感应电动机的磁场定向控制

　　电机控制难点：在很宽的速度变化范围内控制安全有效、动态下控制转矩、无传感器控制、快速瞬时响应、硬件和实时条件限制
　　例子展示了感应电动机的磁场定向控制。使用matlab Simulink Simscape Electrical建立一个包括鼠笼式异步电机、电源逆变器、电压源、电源变压器和整流器的模型。如何更改模型中各个模块的参数，包括电机参数、逆变器中的开关设备和变压器参数，以便为您的应用定制模型。演示了如何从模型中测量相电流和相电压。它还展示了如何对电机轴上的机械负载进行建模。讨论了如何正确选择仿真求解器，以达到仿真速度和精度的平衡。解释了如何对磁场定向控制器的各种组件进行建模。其中包括内部电流环和外部速度和磁通回路的比例积分（PI）控制器、Park和Clarke变换、空间矢量PWM发生器以及估计转子位置和速度的观测器。
　　在感应电动机中，定子绕组中的三相电流产生磁场，磁场以同步速度旋转，导致转子以稍慢的速度移动。
　　这种速度差称为滑差，是产生转矩所必需的。
　　在磁场定向控制中，电机转矩和转子磁链是独立控制的。
　　为此，首先在同步旋转的坐标系上用Clark&Park变换将三个正弦波定子电流转化为2个直流分量。
　　新机架上的d轴电流允许控制转子磁通，并提供一种调整电机效率和功率因数的方法。
　　q轴电流与d轴正交，允许控制电机转矩。
　　例如，如果你驾驶的是一辆电动汽车，在那里电机是通过磁场定向控制来控制的，当你踩下加速踏板来加速时，你正在控制更多的扭矩，这些扭矩转化成更多的q轴电流。
　　或者，您可以使用车辆的巡航控制系统通过外环速度控制器获得扭矩请求。
　　磁场定向控制（FOC）是一种用于控制各种电机类型的技术，包括永磁同步电机（PMSM）。FOC利用Clarke和Park变换将三相正弦电流转换为直流和正交电流。你将学习如何控制直流和正交电流，使定子磁场矢量与转子磁场矢量正交，从而使产生的转矩最大化。
　　正文：
　　在这段视频中，我们将讨论面向领域的控制，也就是FOC。我们将讨论为什么我们使用FOC和Clarke和Park变换，这些转换是实现FOC算法所必需的。
　　在前面的视频中，我们讨论了无刷直流电动机是如何工作的，以及如何使用六步换向或梯形控制来旋转它们。这种控制的一个缺点是我们在电机的速度和转矩响应中观察到的波纹。这里，青色和洋红矢量向我们展示了无刷直流电动机六步换向过程中转子和定子磁场的大小和方向如何变化。我们清楚地看到，定子和转子磁场之间的角度在60到120度之间波动。这就是速度和转矩波动的原因。它还防止我们获得最大扭矩，当磁场在90度对齐时发生。
　　克服了永磁同步电动机六步换向的磁场定向控制的缺点。下面是另一个动画，它显示了当我们在永磁同步电机上实现磁场定向控制时产生的转子和定子磁场。你会看到定子磁场方向总是与转子磁场保持正交的。磁场定向控制大大减小了系统响应的脉动，使电机运行更加平稳。它还允许电机以高于标称转速的速度运行，使用一种称为磁场弱化的技术。这里需要注意的一点是，您可以获得这些好处，而不是实现比六步换向更复杂的控制算法。因为现在你不是直流电流，而是处理交流信号来控制电机。
　　接下来，我们将讨论FOC算法是如何工作的。假设我们想用FOC控制PMSM电机。我们的目标是产生扭矩，并最大化这个扭矩，以提高电机性能。我们知道，当转子和定子磁场完全对准时，不会产生转矩。随着它们之间的角度的增加，我们开始产生一些扭矩，在90度时，我们得到最大扭矩。那么，我们如何始终保持这些场90度？我们首先需要知道或测量转子的位置。根据测量的转子位置，确定了需要与转子磁场正交的定子磁场矢量的期望方向。算法的其余部分是通过这样的方式来操纵三相电流，从而产生所需的定子场矢量。
　　我们将使用此动画来了解如何使定子磁场矢量与转子磁场正交。这里的洋红色矢量显示了定子磁场的矢量空间表示。灰色矢量是我们的参考，指向与转子磁场相同的方向。我们希望洋红色的矢量引导参考90度。目前，洋红矢量比我们的参考值提前45度。领先45度。我们在左边的旋转框上看到这个。这是时间序列图上相线的样子。这些周期波形之间的相位差相当于45度。现在，这个洋红色的定子磁场矢量有助于产生转矩，但是由于它没有与参考矢量或转子磁场成90度角，所以我们产生的转矩比实际可能要小。这里有一个诀窍，使这些向量正交排列。我们沿着这两个轴把洋红矢量分成它的分量。沿参考矢量或转子磁场的轴称为直轴，通常用字母d表示。与直轴成90度角的另一个轴称为正交轴，用字母q表示。以下是如何将洋红矢量分解为其直轴和正交轴分量。一旦我们有了这些组件，剩下的算法就很简单了。我们只需强制直轴分量为零，同时允许正交轴分量增长。一旦直接分量完全减小，我们的定子磁场矢量与参考矢量正好成90度角。在右边，我们可以看到时域中的情况。接下来，我们来看看这个动画，了解三相电流是如何变化的，以保持定子磁场与转子磁场正交。我们在这里暂停一下，讨论不同颜色的向量代表什么。红色、绿色和蓝色矢量表示A、B和C相电流。这些矢量之和给出了以洋红色表示的定子磁场矢量。在前面的例子中，灰色矢量是我们的参考，它与转子磁场矢量的方向相同。我们希望定子磁场矢量引导参考方向90度。为了使这成为可能，正如我们前面所讨论的，我们将定子磁场矢量分解为它的直轴分量和交轴分量，并迫使直接分量为零。当我们这样做时，我们会看到黄色的正交分量是如何开始增长的。我们在右边的时间序列图上也观察到了这一点。当它与参考完全正交时，我们得到定子和转子磁场之间的90度。在这张图上，我们可以看到由120度分开的正弦三相电流。
　　总之，我们展示了如何将电流矢量分解为其直轴分量和交轴分量。从数学上讲，这个过程被称为克拉克和帕克变换。克拉克和帕克变换的数学方程不在本视频的范围之内，但这里是一个高层次的概述。在磁场定向控制中，我们感兴趣的是控制三相电流来控制电机的转速和转矩。我们不需要处理三相电流，而是通过Clarke和Park变换将其转换为直流和正交电流。为什么？因为在FOC中，我们处理的是正弦波形的交流电流，我们很难通过PID控制器来控制这些交流信号。当我们使用Clarke和Park变换时，这些变换将静止定子坐标系转换为旋转坐标系。换句话说，我们不再需要处理交流电流，只需要处理直流信号，即直流和正交电流。我们知道的是，正交电流Iq有助于产生转矩，而直流Id不产生任何转矩。所以，为了得到最大扭矩，我们可以使用两个PI控制器：一个是零Id，另一个是最大化Iq。让我们试着在图表上显示这些电流控制回路。我们首先测量三相电流，然后应用Clarke和Park变换将三相电流转换为Iq和Id电流。接下来，我们将这些测量到的电流与所需的参考值进行比较，并将它们馈送给PI控制器，然后由PI控制器输出电压vq和vd。请注意，这些电压在旋转框架中表示，在我们将其发送到电机之前，需要将其转换为三相电压。这意味着我们需要做反变换来找到三相电压。
　　让我们总结一下我们讨论的内容。采用磁场定向控制，可以产生与转子磁场正交的定子磁场。这样，我们可以最大限度地提高产生的转矩，也可以减少电动机转矩和转速响应中出现的波动。FOC利用Clarke变换和Park变换将三相交流电流转换为两个直流电流，再由两个PI控制回路分别控制。
　　有关Clarke和Park变换以及FOC算法的更多信息，请不要忘记查看这些页面。你可以找到这个视频下面的链接。下一次，我们将讨论空间矢量脉冲宽度调制。