利用磁場定向控制算法平滑電動汽車動力系統性能
2024-8-22 13:40:28??????點擊：
高性能電機需要一種控制機制，以確保更高的平穩性、可靠性和效率。這種應用最恰當的例子之一是電動汽車 (EV) 動力系統中使用的電機，該電機可以通過基于磁場定向控制 (FOC) 的系統進行控制。
為了使電動汽車動力系統平穩運行，控制方案應使電機能夠在很寬的速度范圍內運行，并在最低速度下產生最大扭矩。從技術上講，電機控制必須基于扭矩和磁通量，因此我們能夠通過控制電流來精確控制扭矩。
旋轉電機轉子的基本原理是在定子中產生磁場。這是通過用交流電激勵定子線圈來實現的。電機平穩運行的秘訣在于了解轉子的位置，即轉子磁通軸與定子磁軸之間的角度。一旦知道這個值，定子電流就會與轉子的扭矩軸對齊。為了實現峰值效率，定子磁通量必須垂直于轉子磁通量。
基于 FOC 的電機控制
讓我們了解每個軟件和硬件組件：
1. 三相逆變器：三相 AC/DC 逆變器為 PMSM/BLDC 電機提供三相電壓以進行驅動。它從空間矢量調制 (SVM) 模塊獲取脈沖寬度調制 (PWM) 信號。
2. QEP 接口：它與編碼器接口以獲取轉子的機械位置并將其傳遞給其他塊。
3. 速度/位置估計塊：顧名思義，獲取轉子位置和速度的計算在此塊中執行。
4. PID 控制：比例積分微分 (PID) 是一種控制回路，它依賴于電機以扭矩形式提供的反饋。通過計算所需扭矩與從 Park 變換塊接收到的扭矩之間的差異，它進行校正。
5. Clarke 變換：Clarke 變換塊使用 Clarke 變換公式將定子電流 (ia, ib) 轉換為磁通和轉矩 (dq) 坐標系。三相系統的靜止參考系轉換為靜止參考系中的二象限系統。
6. Park 變換和逆 Park 變換：該模塊將靜止參考系轉換為具有正交軸的兩相系統的旋轉參考系。正交分量為 dq，分別為電機直軸和交軸。當定子輸出電壓必須轉換回靜止參考系(定子參考)時，逆 Park 變換模塊就會出現。
7. 空間矢量調制：這是一種確定要施加到電機的 PWM 信號的技術。SVM 將定子電壓矢量作為輸入并產生三相輸出電壓作為輸出。
接下來，我們將探討如何使用這些組件來使用 FOC 算法驅動電機。
FOC 工作流程視圖
對于要控制的三相電動機，我們必須通過讀取相電流 Ia、Ib、Ic 為電動機提供適當的電壓。如果不控制它們，就不可能創建與轉子磁通矢量成 90 度角的定子磁通矢量。
FOC 是一種數學密集型算法，可幫助您輕松實現這一目標，盡管開發 FOC 相當復雜。FOC 算法能夠通過將三相正弦電流參考系分解為磁通和轉矩 (dq) 參考系來簡化三相正弦電流參考系的控制。這兩個組件可以單獨控制。
霍爾編碼器由它確定轉子的位置并將其傳遞到速度/位置塊。該值也被饋送到 Park 和 Park 逆變換塊。同時，來自電機的相電流 (ia, ib) 被饋送到 Clarke 變換塊。來自電機的相電流通過 Clarke 變換轉換為兩個正交電流 (iα, iβ)。新轉換的相電流現在分別表示為產生扭矩和產生磁通的電流。雖然我們已成功將相電流分解為磁通和扭矩分量，但它們仍然是正弦波，這使得控制變得困難，因為它們會不斷變化。
FOC 算法的下一個任務是消除正弦波，這需要一個重要的輸入——轉子位置。我們在圖中看到，這個值也被輸入到 Park 變換塊中。在這個塊中，訣竅是從靜止參考系(從定子的角度來看)移動到旋轉參考系(從轉子的角度來看)。簡單地說，Park 變換塊將兩個交流電流(iα、iβ)轉換為直流電流。這使得 PID 塊可以很容易地按照自己想要的方式進行控制。
現在讓我們將 PID 塊引入到圖中。FOC 塊對 PID 塊的輸入是 Iq 和 Id、扭矩和磁通分量。在電動汽車的背景下，當駕駛員操作油門時，PID 塊將接收速度參考。PID 塊現在比較這兩個值并計算誤差。這個誤差是 PID 塊必須旋轉電機的值。PID 塊給出的輸出是 Vq 和 Vd。該輸出到達逆克拉克和帕克變換，其中發生與克拉克和帕克變換完全相反的情況。逆帕克變換塊將旋轉參考系轉換為靜止參考系，以便電機的相位可以換向。
在基于 FOC 算法的電機控制的最后一步中，空間矢量調制 (SVM) 的作用非常重要。SVM 的作用是生成饋入逆變器的 PWM 信號，而逆變器又生成驅動電機的三相電壓。在某種程度上，SVM 也起到了逆 Clarke 變換的作用。
三相逆變器有六個晶體管，它們將輸出電壓傳送給電機。這些輸出基本上有兩種狀態，要么頂部晶體管關閉，底部晶體管打開，要么反之亦然。有了兩個狀態和三個輸出，就可以計算出總共八個狀態 (2 3 )。當您在六邊形星形圖上繪制這八個狀態(也稱為基向量)時，您會發現每個相鄰向量的相位差為 60 度。SVM 會找到產生輸出電壓 (V out )的平均向量。
事實上的電動汽車電機控制
FOC 作為一種電機控制方案對于電動汽車設計來說是必不可少的。由于電動汽車需要無噪音和平穩的電機運行，因此 FOC 脫穎而出，成為理想的選擇。許多 OEM 和控制系統開發人員經常調整標準 FOC 算法以適應其電動汽車項目的獨特要求，但核心概念保持不變。
汽車級 MCU 的進步，例如 Microchip 的 PIC18Fxx39 系列微控制器或TI 的C2000實時微控制器，能夠加快電動汽車電機控制系統 FOC 算法的開發。
為了使電動汽車動力系統平穩運行，控制方案應使電機能夠在很寬的速度范圍內運行，并在最低速度下產生最大扭矩。從技術上講，電機控制必須基于扭矩和磁通量，因此我們能夠通過控制電流來精確控制扭矩。
旋轉電機轉子的基本原理是在定子中產生磁場。這是通過用交流電激勵定子線圈來實現的。電機平穩運行的秘訣在于了解轉子的位置，即轉子磁通軸與定子磁軸之間的角度。一旦知道這個值，定子電流就會與轉子的扭矩軸對齊。為了實現峰值效率，定子磁通量必須垂直于轉子磁通量。
基于 FOC 的電機控制
讓我們了解每個軟件和硬件組件：
1. 三相逆變器：三相 AC/DC 逆變器為 PMSM/BLDC 電機提供三相電壓以進行驅動。它從空間矢量調制 (SVM) 模塊獲取脈沖寬度調制 (PWM) 信號。
2. QEP 接口：它與編碼器接口以獲取轉子的機械位置并將其傳遞給其他塊。
3. 速度/位置估計塊：顧名思義，獲取轉子位置和速度的計算在此塊中執行。
4. PID 控制：比例積分微分 (PID) 是一種控制回路，它依賴于電機以扭矩形式提供的反饋。通過計算所需扭矩與從 Park 變換塊接收到的扭矩之間的差異，它進行校正。
5. Clarke 變換：Clarke 變換塊使用 Clarke 變換公式將定子電流 (ia, ib) 轉換為磁通和轉矩 (dq) 坐標系。三相系統的靜止參考系轉換為靜止參考系中的二象限系統。
6. Park 變換和逆 Park 變換：該模塊將靜止參考系轉換為具有正交軸的兩相系統的旋轉參考系。正交分量為 dq，分別為電機直軸和交軸。當定子輸出電壓必須轉換回靜止參考系(定子參考)時，逆 Park 變換模塊就會出現。
7. 空間矢量調制：這是一種確定要施加到電機的 PWM 信號的技術。SVM 將定子電壓矢量作為輸入并產生三相輸出電壓作為輸出。
接下來，我們將探討如何使用這些組件來使用 FOC 算法驅動電機。
FOC 工作流程視圖
對于要控制的三相電動機，我們必須通過讀取相電流 Ia、Ib、Ic 為電動機提供適當的電壓。如果不控制它們，就不可能創建與轉子磁通矢量成 90 度角的定子磁通矢量。
FOC 是一種數學密集型算法，可幫助您輕松實現這一目標，盡管開發 FOC 相當復雜。FOC 算法能夠通過將三相正弦電流參考系分解為磁通和轉矩 (dq) 參考系來簡化三相正弦電流參考系的控制。這兩個組件可以單獨控制。
霍爾編碼器由它確定轉子的位置并將其傳遞到速度/位置塊。該值也被饋送到 Park 和 Park 逆變換塊。同時，來自電機的相電流 (ia, ib) 被饋送到 Clarke 變換塊。來自電機的相電流通過 Clarke 變換轉換為兩個正交電流 (iα, iβ)。新轉換的相電流現在分別表示為產生扭矩和產生磁通的電流。雖然我們已成功將相電流分解為磁通和扭矩分量，但它們仍然是正弦波，這使得控制變得困難，因為它們會不斷變化。
FOC 算法的下一個任務是消除正弦波，這需要一個重要的輸入——轉子位置。我們在圖中看到，這個值也被輸入到 Park 變換塊中。在這個塊中，訣竅是從靜止參考系(從定子的角度來看)移動到旋轉參考系(從轉子的角度來看)。簡單地說，Park 變換塊將兩個交流電流(iα、iβ)轉換為直流電流。這使得 PID 塊可以很容易地按照自己想要的方式進行控制。
現在讓我們將 PID 塊引入到圖中。FOC 塊對 PID 塊的輸入是 Iq 和 Id、扭矩和磁通分量。在電動汽車的背景下，當駕駛員操作油門時，PID 塊將接收速度參考。PID 塊現在比較這兩個值并計算誤差。這個誤差是 PID 塊必須旋轉電機的值。PID 塊給出的輸出是 Vq 和 Vd。該輸出到達逆克拉克和帕克變換，其中發生與克拉克和帕克變換完全相反的情況。逆帕克變換塊將旋轉參考系轉換為靜止參考系，以便電機的相位可以換向。
在基于 FOC 算法的電機控制的最后一步中，空間矢量調制 (SVM) 的作用非常重要。SVM 的作用是生成饋入逆變器的 PWM 信號，而逆變器又生成驅動電機的三相電壓。在某種程度上，SVM 也起到了逆 Clarke 變換的作用。
三相逆變器有六個晶體管，它們將輸出電壓傳送給電機。這些輸出基本上有兩種狀態，要么頂部晶體管關閉，底部晶體管打開，要么反之亦然。有了兩個狀態和三個輸出，就可以計算出總共八個狀態 (2 3 )。當您在六邊形星形圖上繪制這八個狀態(也稱為基向量)時，您會發現每個相鄰向量的相位差為 60 度。SVM 會找到產生輸出電壓 (V out )的平均向量。
事實上的電動汽車電機控制
FOC 作為一種電機控制方案對于電動汽車設計來說是必不可少的。由于電動汽車需要無噪音和平穩的電機運行，因此 FOC 脫穎而出，成為理想的選擇。許多 OEM 和控制系統開發人員經常調整標準 FOC 算法以適應其電動汽車項目的獨特要求，但核心概念保持不變。
汽車級 MCU 的進步，例如 Microchip 的 PIC18Fxx39 系列微控制器或TI 的C2000實時微控制器，能夠加快電動汽車電機控制系統 FOC 算法的開發。
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