使用弱磁技术实现交流感应电机(ACIM)的无传感器磁场定向控制(FOC)

2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第1页AN1206简介从消费应用到汽车应用领域，不同功率和体积的交流感应电机（ACinductionmotor，ACIM）都获得了广泛的应用。在众多可能的应用中，一些应用场合需要具备高速运行能力，而只需在低速时输出高转矩。属于消费应用的洗衣机和电力机车中的牵引应用是具有这一需求的两种应用场合。这些要求促使了一种被认为是“弱磁”的感应电机控制技术的产生。本应用笔记介绍了如何使用dsPIC®数字信号控制器（DigitalSignalController，DSC）对交流感应电机实现具有弱磁控制功能的无传感器磁场定向控制（FOC），从而实现扩展转速范围的高性能控制。本应用笔记是AN1162（交流感应电机（ACIM）的无传感器磁场定向控制（FOC），该应用笔记也包含了弱磁控制模块的设计细节）的扩展。本应用笔记在给出一些概念之前假定读者已阅读AN1162并熟悉其中的相关内容。控制策略无传感器磁场定向控制应用于ACIM的磁场定向控制原理是以实现励磁电流分量和转矩电流分量之间的解耦为基础。这种解耦使感应电机控制能像直流电机控制一样简单。磁场定向控制技术意味着需要实现从静止定子坐标系到旋转的转子坐标系之间的变换。这种变换使得定子电流分量之间的解耦成为可能，即可实现励磁电流分量和转矩电流分量之间的解耦。这种解耦策略是基于转子旋转坐标系下的感应电机数学方程。在将静止定子坐标系变换到转子旋转坐标系时，需要确定转子磁通的位置。转子位置可通过直接测量或使用其他可测参数(如相电流和相电压)来估计。术语“无传感器”控制表示省却了转速测量传感器。图1给出了磁场定向控制的控制框图，并对各组成部分进行了介绍。特别需要指出，弱磁模块需要使用电机机械转速作为输入，其输出将产生与励磁电流分量相对应的d轴电流。有关交流感应电机磁场定向控制方面的其他信息，可参阅AN1162（参见“参考文献”）。第一作者：MihaiChelesMicrochipTechnologyInc.第二作者：Dr.-Ing.HafedhSammoudAPPCONTechnologiesSUARL使用弱磁技术实现交流感应电机（ACIM）的无传感器磁场定向控制（FOC）AN1206DS01206A_CN第2页2008MicrochipTechnologyInc.图1：ACIM的无传感器FOC控制系统框图硬件部分1.交流感应电机。2.三相桥——整流器、逆变器、信号采集和保护电路。软件部分（在dsPIC®DSC器件上运行）3.Clarke变换模块。4.Park变换和逆变换模块。5.角度和速度估计模块。6.比例积分控制器模块。7.弱磁控制模块。8.空间矢量调制模块。d,q三相桥ACIMA,Bd,q估计器ωrefIdrefPIPIPI弱磁控制VqVdVαVβSVM角度估计速度估计软件硬件---ρestimωmechΙβVβVα+++IqId12345678Iqrefα,βΙαα,βα,βΙAΙBΙCΙαΙβ2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第3页AN1206弱磁控制弱磁控制指的是使电机转速能够高于恒转矩区域所能实现昀高转速的控制策略。交流感应电机磁场定向控制的恒转矩区域与恒功率区域（即弱磁）的区别在于，能够提供给电机的昀大电压不同。在恒功率区域，大多数情况下昀大电压是逆变器输出的特征参数。在弱磁运行区域限制以下的整个转速范围，电机的昀大输出转矩是恒定的，但是一旦转速超过这一限定值，昀大转矩值将减小，如图2所示。图2：感应电机的（理论）特性恒功率区域——弱磁恒转矩区域电压（V）转矩(T)相电流(I)转矩、电压和电流速度（频率）0AN1206DS01206A_CN第4页2008MicrochipTechnologyInc.感应电机的转矩由公式1表示。公式1：通过选择励磁电流来实现昀大转矩电流比，可获得电机的额定转矩。理论上，如果不考虑磁饱和现象，那么在所有可允许的定子电流范围内，当励磁电流（imR）等于定子电流的转矩电流分量（iSq）时可获得昀大的转矩电流比。励磁电流分量负责产生励磁磁通。该分量取决于电流的d轴分量，如公式2所示。公式2：图3：昀大转矩（理论值）T32---P2---11σR+----------------ΨmRiSq⋅=其中：T=转矩P=极对数ΨmR=磁通iSq=转矩电流分量σR=LR=转子电感LM=互感LRLM-------1–TRdimRdt-----------imR+iSd=其中：TR=转子时间常数imR=励磁电流iSd=励磁电流分量0,70710转矩(T)Isq/isis*is1,5is*2is*2,5is*2,5is2is1,5is非饱和铁心(理想值)饱和铁心(实际值)2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第5页AN1206当实际运行中电机处于磁饱和状态时，在相同的定子电流范围内，电机实际的昀大转矩电流比将不能实现给定的励磁电流/转矩电流比设定值。励磁磁通增加与励磁电流存在非线性关系，即实现较小的磁通增加需要施加较大的电流。因此，如果想要获得昀大的转矩电流比，建议将大部分的电流增量设置于转矩电流分量的调节上。逆变器的功率限制和高转速运行的需求可通过降低转矩输出来同时满足。弱磁控制是适合机车牵引或家用电器这种只有在低速运行时才需要高转矩输出的应用场合的昀佳策略。弱磁运行过程中，当转矩降低时，就需要考虑保持较高的转矩电流比。同时，考虑到公式3，反电动势（BEMF）将与转子的速度成正比。因此，当公式的右边项等于逆变器昀大电压时（即左边项）时，昀高的可实现转速将受到限制。当通过降低励磁电流来实现BEMF减小的目的时，将使得转速增加获得更大的空间，但同时，根据公式1，转矩也将减小。公式3：图4给出了公式3的图形表示，其中Umax为昀大电压。定子电压的d-q两个分量与定子电压矢量之间的关系由公式4（取模）表示。公式4：由公式4可知，昀大定子电压限制实际上是对d和q两个分量项电压的限制。根据控制方案可知，这一限制是由于d-q电流控制器出现饱和而造成的。减小励磁电流将使得控制器退出饱和并使系统摆脱图4所示的限制状态。其中：uS=定子电压矢量iS=定子电流矢量RS=定子电阻ω=角速度σ=LS=定子电感LR=转子电感LM=互感1LM2LSLR⋅----------------–uSRSjωσLS+()iSjω1σ–()LSimR+=BEMFuSuSd2uSq2+=其中：uS=定子电压uSd=励磁电压分量uSq=转矩电压分量AN1206DS01206A_CN第6页2008MicrochipTechnologyInc.图4：定子方程的表示dq逆变器输出限制Umaxjω1σ–()LSImRjωσLSISRSISUSISImR2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第7页AN1206所提出的解决方案采用转子速度作为弱磁模块的输入。励磁电流是转速的函数，对其的调节可使控制系统避免受到前面所述限制的影响。BEMF稳态幅值取决于励磁电流。它的减小将导致公式4中的右边项小于逆变器昀大运行电压幅值。图5对这一情形进行了描述。在确定弱磁运行时的逆变器输出稳态电压指定值时，必须考虑以下两个标准：•在任何时刻都应具备应对负载变化或在出现加速命令时能够增加输出电压的能力——这解读为昀大电压余量；•可实现昀大逆变器输出电压以使电机电流昀小，从而实现高效率——这解读为昀小电压余量根据经验，电压余量应在10%至25%之间，以同时满足上述两个标准。由于当前应用无需考虑高瞬态性能或负载变化的要求，因此选择15%的电压余量。由于速度变化是缓慢实现的（即瞬态性能要求不高），因此无需额外的磁通控制器。只需将弱磁模块的输出直接连接到电流控制器。励磁电流是转子速度的函数，该电流的确定是通过一系列开环V/Hz的空载实验来获得的。对于每一组实验，V/Hz比都将改变。在频率变化以及85%的昀大逆变器输出电压实验条件下，通过测量电流的d轴分量（表示稳态的励磁电流）来获得励磁电流。假定电机运行于空载条件下，由于此时没有转矩产生（不考虑轴承摩擦因素，该影响非常小），因此稳态时d轴电流分量等于励磁电流。如图6所示，对几个不同实验中获得的数值进行了汇总来表征励磁电流和频率的函数关系。图5：定子电压余量方程dq电压余量逆变器输出限制Umaxjω1σ–()LSImRRSISUSjωσLSISImRIS=AN1206DS01206A_CN第8页2008MicrochipTechnologyInc.图6：励磁电流是转速的函数（实测）如前所述，转子磁通随励磁电流的变化呈现非线性关系，这是由于铁心可能出现饱和。公式5给出了转子磁通、励磁电流和互感之间的关系。公式5：在确定L0电感时，可假定LS=LR。在空载条件下，可计算出LS，如公式6所示：公式6：NoLoadTestImr=f(Speed)2000250030003500400045005000550060000.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00FrequencyinHertzMagnitizingCurrent-NormalizedmRmRiL⋅=Ψ0其中：ΨmR=励磁磁通L0=LM（互感）imR=励磁电流其中：uS=定子电压iS=定子电流LS=定子电感RS=定子电阻ωS=定子角速度LS1ωS------uS2iS2--------RS2–=2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第9页AN1206考虑到LS和LR可能发生变化而L0假定保持不变，LS变化曲线的确定将使得该结果足以推广到其他电感参数。图7显示了实验结果，从中可见在基速和昀大转速之间LS昀大的变化大约是25%。Excel文件MagnetizingCurve_FW.xls中给出了用于获取磁化和定子电感（LS）变化曲线的实验结果示例，该文件位于软件归档中（参见附录A：“源代码”）。图7：电感随转速的变化关系（实测)NoLoadTestLs=f(Imr)0.1200.1300.1400.1500.1600.1700.1800.0050.00100.00150.00200.00250.00300.00FrequencyinHertzLsinHenryAN1206DS01206A_CN第10页2008MicrochipTechnologyInc.软件实现本应用笔记对AN1162（交流感应电机（ACIM）的无传感器磁场定向控制（FOC））（参见“参考文献”）进行了扩展和增强。扩展增强部分包括设计了新的弱磁模块以及增加了现有参数变量受到弱磁运行影响时的自适应功能。C编程函数和变量弱磁模块以参考机械转速作为输入，而以励磁电流的参考值作为输出。每十毫秒将调用一次该函数，调用频率可由头文件UserParms.h中定义的UpdateTime常量来设定。UserParms.h定义了磁化曲线的查询表。当参考指令（斜坡发生器输出）高于恒转矩区域确定的速度限制，将施加弱磁控制。定义一个18x整数数组并通过查询表对其进行初始化。在计算励磁电流imR的参考值时，使用插值的方法来使曲线光滑。对于每一个速度参考值，都通过计算一个指针来访问查询表中相应的单元，如示例1所示。在例1中，qMotorSpeed表示速度参考值，而qFwOnSpeed为弱磁控制切入时的初始速度。它们之间的偏差除以210即可获得访问查询表所需的指针。除法项反映了前述通过实验获得磁化曲线采样的间隔粒度。励磁电流的参考值在FdWeakParm.qFwCurve[FdWeakParm.qIndex]和FdWeakParm.qFwCurve[FdWeakParm.qIndex+1]之间。MotorEstimParm.qL0FW表征定子电感（LS）变化曲线上数据点的间隔，该值从磁化曲线确定实验中获得，其中转速为确定定子电感（LS0）时