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電磁學的實驗始于19世紀早期,由像邁克爾法拉第這樣的科學家領導。第一臺實用電動機是1834年由托馬斯·達文波特發明的。這種直流電動機利用固定的電磁鐵作為定子,形成一個固定的磁場。轉子,電動機的運動部件,也是由電流驅動的電磁鐵,通過換向器和刷轉移。雖然自達文波特時代以來,刷式直流電動機的基本工作原理基本保持不變,但在技術、材料和設計方面取得了巨大進展,從而提高了效率、可靠性和更廣泛的應用。

有一個傳說,1882年,尼古拉特斯拉在布達佩斯(今天是匈牙利的首都,但后來是匈牙利王國)的一個城市公園里散步,與朋友交談。突然間,他受到啟發,背誦歌德的《浮士德》中的臺詞。當他看著日落時,他看到了一個旋轉磁場,構思出了異步電動機的原理,他很快在塵土彌漫的小路上畫出了這個原理。

異步電動機的移動部件較少,不需要刷,而刷是當時直流電動機不可分割的一部分。這使得它們更健壯,更不容易發生故障,并且需要更少的維護。這些電動機在較高的速度下效率更高,由于它們使用交流電(AC),它們自然地與交流電系統保持一致,由于尼古拉·特斯拉的緣故,交流電系統由于能夠在最小的損耗下長距離傳輸電能,因而也變得占主導地位。如今,異步電動機仍然是業界最常用的電動機。

除了這些優點之外,異步電動機還有一些沒有直流電動機的缺點。直流電動機有能力在啟動時立即產生高扭矩,這對需要強啟動扭矩的應用是有用的。與異步交流電動機相比,刷型直流電動機具有相對線性的特性,能夠快速響應控制信號的變化,使其適合于需要快速響應的應用。

公共汽車公司簡介:現代汽車技術奇跡
一種新型電動機結合了異步交流電動機和灌木型直流電動機的許多優點,即"永磁同步電動機"。PMSM是一種先進的三相電動機,在轉子內安裝了堅固的永久磁鐵。當電流通過電動機的定子(電動機的固定部分)時,就會產生一個電磁場,它與轉子的永磁磁場相互作用,導致轉子轉動。轉子的轉速與電源的頻率同步,因此被稱為"同步"電動機。這種獨特的結構使得功率密度比其他可用的電動機類型明顯增加。盡管PMSM發動機的基本概念和理論早已為人所知,隨著尖端電子和控制技術的發展,它們的廣泛使用和商業化始于20世紀末和21世紀初。從工業驅動到汽車,PMSM電動機在各種應用中都很受歡迎。許多現代電動汽車使用PMSM電動機是因為它們的效率、功率密度和廣泛的運行速度。

另一種需要考慮的類型是BDH,它代表無刷直流電動機。顧名思義,這些電動機沒有刷。雖然他們與pms有相似之處,因為兩者都使用永久磁鐵,但他們的操作不同。PMS在正弦電流上工作,通常需要更復雜的控制策略。另一方面,BDH電動機工作的步進(梯形)電壓更大,并使用哈爾傳感器或其他方法跟蹤轉子的位置。

還有各種其他類型的電動機,包括步進電機和開關磁阻電機等。然而,本文將主要側重于對PMSM的控制。

汽車控制結合了各種工程學科,這使它特別引人入勝。這些學科包括電力電子學、模擬電子學、數字電子學、控制理論、數字信號處理和嵌入式軟件工程。此外,機械和熱工程在設計和優化過程中起著至關重要的作用.

現場電動機控制:彌合直流和PMS電動機之間的差距

深入分析直流電動機的電分析,突出表明了獨立控制定子和轉子勵磁的能力。這種獨立的控制機制保證了轉矩的產生和磁通量的明顯調整.

當pms基于不同的基本原理運行時,它們與直流電動機有一個重要的特性:只有定子電流受控制。在PMS中,磁通量和轉矩之間的相互依賴性來自于永磁對轉子勵磁的利用。
直接軸和正交軸電流組件

FOC,又稱矢量控制,是一種復雜的控制方法,旨在復制直流電動機對轉矩和通量的獨特控制。這需要轉子和定子磁場之間的正交性。

使用數學變換,特別是公園和克拉克的數學變換,FOC成功地將轉矩與通量脫鉤。要想有效地實現FOC,就必須明白,精確的轉子定位和對定子繞組電流的熟練控制是不可商量的。

FOC中使用的數學變換

通過將三相ABC參考框架轉換為DQ協調系統,FAC在電動機控制方面提供了一個重大飛躍。這種變換為兩個軸上幾乎均勻的磁場鋪平了道路。結果是什么?一種系統,可以促進在兩個DQ方向的電流的獨立控制,類似于保持速度的電機,與定子繞組引起的磁場同步。

三相電動機固有的冗余意味著其相(A,B,C)之間的電流是相互依存的。這種相互依存關系確保了從兩個階段獲得價值的過程中立即發現第三個階段,從而減少了對第三維度的需求。從 廣播公司 到 數據量坐標響應數學坐標的變化,類似于從笛卡爾坐標向極坐標的過渡。這一變化使我們的視角與轉子的磁場相一致,為控制器提供了一個簡單的、準平穩的表示。尺寸縮減的控制優勢不僅僅是數學上的優雅,還在于控制的容易性。通過將尺寸從3縮小到2,電動機控制器可以單獨管理扭矩和通量組件,使整體控制更加直觀和有效。

控制器

電機控制器除了具有控制轉矩的能力外,還具有控制轉速甚至轉子位置的能力。位置控制與軌跡生成技術和其他相關方法密切相關。然而,在這方面,我們的主要重點將是控制電動機的速度和扭矩。

由于PMSM的電壓、電流、磁場和機械動力學之間的內在關系,它通常被描述為一個非線性系統。在分析某一特定操作點或平衡點的PMSM時,可以將其近似為線性系統,并可以成功地應用于控制技術,如530控制器。

為了調節電動機的速度,可以采用傳統的級聯方法,采用兩個PI控制器。
控制器

速度控制器(外環) 控制電動機的速度,與內循環相比,運行更慢。當一個目標值,例如一個特定的電機速度,被設置為這個循環,它的輸出級聯下降,成為內環的參考,表示所需的扭矩。這種分層結構確保系統反應更快,并加強其對抗干擾的能力。

電動機控制的速度控制器也可以使用復雜的控制技術來制作.在傳統方法之外,模型預測控制、自適應控制、神經網絡、狀態空間控制和模糊控制系統等先進方法為設計和優化提供了創新途徑。與更復雜的控制技術相比,低計算開銷、簡單性、健壯性和直接性控制器的調整提供了顯著的優勢。一個精心調整的IP速度控制器,加上增益調度和其他補償,應該足以滿足大多數應用。

扭矩/電流控制器(內環) 及時采取行動抵消干擾,主要關注系統的可測量方面,如轉矩或電流。考慮到轉矩與電流密切相關,這個循環的主要目標是在不過度的情況下進行快速調整。主計長采取了系統的做法。首先,它測量電機電流、直流電壓和轉子角。利用帕克克拉克變換,然后將三相電流轉換成一個旋轉的DQ框架,產生兩個不同的數量。隨后,轉矩(與Q-電流成正比)被控制。

然后,控制器通過逆帕克克拉克變換從控制器輸出中確定定子電壓,并將這些電壓轉換成適合于三相壓波M逆變器的雙環電壓。

面向磁場轉矩控制器塊圖

上圖突出顯示了FOC轉矩控制器的基本部件。它的主要輸入來自于q-電流，它直接對應于電機產生的轉矩。與q電流外，與q電流正交的d電流在PMS電機的FOC中起著至關重要的作用。q電流與轉矩直接相關，而d電流負責控制電機中的磁通量。在正常工作條件下，PMSM的d電流被理想地設置為零。這是因為電機固有的磁場是從永磁體中獲得的，而任何由非零d電流引起的額外通量都會降低效率，而且通常是不必要的。保持d電流在零可以優化每安培的扭矩，確保電機有效運行，不會產生過多的熱量。然而，在像磁場減弱這樣的情況下，d電流從這個零值調整，以允許操作超過電機的基本速度。正確管理d流，保持在零，必要時調整，確保最佳電機效率，防止退磁雖然某些功能塊需要硬件實現,但控制器的核心邏輯主要是在單片機、DSP或FPGA中作為軟件執行的。該位置傳感器便于在全速度下,特別是在較低速度下,電動機的FOC操作。


電機控制器硬件
電動機控制器的主要HW部件


為了實現永磁同步電動機控制器,需要有下列基本硬件部件:

電力供應: 驅動電動機和控制電路的電力來源.它必須符合電動機的電壓和電流要求,并提供穩定的電壓和電流,沒有重大波動,以確保電動機運行一致。

在電動機控制器中,通信接口、反饋傳感器、控制邏輯、閘門驅動器和輔助系統可能需要電流隔離,以確保無噪音操作,防止電壓峰值,并在各個部件之間保持可靠的性能。需要注意的是,電隔離的需要取決于電動機控制器的具體應用、環境和設計考慮。

轉換器:從電源轉換成三相交流(AC)以驅動PMSM的直流設備。在一個三相逆變橋中,有六個開關三對排列。每對都處理三個階段中的一個。在每個階段,一個開關管理正的半周期,而另一個管理負的半周期。脈沖寬度調制信號控制這些開關.這些信號的調制方式決定了每一個相位交流輸出電壓的大小、頻率和波形。逆變器從兩個稱為直流鏈路的終端接收其直流電壓輸入.電容器通常包括在直流連接中,以穩定和濾波直流電壓.作為輸出,逆變器產生三種交流波形.這些波形典型地是正弦型的,它們之間有120度的相位。在許多逆變器設計中,每一個開關,無論是IGBT或MOSFET,都與反平行設置中的二極管配對。這種配置確保當開關關閉時,相應的二極管為電流提供了一條通道,防止潛在的危害。這種裝置也有助于電感電流的再循環,這在運動操作中很常見。一種常見的電動機操作.一種常見的電動機操作.
逆變器三相MOSFET橋

電動機控制器中絕緣閘極晶體管與金屬氧半導體場效應晶體管之間的決定取決于與應用要求有關的各種因素和這些裝置的內在特性。 IGbts 通常是最好的高電壓應用,往往超過600伏和一個開關頻率低于20-30千赫茲的應用。IGBT對短路更堅固,提供更好的熱穩定性。 莫斯費茨 應用于中低功率的應用,需要高開關頻率和低電壓效率是一個問題。


門驅動器是逆變器的一個重要組件,它充當接口,將低壓控制信號轉換為高壓水平。它集成了脫飽和檢測和電壓不足鎖定等保護元件,確保了開關關閉與開關關閉之間設定的截止時間內的快速開關速度,以最大限度地減少損耗和電磁干擾,為安全和無噪音的操作提供了電流隔離,通過減少開關和傳導損失提高了逆變器的整體效率。閘門驅動器的非常重要的部件是閘門電阻,定位在一個IGBT或MOSFET的閘門上。它們對電力電子開關設備的操作和控制至關重要。它們有助于控制晶體管的開關速度,在可能會產生有害的超微波或電磁干擾的過快開關與可能增加損失的慢開關之間達成平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止潛在的損害。正確選擇閘門電阻值是至關重要的,因為它決定了開關設備的幾個性能和保護方面之間的平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止潛在的損害。正確選擇閘門電阻值是至關重要的,因為它決定了開關設備的幾個性能和保護方面之間的平衡。這些電阻器有助于阻尼振蕩觸發寄生電感和電容綁定到晶體管。通過限制電流流入閘門,閘門電阻提供有效保護的閘門氧化層,以防止潛在的損害。正確選擇閘門電阻值是至關重要的,因為它決定了開關設備的幾個性能和保護方面之間的平衡。


確保逆變器的最佳電氣和機械設計是至關重要的。在這方面,電力電子、建筑和熱設計方面的專業知識至關重要。


管制股:負責控制逆變器的信號處理和產生壓波調制(脈沖寬度調制)信號的核心部件通常是單片機、數字信號處理器或可編程門陣列。該單元還集成了內存、模擬接口和數字接口。此外,安全邏輯可以嵌入到這個中心單元中,以確保采取保護措施,防止故障和潛在的危險。選擇正確的單片機(單片機)或數字信號處理器(DSP)用于電機控制的應用,需要考慮幾個關鍵參數和特點,以確保最佳性能、可靠性和效率。需要考慮的主要因素是:處理能力、外圍設備和I/OS、存儲器、硬件聯鎖等安全特性,錯誤校正碼(ECC)存儲器、監視器、硬件故障和故障檢測和保護機制,如故障檢測和保護功能(通常被稱為"差幅"或"差幅點")、功率消耗、運行溫度范圍、開發生態系統和成本。一些應用程序可能會從具有FPGA功能的單片機中受益,從而實現自定義硬件邏輯。


反饋傳感器:


· 位置傳感器: 這些通常是編碼器或解析器跟蹤的位置的轉子。


此外,還有主要基于卡爾曼濾波器的無傳感器觀測技術,可以在沒有直接測量的情況下用來估計轉子的位置。然而,這些無傳感器的方法可能會有一些缺點,比如準確性降低,在某些情況下可能出現不穩定性,以及啟動或低速度時的挑戰。這些技術及其具體細節將不包括在本文中。


· 現有傳感器: 用于測量電動機的相位電流。在實踐中,IIA+Ib+IC等于零,但通常只需要兩個電流傳感器來進行精確的電流評估。


· 電壓傳感器: 用于測量驅動電動機(直流總線)的電源電壓。


· 溫度傳感器: 電機控制器中的溫度傳感器至關重要地監控和調節熱量,以確保電機保護,優化效率,延長電機壽命,為先進的控制算法提供反饋,并管理有源冷卻系統。


通信接口: 用于與外部設備或網絡的通信,如CAN、UART或以太網。


保護性部件: 包括繼電器、引信和保護二極管,以確保系統的安全運行,并防止過大電壓或電流。