本文是“精通电机控制”系列文章的第一部分,介绍了电机控制的基础知识,为后续文章奠定了基础。敬请关注本系列的下一部分。

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从法拉第到特斯拉:电机之旅

电磁学实验始于19世纪初,由迈克尔·法拉第等科学家领导。1834年,托马斯·达文波特发明了第一台实用直流电机。这种直流电机利用电磁体作为定子来产生固定磁场,转子则是电机的运动部件,也是一个由电流驱动的电磁铁,通过换向器和电刷实现电流传输。尽管自达文波特时代以来,有刷直流电机的工作原理都基本一致,但在技术、材料和设计方面,却取得了巨大进步,从而实现了效率和可靠性的提高以及更广泛的应用。

尼古拉·特斯拉——交流电机创新的先驱

有一个传说,1882年,尼古拉·特斯拉与一位朋友在布达佩斯的一个城市公园聊天时,他一边背诵歌德《浮士德》中的诗句,一边欣赏日落,突然灵机一动,“看到”一个旋转的磁场,于是便在尘土飞扬的小路上,构思出了异步电机的原理。

异步电机的运动部件较少,不需要电刷(电刷是当时直流电机不可或缺的),这使得电机更加坚固,不易发生故障,并且需要更少的维护。这类电机在较高速度时效率更高,并且由于采用交流电,因此自然与交流电气系统保持一致。得益于尼古拉·特斯拉,交流电气系统也因其能够以最小的损耗实现长距离电能传输而占据主导地位。如今,异步电机仍然是工业领域最常用的电机。

凡事一分为二,异步电机也具有一些直流电机所没有的缺点。直流电机能够在启动时立即产生大转矩,这对于需要大启动转矩的应用是有用的。与异步交流电机相比,有刷直流电机具有相对线性的特性,从而可以快速响应控制信号的变化,适用于需要快速响应的应用。

永磁同步电机:电机技术的现代奇迹

“永磁同步电机(PMSM)”是一种新型电机,它将异步交流电机与有刷直流电机的许多优点结合在了一起。PMSM代表了一种先进的三相电机,转子内嵌有坚固的永磁体。当电流流经电机的定子(电机的静止部分)时,会产生一个电磁场,该电磁场与转子永磁体的磁场相互作用,导致转子转动。转子的转速与电源的频率同步,因此得名“同步”电机。与其他可用的电机类型相比,这种独特的结构导致功率密度的显著增加。虽然PMSM背后的基本概念和理论早已为人所知,但由于电子控制技术的复杂性,其广泛商业化推广一直推迟到20世纪末和21世纪初。如今,PMSM已经在从工业驱动到汽车的各种应用中普及起来。许多现代电动汽车都使用PMSM,原因在于其高效率、高功率密度和宽范围的运行速度。

另一种需要考虑的类型是BLDC,即无刷直流电机。顾名思义,这些电机在没有电刷的情况下运行。尽管它们与PMSM有相似之处,都使用永磁体,但它们的工作原理不同。PMSM以正弦电流工作,通常需要更复杂的控制策略。另一方面,BLDC则采用阶梯(梯形)电压,并利用霍尔传感器或其他方法来跟踪转子的位置。

还有各种其他类型的电机,包括步进电机和开关磁阻电机等。不过本文将主要讨论PMSM的控制。

电机控制结合了各种工程学科,因此特别令人着迷。这些学科包括功率电子、模拟电子、数字电子、控制理论、数字信号处理和嵌入式软件工程。此外,机械和热力工程在设计和优化过程中也发挥着至关重要的作用。

磁场定向电机控制(FOC):弥合直流电机与PMSM之间的差距

对直流(DC)电机进行深入的电气分析后发现,它具有独立控制定子和转子励磁的能力。这种独立的控制机制可确保对产生的转矩和磁通量进行独特调整。

虽然PMSM的工作原理不同,但其与直流电机有一个共同的关键特征:只有定子电流受到控制。在PMSM中,磁通和转矩之间的相互依赖性源于使用永磁体进行转子励磁。

 

图1:直轴(d)和交轴(q)电流分量。

FOC,也称为矢量控制,是一种复杂的控制方法,旨在复制直流电机对转矩和磁通的独特控制。要实现这一点,需要使转子磁场和定子磁场正交(图1)。

FOC采用数学变换,特别是Park和Clarke的数学变换,成功地将转矩与磁通解耦(图2)。重要的是要了解,为了有效地实现FOC,精确的转子定位和对定子绕组电流的熟练控制是不可妥协的。

 

图2:FOC中采用的数学变换。

FOC通过将三相abc参考系转换为dq坐标系,使电机控制实现了重大飞跃。这种转变为两轴上几乎均匀磁场的实现铺平了道路。结果得到一个系统,可对dq两个方向上的电流实现独立控制,这与电机保持一个速度Ω,并与定子绕组感应磁场同步相类似。

三相电机固有的冗余意味着其各相(a、b、c)之间的电流是相互依赖的。这种相互依赖性确保了从两个相上获得的数值能立即显示第三个相,从而减少了对第三个维度的需求。从abc坐标转换到dq坐标的数学范式呼应了数学坐标的转变,类似于从笛卡尔坐标转换到极坐标。这种变换使得我们的视角与转子的磁场保持一致,因此为控制器提供了一种更简单的准静态表示。缩减维度的控制好处不仅仅是数学上的简化,更在于易于控制。通过将维度从3个减少到2个,电机控制器可以分别管理转矩和磁通两个分量,从而使整体控制更加直观高效。

Iq与电机的转矩成正比,因此,PMSM的转矩控制器本质上就是电流控制器。

控制器

电机控制器除了具有控制转矩的能力外,还具有控制速度甚至转子位置的能力。位置控制与轨迹生成技术和其他相关方法密切相关。不过,在此情况中,我们将主要关注电机速度和转矩的控制。

由于电压、电流、磁场和机械动力学之间的固有关系,PMSM通常被认为是一种非线性系统。不过,在围绕特定工作点或平衡点分析PMSM时,可以将其近似为线性系统,并成功运用PID控制器等控制技术。

为了调节电机的速度,可以采用带有两个PI控制器的传统级联方法(图3)。

 

图3:PMSM控制器。

速度控制器(外环)用于控制电机的速度,与内环相比运行速度较慢。当为该回路设置了目标值(如特定的电机速度)时,其输出就会向下级联,成为内环的参考值,表示所需的转矩。这种分层配置可确保更快的系统响应,并增强其抗干扰能力。

用于电机控制的速度控制器也可以使用复杂的控制技术。除传统方法外,模型预测控制、自适应控制、神经网络、状态空间控制器和模糊控制系统等高级方法也为设计和优化提供了创新途径。与更复杂的控制技术相比,PID控制器的低计算开销、简单性、鲁棒性和直接调整具有显著优势。一个经过良好调整的PI速度控制器,再辅以增益规划和其他补偿,就足以满足大多数应用的需要。

转矩/电流控制器(内环)可采取迅速对抗干扰,主要侧重于系统的可测量方面,如转矩或电流。考虑到转矩与电流密切相关,该回路的主要目标是在不超调的情况下进行快速调整。控制器采用系统化的方法。首先,它测量电机电流、直流母线电压和转子角度。然后,利用Park-Clarke变换将三相电流转换为旋转的dq帧,从而产生两个不同的量纲。随后,转矩(与q电流成比例)即被控制。

然后通过Park-Clarke逆变换,控制器从输出中确定定子电压,并将这些电压转换为适合三相PWM逆变器的占空比。

 

图4:磁场定向转矩控制器框图。

4突显了FOC转矩控制器的基本组成部分。它的主要输入来自q电流,该电流直接对应于电机产生的转矩。除q电流外,与q电流正交的d电流在PMSM的FOC中也起着重要作用。虽然q电流与转矩直接相关,而d电流负责控制电机中的磁通量。在正常工作条件下,PMSM的d电流最好设置为零。这是因为电机固有地从永磁体获得磁场,而非零d电流感应的任何额外磁通量都会使效率降低,并且通常是不必要的。将d电流保持为零,可以优化每安培转矩,确保电机高效运行且不会产生过多热量。然而,在磁场减弱等情况下,d电流会从零值进行调整,以允许电机在超过基本速度的情况下运行。对d电流进行适当的管理,将其大部分时间保持为零,并在必要时对其进行调整,可确保最佳的电机效率、防止永磁体退磁以及整个控制系统的稳定性。

虽然某些功能块需要硬件实现,但控制器的核心逻辑主要是通过MCU、DSP或FPGA内的软件执行的。位置传感器有助于电机在全速范围内实现FOC运行,尤其是在低速情况下。

电机控制器硬件

图5:电机控制器的主要硬件部分。

要实现PMSM控制器,需要以下基本硬件部分(图5) :

电源:用于驱动电机及控制电路的电源。它必须符合电机的电压和电流要求,并提供稳定的电压和电流,不会出现明显波动,以确保电机连续运行。

在电机控制器中,可能需要对通信接口、反馈传感器、控制逻辑、栅极驱动器和辅助系统进行电气隔离,以确保无噪声运行,防止电压尖峰,并保持各组件的可靠性能。需要注意的是,电气隔离的需求取决于电机控制器的具体应用、环境和设计考虑因素。

逆变器:将电源的直流电转换为三相交流电来驱动PMSM的设备。在三相逆变桥中,有六个开关排列成三对(图6)。每对开关负责三相中的一相。在每个相中,一个开关管理正半周,而另一个开关管理负半周。PWM信号对每个开关进行控制。这些信号的调制方式决定了每相交流输出电压的幅度、频率和波形。逆变器从被称为直流链路的两个端子接收直流电压输入。通常,直流链路中包含电容器,对直流电压进行稳压和滤波。作为输出,逆变器产生三个交流波形。这些波形通常为正弦波,彼此相位相差120°。在许多逆变器设计中,每个开关,无论是IGBT还是MOSFET,都与一个二极管以反并联方式配对。这种配置可确保当开关关断时,相应的二极管为电流提供流动路径,以防止潜在的危害。这种设置还有助于电感电流的再循环,这在电机运行中很常见。

 

图6:逆变器的三相MOSFET电桥。

在电机控制器中选用IGBT还是MOSFET,取决于与应用要求以及这些器件固有特性相关的各种因素。超过600V的高压应用以及开关频率低于20-30kHz的应用通常首选IGBT。IGBT对短路的抵抗能力更强,热稳定性更好。MOSFET则适用于高开关频率的中小功率应用,以及需要考虑低电压效率的应用。

作为逆变器的一个重要组成部分,栅极驱动器是一种接口,可将低压控制信号转换为高压信号。它集成了去饱和检测和欠压锁定等保护;确保了快速开关速度,以及开关关断与接通之间的指定死区时间,以最大限度地减少损耗和电磁干扰;提供了电气隔离以确保安全无噪声运行;并可通过降低开关损耗和传导损耗来提高逆变器的整体效率。栅极驱动器中非常重要的元件是栅极电阻,位于IGBT或MOSFET的栅极附近。它们对MOSFET和IGBT等电力电子开关器件的运行和控制至关重要,有助于控制晶体管的开关速度,在过快的开关(可能产生有害超调或电磁干扰)和过慢的开关(可能增加损耗)之间取得平衡。这些电阻有助于抑制晶体管上寄生电感和寄生电容引发的振荡。通过限制流入栅极的电流,栅极电阻为MOSFET的栅极氧化层提供了有效保护,使其免受潜在的损坏。正确选择栅极电阻值至关重要,因为它决定了开关器件在多个性能和保护方面的平衡。

确保逆变器的最佳电气和机械设计也很关键。在这种情况下,电力电子、结构和散热设计方面的专业知识尤为重要。

制单元:通常,MCU、DSP或FPGA是负责信号处理和生成逆变器PWM控制信号的核心器件。该单元还集成了存储器、模拟接口和数字接口。此外,该中央单元还可嵌入安全逻辑,确保采取保护措施,防止发生故障和潜在危险。为电机控制选择合适的MCU或DSP时,需要考虑几个关键参数和功能,以确保最佳性能、可靠性和效率。需考虑的主要因素包括:处理能力、外设及I/O、内存、安全功能(如硬件互锁)、纠错码(ECC)内存、看门狗定时器、硬件故障和保护机制(如故障检测和通常称为“跳闸”或“跳闸点”的保护功能)、功耗、工作温度范围、开发生态系统和成本等。一些应用可能会受益于具有FPGA功能的MCU,从而可以实现自定义硬件逻辑。

反馈传感器

  • 位置传感器:这些传感器通常是跟踪转子位置的编码器或解析器。

此外,有无传感器观测器技术,主要基于卡尔曼滤波器,可用估计转子的位置,而无需直接测量。然而,这些无传感器方法也可能存在缺点,例如精度降低、在某些条件下可能不稳定以及在启动或低速时面临挑战。本文将不再介绍这些技术及其具体细节。

  • 电流传感器:用于测量电机相电流。由于Ia+Ib+Ic在实际应用中等于零,因此通常只需要两个电流传感器来进行精确的电流评估。
  • 电压传感器:用于测量驱动电机的电源电压(直流母线)。
  • 温度传感器:电机控制器中的温度传感器主要用于监控和调节热量,以确保电机保护、优化效率、延长电机寿命、为高级控制算法提供反馈,以及管理有源冷却系统。

通信接口:用于与外部设备或网络(如CAN、UART或以太网)进行通信。

保护器件:包括继电器、熔断器和保护二极管,以确保系统安全运行并防止过压或过流。

(原文刊登于EE Times姊妹网站Embedded,参考链接:Mastering motor control: motor control 101,由Franklin Zhao编译。)

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