速度范围,该方法已成为无刷直流电机的一种重要驱动和换相方法,同样也成为交流感应电机的控制方法之一。在此,有必要比较一下FOC方法和正弦换相方法,后者曾经是基于编码器反馈的高端无刷直流电机控制的最常用方法。

图2提供了正弦换相方法以及FOC方法的总体控制流程。正弦控制方法通过一套正弦查找表矢量化转矩指令,从而为电机的每相绕组单独提供指令。随着转子向前移动,查找表的角度也同样前移。矢量化的相电流指令一经产生,即被送往每相绕组对应的电流环路,力图使实际绕组电流与目标电流值保持一致。
该方法的一个重要特性是随着电机旋转频率的增加,维持目标电流也愈发困难。这源于电流环直接“取自”旋转频率,电流环的任何滞后(在某种程度上这是不可避免的)都会导致定子实际转矩与目标值出现偏差。该滞后在低转速下无关紧要,在较高转速下却会引起本不想要的D轴转矩的增加,进而降低有效转矩值。
从控制原理上讲,磁场定向控制方法与上述方法的差别在于电流环运行并不参照电机旋转,也就是说独立于电机旋转。在FOC方法中存在两个实际的电流环,一个用于Q轴转矩,另一个用于D轴转矩。Q轴转矩电流环施
以来自伺服控制器的用户目标转矩,D轴电流环则施以零输入指令,以便使不想要的直轴分量降至最低。
完成上述全部工作的诀窍在于被称作Park和Clarke变换的纯粹的数学变换算法,可以将矢量化相位角转化为解耦的D轴和Q轴参考坐标系。该变换共进行两次,一次是将D轴和Q轴控制环路输出转化为电机的三相指令,另一次是将转子的检测角度转化回D轴和Q轴参考坐标系。这些变换方法问世多年之后,始终等待着廉价的高性能DSP和微处理器的出现,以使其能够在无刷直流电机和交流感应电机驱动中得到切实应用和实践。
如今这个愿望已经实现,采用FOC方法的交流感应电机可以使电机运行效率提高到85%,相比之下不采用磁场定向方法却只有60%左右。相比较而言,采用FOC方法的无刷直流电机甚至可以达到更高的效率,即高达95%。采用正弦换相的无刷直流电机也能够以很高的效率运行,不过无法像FOC方法那样在非常高的电机转速范围内保持运行效率。
吸引始于何处 实际上讲,选择电机和功放往往也就指定了所采用的控制方法。
如果你正在使用无刷直流电机做定位控制,那么就不能选择无传感器控制技术。你会需要一个编码器,而且最好也包括一套霍尔传感器。如果你想使电机获得最佳性能,你将会倾向于采用磁场定向控制,然而,除非你准备亲自搭建功放(这是一项令多数人畏惧的任务),否则你应该购买一套已经具备该特性的现成驱动。
这类驱动方案的配置通常包括高级运动控制功能,比如轮廓轨迹生成,位置伺服闭环,以及PLC类型的输入输出。有许多紧凑型的单轴驱动器可以提供基于霍尔传感器的正弦换相或者磁场定向控制,这些驱动多配备有经典的RS/485,CAN总线,以太网,或者其他串行总线,需要你做的一切是将电机和功率电源互联起来,并发出指令。

如果你采用基于板卡的方法,无论是采购一块,还是亲自设计一块,你实践磁场定向控制的能力都将受到限制,这是由于大多数功放产品都采用±10V的模拟控制输入信号,并不提供磁场定向控制接口,而那些能够提供该功能的产品一般又很昂贵,因为附加的分立运动板卡上包含了许多你并不需要的特性。然而,也有一些好消息,不少供应商可以提供正弦换相控制,该控制由运动板卡实现,通过输出两路±10V的模拟信号分别表示A相和B相目标电流。对于许多应用而言,正弦换相可以比基于霍尔传感器的六拍换提供极大的性能改善,因此该方法仍不失为广义运动领域的一种上佳选择。
如果你采用无刷直流电机进行速度控制应用,比如离心分离机,传送带驱动,或者其他非定位应用,就可以拥有更多的设计选择。无传感器控制当然是一种可能性,尽管可提供无传感器磁场定向控制的驱动产品还不多见。更常见的形式是可提供类正弦换相功能的无传感器驱动,可供采购的形式包括芯片级,或者驱动器级产品。
如果你采用交流感应电机,估计设计目标是速度或转矩应用,而不是定位应用。虽然在技术类期刊中会经常谈及,不过交流感应电机应用于定位控制的实例还是不多,除非在一些特殊场合,比如功率极高的驱动。
总之,你会有许多选择,只不过往往会归于亲自设计一个或者买一个现成的驱动,假如你决定买一个驱动,则可供选择的性能水平十分宽泛,从简单的变频调速控制到高级的磁场定向和磁通矢量驱动都有。
假如你决定搭建自己的控制卡或者功放,只要熟悉基本的逆变器设计技术和MOSFET或者IGBT功率开关技术,就不难实现简单的变频调速控制。对于更为高级的设计,你可以寻找那些能用的现成芯片来完成交流感应电机的磁场定向控制。
控制技术的进展,持续增长的能源效率需求,以及新型的实用化低成本DSP和微处理