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解读.docx
- 文档编号:27364924
- 上传时间:2023-06-29
- 格式:DOCX
- 页数:19
- 大小:62.45KB
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解读.docx
《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解读.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《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解读.docx(19页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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解读
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:
MihaiCheles
MicrochipTechnologyInc.
第二作者:
Dr.-Ing.HafedhSammoud
APPCONTechnologiesSUARL
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)
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最高转速的控制策略。
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,能够提供给电机的最大电压不同。
在恒功率区域,大多数情况下最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,电机的最大输出转矩是恒定的,但是一旦转速超过这一限定值,最大转矩值将减小,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0
AN1206
DS01206A_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最大转矩电流比,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)时可获得最大的转矩电流比。
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:
最大转矩(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
LR
LM------1–TRdimR
dt
-----------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/is
is*is
1,5is*
2is*
2,5is*
2,5is
2is
1,5is
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,电机实际的最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,如果想要获得最大的转矩电流比,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最佳策略。
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最大电压时(即左边项)时,最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为最大电压。
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,最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:
S=定子电压矢量S=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
1LM
2
LSLR⋅----------------–SRSjωσLS+(Sjω1σ–(LSmR
+=BEMF
uSSduSq
+=
其中:
uS=定子电压uSd=励磁电压分量uSq=转矩电压分量
AN1206
DS01206A_CN第6页2008MicrochipTechnologyInc.
图4:
定子方程的表示
d
q
逆变器输出限制Umax
jω1σ–(SmR
jLSS
SSS
SmR
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最大运行电压幅值。
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——这解读为最大电压余量;
•可实现最大逆变器输出电压以使电机电流最小,从而实现高效率——这解读为最小电压余量
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%的最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
d
q
电压余量
逆变器输出限制Umax
jω1σ–(LSmR
RSS
S
jωσLSS
mRS
=
AN1206
DS01206A_CN第8页2008MicrochipTechnologyInc.
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:
mR
mRiL⋅=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------S2
iS
2-------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,从中可见在基速和最大转速之间LS最大的变化大约是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”)。
AN1206
DS01206A_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)时基速值的两倍。
为了获得更为准确的结果,通过对由确定定子电感变化曲线的实验所获得的相邻两个实验结果进行插值计算来获得LS。
如例2所示,计算了插值部分。
执行弱磁功能的函数FieldWeakening在C文件FieldWeakening.c中进行了定义,其性能包括:
•执行时间:
51周期•时钟速度:
7.2-8.5µs@29.491MHz•代码长度:
212字•RAM:
46字
如前面部分所指出,弱磁区域运行时必须对互感进行自适应修正。
考虑到所有电感变化规律为一致的假定条件,互感的自适应律可采用公式7。
图8描述了根据电机转速变化时互感(L0)的变化。
例1:
例2:
公式7:
//FW表中的指针
FdWeakParm.qIndex=(qMotorSpeed-FdWeakParm.qFwOnSpeed>>10;
//对表中两个结果之间实现插值FdWeakParm.qIdRef=
FdWeakParm.qFwCurve[FdWeakParm.qIndex]-(((long(FdWeakParm.qFwCurve[FdWeakParm.qIndex]-
FdWeakParm.qFwCurve[FdWeakParm.qIndex+1]*(long(qMotorSpeed-((FdWeakParm.qIndex<<10+FdWeakParm.qFwOnSpeed>>10;
其中具有指针0的测量结果是与基速对应的值。
MotorEstimParm.qL0Fw214LSLS0-------214LRLR0--------214LM
LM0
---------≅≅=
2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第11页
AN1206
图8:
弱磁运行时的互感的自适应律
包括电机常数在内的所有其他磁场定向控制所使用的变
量也都进行自适应调整以减小弱磁运行时的误差。
这些变量为:
•MotorEstimParm.qInvTr•MotorEstimParm.qLsDt•MotorEstimParm.qInvPsi•
MotorEstimParm.qRrInvTr
所有软件功能主要最初设计为针对恒功率运行区域,考虑到了电机参数常量;因此,当弱磁运行过程中转速增加时,考虑到参数会发生变化,设计了参数自适应功能。
实现自适应功能的函数AdaptEstimParm在FieldWeakening.c中进行定义,且具有以下性能:
•执行时间:
1800周期•时钟速度:
7.2-8.5µs@29.491MHz•代码长度:
218字•RAM:
62字
图9给出的实验结果显示弱磁运行时系统具有较高的稳定性和正确的速度控制曲线。
0123
45
678910
时间(秒)
5101520x103
速度参考(RPM)
012345678910
5000
时间(秒)
10000
15000
qL0FW
标幺值
AN1206
DS01206A_CN第12页2008MicrochipTechnologyInc.
图9:
对ACIM采用具有弱磁控制功能的无传感器磁场定向控制的实验结果
表1给出了实测的转矩-转速关系曲线和效率结果(计
算时包括电机和逆变器)。
表1:
转矩-转速实验结果
结论
本应用笔记提供了一种基于Microchip的dsPIC30F和dsPIC33F数字信号控制器对ACIM实现具有弱磁控制功能的无传感器磁场定向控制的解决方案。
该应用开发在先前发表的应用笔记AN1162基础上进行了扩展和补充,提供了感应电机驱动的高性能、宽转速控制解决方案。
参考文献
AN1162——交流感应电机(ACIM)的无传感器磁场定
向控制(FOC)
(DS01162A_CN),MicrochipTechnologyInc.,2008
时间(秒)
时间(秒)
速度(RPM)
ld,lq
标幺值20x103
1550100
1
2
3
4
5
6
78910
10000
50000
-5000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
速度参考
估计的转子速度
ldlq
转速(RPM)
转矩(N*m)
机械输出功率(W)
输入电功率(W)
效率(%)
94000.14714623761.685000.17215323465.468000.536047076.61100
1.15
135
250
54.0
2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第13页
AN1206
附录A:
源代码
本应用笔记中提到的所有软件都可从一个WinZip归档文件中获得。
该归档文件可从如下Microchip公司网站下载:
软件许可协议
MicrochipTechnologyIncorporated(以下简称“本公司”)在此提供的软件旨在向本公司客户提供专门用于Microchip生产的产品的软件。
本软件为本公司和/或其供应商所有,并受到适用的版权法保护。
版权所有。
使用时违反前述约束的用户可能会依法受到刑事制裁,并可能由于违背本许可的条款和条件而承担民事责任。
本软件是按“现状”提供的。
任何形式的保证,无论是明示的、暗示的或法定的,包括但不限于有关适销性和特定用途的暗示保证,均不适用于本软件。
对于在任何情况下、因任何原因造成的特殊的、附带的或间接的损害,本公司概不负责。
AN1206
DS01206A_CN第14页2008MicrochipTechnologyInc.
注:
2008MicrochipTechnologyInc.DS01206A_CN第15
页
提供本文档的中文版本仅为了便于理解。
请勿忽视文档中包含的英文部分,因为其中提供了有关Microchip产品性能和使用情况的有用信息。
MicrochipTechnologyInc.及其分公司和相关公司、各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任。
建议参考MicrochipTechnologyInc.的英文原版文档。
本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利,它们可能由更新之信息所替代。
确保应用符合技术规范,是您自身应负的责任。
Microchip对这些信息不作任何明示或暗示、书面或口头、法定或其他形式的声明或担保,包括但不限于针对其使用情况、质量、性能、适销性或特定用途的适用性的声明或担保。
Microchip对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任。
如果将Microchip器件用于生命维持和/或生命安全应用,一切风险由买方自负。
买方同意在由此引发任何一切伤害、索赔、诉讼或费用时,会维护和保障Microchip免于承担法律责任,并加以赔偿。
在Microchip知识产权保护下,不得暗中或以其他方式转让任何许可证。
商标
Microchip的名称和徽标组合、Microchip徽标、Accuron、dsPIC、KEELOQ、KEELOQ徽标、MPLAB、PIC、
PICmicro、PICSTART、rfPIC、SmartShun和UNI/O均为MicrochipTechnologyInc.在美国和其他国家或地区的注册商标。
FilterLab、LinearActiveThermistor、MXDEV、MXLAB、SEEVAL、SmartSensor和TheEmbeddedControlSolutionsCompany均为MicrochipTechnologyInc.在美国的注册商标。
Analog-for-the-DigitalAge、ApplicationMaestro、
CodeGuard、dsPICDEM、dsPICDEM.net、dsPICworks、dsSPEAK、ECAN、ECONOMONITOR、FanSense、In-CircuitSerialProgramming、ICSP、ICEPIC、Mindi、MiWi、MPASM、MPLABCertified徽标、MPLIB、MPLINK、mTouch、PICkit、PICDEM、PICDEM.net、PICtail、PIC32徽标、PowerCal、PowerInfo、PowerMate、PowerTool、REALICE、rfLAB、SelectMode、TotalEndurance、
WiperLock和ZENA均为MicrochipTechnologyInc.在美国和其他国家或地区的商标。
SQTP是MicrochipTechnologyInc.在美国的服务标记。
在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有。
©2008,MicrochipTechnologyInc.版权所有。
请注意以下有关Microchip器件代码保护功能的要点:
•Microchip的产品均达到Microchip数据手册中所述的技术指标。
•Microchip确信:
在正常使用的情况下,Microchip系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一。
•
目前,仍存在着恶意、甚至是非法破坏代码保护功能的行为。
就我们所知,所有这些行为都不是以Microchip数据手册中规定的操作规范来使用Microchip产品的。
这样做的人极可能侵犯了知识产权。
•Microchip愿与那些注重代码完整性的客户合作。
•
Microchip或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性。
代码保护并不意味着我们保证产品是“牢不可破”的。
代码保护功能处于持续发展中。
Microchip承诺将不断改进产品的代码保护功能。
任何试图破坏Microchip代码保护功能的行为均可视为违反了《数字器件千年版权法案(DigitalMillenniumCopyrightAct)》。
如果这种行为导致他人在XX的情况下,能访问您的软件或其他受版权保护的成果,您有权依据该法案提起诉讼,从而制止这种行为。
Microchip位于美国亚利桑那州Chandler和Tempe与位于俄勒冈州Gresham的全球总部、设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了ISO/TS-16949:
2002认证。
公司在PIC®
MCU与dsPIC®DSC、KEELOQ®跳码器件、串行EEPROM、单片机外设、非易失性存储器和模拟产品方面的质量体系流程均符合ISO/TS-16949:
2002。
此外,Microchip在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了ISO9001:
2000认证。
全球销售及服务网点美洲公司总部CorporateOffice2355WestChandlerBlvd.Chandler,AZ85224-6199Tel:
1-480-792-7200Fax:
1-480-792-7277技术支持:
网址:
亚特兰大AtlantaDuluth,GATel:
678-957-9614Fax:
678-957-1455波士顿BostonWestborough,MATel:
1-774-760-0087Fax:
1-774-760-0088芝加哥ChicagoItasca,ILTel:
1-630-285-0071Fax:
1-630-285-0075达拉斯DallasAddison,TXTel:
1-972-818-7423
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 使用 技术 实现 交流 感应 电机 ACIM 传感器 磁场 定向 解读