永磁同步电机力矩控制——FOC与DTC力矩控制的异同点!

  • 2022/3/1 11:33:00

电机的力矩控制当前存在的两个主要流派是磁场定向控制FOC和直接转矩控制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控制理论最初于上世纪70年代由西门子的工程师提出。在上文中我们提到过可以把定子所产生的磁场虚拟成一个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,不能产生切向的力矩,但会影响永磁同步电机转子永磁体所产生的磁场;q轴与转子磁势相差90度,因而产生切向的力矩(类似两根垂直的条形磁铁所产生的相互作用力)。

FOC的控制的基本思路就是将三相静止ABC坐标系下的相关变量转换到旋转坐标系下(d,q)进行数学运算,controller改变d轴和q轴的电压达到控制d轴和q轴电流的目的。然而最终给电机三相的只能是静止坐标系下的电压,因此在控制算法中需要再次把dq轴的电压转换成ABC三相电压给驱动桥。即存在一个从物理模型à数学模型à控制算法à物理模型的过程。

要实现FOC,下列输入必不可少:

1.电机三相电流(可采用如上图所示的的两个电流传感器,也可以采用一个低边或高边的母线电流传感器,用分时采样电流重构的方法还原出三相电流)

2.电机的位置信号缺一不可

DTC:

DTC的出现比FOC晚了十多年,是上世纪80年代中期由德国学者Depenbrock教授提出。其基本思路是不再将定子侧的相关变量折算到转子的旋转坐标系下,放弃了矢量控制中电流解耦的控制思想 ,去掉了PI调节模块、反Clark-Park变换和SVPWM模块 ,转而通过检测母线电压和定子电流 ,直接计算出电机的磁链和转矩 ,并利用两个滞环比较器直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制。

从上框图我们可看到,控制算法首先根据电机的线电流和相电压,得到在静止两相坐标轴下的电压和电流 Uα 、Uβ、 Iα、 Iβ。然后根据这四个量,对定子的磁通和力矩进行估计,怎么个估计法呢?可以用如下两个公式(不需要电机角度信号):

同时,还要根据电机定子的电压和电流来估算当前转子的位置所在的区间。

当然如果担心软件中积分运算有累计误差导致不准确,或者转子磁通的值不准确,或者率角的值不准确,也可以在系统中加入角度传感器,将相关参数都放到旋转坐标dq轴坐标系下后去计算。

计算得到定子磁通和扭矩值以后,与其参考值做比较并经过滞缓比较器以后,得到两个非零即1的状态量,表征当前磁和力与参考值的关系其关系如下。

接下来的问题是怎样选择V1还是V6呢?还是先回到D-Q轴坐标系的这张图(虽然在控制中算法中不会用到),稍作思考即可想明白如果施加的电压向量与d轴在正负90度之内就会导致磁通增加;施加的电压向量与q轴在正负90度之内就会导致扭矩增加。

可以用下面极坐标系的四个象限来表示其关系:

那么,我们就可以根据当前转子位置值,按以下开关表给电机驱动桥指令:

结合以上两图,以电机在第一扇区为例,

其余区间类推,最终形成的定子磁链如下图所示:

综上,可对两种控制算法小结如下:

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