差頻率會(huì)有所幫助。對(duì)于本示例電機(jī)，旋轉(zhuǎn)場(chǎng)速度為 60 轉(zhuǎn)/秒，即 3,600 RPM。但是，您會(huì)注意到負(fù)載下的銘牌 RPM 僅 3,450 RPM，或 57.5 rev/s。因此轉(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率視為交流電源，通過(guò)變壓器耦合向轉(zhuǎn)子提供能量。轉(zhuǎn)子通過(guò)交流電流通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，使電機(jī)產(chǎn)生扭矩。ACIM 滑差使電機(jī)能夠在一定程度上自我調(diào)節(jié)自身速度。隨著電機(jī)負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子速度將降低。然后轉(zhuǎn)差頻率將增加，從而增加轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)扭矩。
變速 ACIM 控制
通過(guò)改變提供給電機(jī)的頻率和電壓，ACIM 可以在不同的速度和扭矩水平下運(yùn)行。假設(shè)您希望以額定速度的 1/2 運(yùn)行我們的示例電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您可以將電機(jī)的輸入頻率降低 1/2，即 30 Hz。如果我們想讓電機(jī)以 1/4 速度運(yùn)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(duì)恒定。ACIM 電機(jī)是感性電機(jī)，定子電流會(huì)隨著輸入頻率的降低而增加。因此，當(dāng)頻率降低時(shí)，還需要按比例降低輸入電壓。恒定的 V/Hz 曲線通常用于提供 ACIM 的變速運(yùn)行。我們示例電機(jī)的 V/Hz 常數(shù)可以通過(guò)將工作頻率除以工作電壓來(lái)計(jì)算。
K = 電壓/赫茲 = 230/60 = 3.83
現(xiàn)在，對(duì)于給定的輸入頻率選擇，我們可以計(jì)算該輸入頻率所需的驅(qū)動(dòng)電壓：
電壓 = K* 頻率
圖 1 變速 ACIM 應(yīng)用的典型 V/Hz 曲線
結(jié)果稱為“伏赫茲”曲線，可以如圖 1 所示繪制。沒(méi)有固定規(guī)則表明驅(qū)動(dòng)電壓必須與頻率保持固定的線性關(guān)系。事實(shí)上，V/Hz 曲線的形狀經(jīng)常在特定頻率范圍內(nèi)改變，以優(yōu)化特定速度范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)性能。例如，圖 1 所示的輪廓形狀經(jīng)過(guò)調(diào)整，可在低頻范圍內(nèi)提供更高的電壓。當(dāng)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)時(shí)，這種修改可以提高電機(jī)扭矩，以幫助克服負(fù)載摩擦和慣性。在電機(jī)的機(jī)械極限范圍內(nèi)，您還可以將驅(qū)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(jī)扭矩也會(huì)較低。
對(duì)于不需要頻繁速度或負(fù)載變化的應(yīng)用，控制 ACIM 的 V/Hz 方法效果很好。當(dāng)控制回路用于調(diào)節(jié)速度或電機(jī)電流時(shí)尤其如此。圖 2 顯示了可用于 V/Hz 應(yīng)用的典型系統(tǒng)框圖。MCU 具有專用 PWM 外設(shè)來(lái)驅(qū)動(dòng) 6 晶體管逆變器電路。MCU 測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)的頻率，計(jì)算速度誤差，并使用 PID 控制環(huán)路生成驅(qū)動(dòng)需求。
使用 V/Hz 曲線將驅(qū)動(dòng)需求轉(zhuǎn)換為所需的電壓和頻率。，PWM 調(diào)制代碼隨時(shí)間改變占空比，以生成具有適當(dāng)幅度和頻率的正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 |
