永磁同步电机力矩控制(二):FOC与DTC

  • 2022/1/25 23:52:00

技术干货来源于:ind4.net上篇回顾:永磁同步电机力矩控制(一):什么是力矩控制?

目前电机扭矩控制的两个主要流派是磁场定向控制FOC直接转矩控制DTC,当然这两种控制的算法从原理上说对所有的交流电机都适用,本文只是讲讲他们用于永磁同步电机控制的异同。

FOC:

FOC控制理论最初是由西门子的工程师在20世纪70年代提出的。正如我们上面提到的,定子产生的磁场可以虚拟成绕转子高速旋转磁铁。定子磁势可分解为d轴磁势和q轴磁势,d轴磁势与转子磁势同轴不能产生切向扭矩,但会影响永磁同步电机转子永磁体产生的磁场;q轴与转子磁位相差90度,产生切向力矩(类似于两个垂直条形磁铁产生的相互作用力)。

FOC控制的基本思路是静止三相ABC将坐标系下的相关变量转换为旋转坐标系(d,q)数学运算,controller改变d轴和q控制轴的电压d轴和q轴电流的目的。然而,最终给电机三相的只能是静态坐标系下的电压,因此需要在控制算法中重新控制dq轴的电压转换成ABC三相电压给驱动桥。也就是说,从物理模型中有一个à数学模型à控制算法à物理模型的过程。

要实现FOC,以下输入必不可少:

1.电机三相电流(可使用上图所示的两个电流传感器或低边或高边的母线电流传感器,通过分时采样电流重构恢复三相电流)

2.电机的位置信号是必不可少的

以下控制模块至关重要:

1.Clark-Park变换

2.d轴和q轴的PI调节

3.反Clark-Park变换

4.SPWM/SVPWM(当然是用SVPWM)

DTC:

DTC的出现比FOC上世纪80年代中期,德国学者晚了十多年Depenbrock教授提出。其基本思路是不再将定子侧的相关变量转换为转子的旋转坐标系,放弃矢量控制中电流解耦的控制思路 PI调整模块,反向Clark-Park变换和SVPWM模块 ,通过检测母线电压和定子电流 ,直接计算电机的磁链和并使用两个滞环比较器直接实现定子磁链和转矩的解耦控制。

从上框图可以看出,控制算法首先根据电机的线电流和相电压获得静态两相坐标轴下的电压和电流 Uα 、Uβ、 Iα、 Iβ。然后根据这四个量估计定子的磁通量和扭矩。如何估计?可使用以下两个公式(无电机角度信号):

同时,根据电机定子的电压和电流来估计当前转子的位置。

当然,如果担心软件中积分运算的累积误差或转子磁通

值不准确,或功率角

如果值不准确,也可以在系统中添加角度传感器,将相关参数放在旋转坐标中dq系好轴坐标后计算。

计算定子磁通量和扭矩值后,比较参考值并通过滞后比较器获得两个非零即1状态量,表示当前磁和力与参考值的关系如下。

Tsw

Ψsw

1

欠力

欠磁

0

过力

过磁

1.对于当前的扭矩和磁场,不考虑磁场和扭矩输出与参考值的差异,只考虑它们是欠还是过

2.在控制策略中,在每个运行周期中给出准确的电压矢量而不是每个运行周期V1-V其中一个(所以没有占空比的概念)

下一个问题是如何选择V1还是V还是先回来D-Q轴坐标系的这张图(虽然在控制算法中不会使用),如果施加的电压向量和d轴在正负90度以内会增加磁通;施加的电压向量和q轴在正负90度内会增加扭矩。

它的关系可以用以下四个极坐标系象限来表示:

然后,根据当前的转子位置值,我们可以根据以下开关表给出电机驱动桥的:

以第一扇区电机为例,结合以上两张图,

1.如果电机欠磁欠力(1 1),给定U2.给定电压和电机当前位置的电压夹角介于[0° 60°]之间,实现增磁增力;

2.若电机欠磁过力(1 0),给定U6.给定电压与电机当前位置的电压夹角介于[-60° 0°]之间,实现增磁增力

3.若电机过磁欠力(0 1),给定U3.给定电压和电机当前位置的夹角介于[60° 120°]之间,电机会增强,但磁性状态不单调,但随着多个循环的调整,磁性最终可以与给定的平衡(这是不可能的,六个电压矢量将空间分为六个范围;增减关系为四个范围,必须重叠)

4.若电机过磁过力(0 0),给定U5.给定电压和电机当前位置的夹角介于[180° 240°]之间,电机减磁减力

最终形成的定子磁链如下图所示:

综上所述,两种控制算法可以结如下:

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