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AC電機控製算法

AC電機控製算法

標量控製(或V/Hz控製)是一個控製指令電機速度的簡單方法。

指令電機的穩態模型主要用於獲得技術,因此瞬態性能是不可能實現的。係統不具有電流回路。為了控製電機,三相電源隻有在振幅和頻率上變化。

矢量控製或磁場定向控製

在電動機中的轉矩隨著定子和轉子磁場的功能而變化,並且當兩個磁場互相正交時達到峰值。在基於標量的控製中,兩個磁場間的角度顯著變化。

矢量控製設法在AC電機中再次創造正交關係。為了控製轉矩,各自從產生磁通量中生成電流,以實現DC機器的響應性。

一個AC指令電機的矢量控製與一個單獨的勵磁DC電機控製相似。在一個DC電機中,由勵磁電流IF所產生的磁場能量ΦF與由電樞電流IA所產生的電樞磁通ΦA正交。這些磁場都經過去耦並且相互間很穩定。因此,當電樞電流受控以控製轉矩時,磁場能量仍保持不受影響,並實現了更快的瞬態響應。

三相AC電機的磁場定向控製(FOC)包括模仿DC電機的操作。所有受控變量都通過數學變換,被轉換到DC而非AC。其目標的獨立的控製轉矩和磁通。

磁場定向控製(FOC)有兩種方法:

直接FOC:轉子磁場的方向(Rotor flux angle)是通過磁通觀測器直接計算得到的

間接FOC:轉子磁場的方向(Rotor flux angle)是通過對轉子速度和滑差(slip)的估算或測量而間接獲得的。

矢量控製要求了解轉子磁通的位置,並可以運用終端電流和電壓(采用AC感應電機的動態模型)的知識,通過高級算法來計算。然而從實現的角度看,對於計算資源的需求是至關重要的。

可以采用不同的方式來實現矢量控製算法。前饋技術、模型估算和自適應控製技術都可用於增強響應和穩定性。

 

AC電機的矢量控製:深入了解

圖4:三相轉子電流與轉動參考係的關係

Park轉換:Park數學轉換將雙向靜態係統轉換成轉動係統矢量

兩相α,β幀表示通過Clarke轉換進行計算,然後輸入到矢量轉動模塊,它在這裏轉動角θ,以符合附著於轉子能量的d,q幀。根據上述公式,實現了角度θ的轉換。

AC電機的磁場定向矢量控製的基本結構:

圖2顯示了AC電機磁場定向矢量控製的基本結構。

Clarke變換采用三相電流IAIBIC,來計算兩相正交定子軸的電流IαIβ。這兩個在固定座標定子相中的電流被變換成IsdIsq,成為Park變換d, q中的元素。其通過電機通量模型來計算的電流IsdIsq以及瞬時流量角θ被用來計算交流感應電機的電動扭矩。

圖2:矢量控製交流電機的基本原理

這些導出值與參考值相互比較,並由PI控製器更新。

表1:電動機標量控製和矢量控製的比較:

基於矢量的電機控製的一個固有優勢是,可以采用同一原理,選擇適合的數學模型去分別控製各種類型的AC,PM-AC或者BLDC電機。

BLDC電機的矢量控製
BLDC電機是磁場定向矢量控製的主要選擇。采用了FOC的無刷電機可以獲得更高的效率,最高效率可以達到95%,並且對電機在高速時也十分有效率。

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