經(jīng)典換相方式——矢量控制

1、經(jīng)典換相方式矢量控制 1、引言    你希望在你的新產(chǎn)品中使用無(wú)刷伺服電機(jī)嗎？平時(shí)，我們可能也常碰到一些關(guān)鍵詞，例如“梯形波式”，“弦波式”和“矢量控制”。只有當(dāng)你了解了他們的真正含義，才能在你的新設(shè)計(jì)中選擇正確的產(chǎn)品。     在過(guò)去的十年甚至二十年中，伺服電機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)從有刷伺服轉(zhuǎn)變成無(wú)刷伺服的市場(chǎng)，這主要是由無(wú)刷伺服的低維修率和高穩(wěn)定性所決定的。在這十幾年中，驅(qū)動(dòng)部分在電路和系統(tǒng)方面的技術(shù)已發(fā)展的非常完善?？刂品绞揭惨呀?jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)那些關(guān)鍵詞所描述的功能。   

2、 大部分的高性能的伺服系統(tǒng)都采用一個(gè)內(nèi)部控制環(huán)來(lái)控制力矩。這個(gè)內(nèi)部的力矩環(huán)通過(guò)和外部的速度環(huán)和位置環(huán)的配合以達(dá)到不同的控制效果。外部控制環(huán)的設(shè)計(jì)是與匹配的電機(jī)沒(méi)有關(guān)系的，而內(nèi)部的力矩環(huán)的設(shè)計(jì)則與所匹配的電機(jī)的性能息息相關(guān)。    有刷電機(jī)的力矩控制是非常簡(jiǎn)單的，因?yàn)橛兴㈦姍C(jī)自身可完成換相工作。所輸出的力矩是和有刷電機(jī)兩極輸入的直流電壓成正比的。力矩也可通過(guò)P-I控制回路輕松地得到控制。P-I控制回路的主要功能就是通過(guò)檢測(cè)電機(jī)實(shí)際電流和控制電流之間的偏差，實(shí)時(shí)地調(diào)整電機(jī)的輸入電壓。 圖1    由

3、于無(wú)刷電機(jī)自身沒(méi)有換相功能，所以相對(duì)應(yīng)的控制方式就比較復(fù)雜。無(wú)刷電機(jī)有三組線圈，有別于有刷電機(jī)的兩組線圈。為了獲得有效的力矩，無(wú)刷電機(jī)的三組線圈必須根據(jù)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置進(jìn)行相互獨(dú)立的控制。這種驅(qū)動(dòng)方式就充分地說(shuō)明了對(duì)無(wú)刷電機(jī)控制的復(fù)雜性。2、無(wú)刷電機(jī)基礎(chǔ)    簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，無(wú)刷電機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)的永磁體（轉(zhuǎn)子）和三組均勻分布的線圈（定子）組成，線圈包圍著定子被固定在外部。電流流經(jīng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，三組磁場(chǎng)相互疊加形成一個(gè)矢量磁場(chǎng)。通過(guò)分別控制三組線圈上的電流大小，我們可以使定子產(chǎn)生任意方向和大小的磁場(chǎng)。同時(shí)，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到

4、控制。 圖2    對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的任意角度，定子都存在著一個(gè)最優(yōu)化的磁場(chǎng)方向，能產(chǎn)生最大的力矩；同樣，定子也能產(chǎn)生一個(gè)無(wú)力矩輸出的磁場(chǎng)方向。簡(jiǎn)單地說(shuō)，如果定子生成的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)方向一致，電機(jī)就不會(huì)輸出任何力矩。在這種情況下，兩個(gè)磁場(chǎng)還是存在相互的作用力的，但由于這個(gè)力的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸方向一致，所以，兩個(gè)磁場(chǎng)只產(chǎn)生對(duì)軸承的壓力，沒(méi)有產(chǎn)生任何的旋轉(zhuǎn)力。另一方面，如果定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向正交于轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向，這就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)力讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而且這也就是產(chǎn)生最大力矩的位置。    定子產(chǎn)生的任意方向及大

5、小的磁場(chǎng)可以被分解成平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向的兩個(gè)分量。這樣，相互正交的磁場(chǎng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，而相互平行的磁場(chǎng)產(chǎn)生的便是對(duì)軸承的壓力。出于這個(gè)原因，一個(gè)高效的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功能就是減少相互平行的磁場(chǎng)和讓相互正交的磁場(chǎng)最大化。 圖3    為了便于對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析的需要，我們按照慣例主要對(duì)線圈電流進(jìn)行控制，而不是去控制定子的磁場(chǎng)。因?yàn)槲覀兛梢苑浅Ｈ菀椎貦z測(cè)電機(jī)的電流，而磁場(chǎng)（實(shí)際的磁通量）卻很難得到。    在無(wú)刷電機(jī)中，流經(jīng)三組線圈的電流直接產(chǎn)生了定子的磁場(chǎng)。由于這三組線圈被人為的按照相互120度角度差

6、來(lái)安裝的，所以三組線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也存在相互120度的角度差。而這三個(gè)磁場(chǎng)相互疊加便產(chǎn)生了定子的磁場(chǎng)。    為了對(duì)流經(jīng)定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行建模，我們便引入了“空間電流矢量”的概念。固定線圈的空間電流矢量具有一個(gè)固定的磁場(chǎng)方向，這完全由通過(guò)線圈的磁通大小和流經(jīng)線圈的電流相互作用決定的。這樣，我們就可以用空間電流矢量來(lái)表征定子的磁場(chǎng)，這個(gè)空間電流矢量也就是三組線圈所產(chǎn)生的電流矢量的空間疊加。解釋空間電流矢量的一個(gè)直觀方式就是，我們可以假設(shè)定子僅僅由一組線圈構(gòu)成，而流經(jīng)這組線圈的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和前面的三組線圈產(chǎn)生的疊加磁場(chǎng)是一致的。 圖4

7、60;   和定子磁場(chǎng)一樣，定子的空間電流矢量也可以被分解成垂直和平行于轉(zhuǎn)子磁體軸方向的兩個(gè)分量。垂直方向的電流分量所產(chǎn)生磁場(chǎng)正交于轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，這就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)力矩。而平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)一致，就不會(huì)產(chǎn)生任何的力矩。所以，一個(gè)好的控制算法就需要使這個(gè)平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量最小化，因?yàn)?，這個(gè)電流分量只會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生多余的熱量，并加劇軸承的磨損。我們需要控制線圈的電流，以使垂直于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量達(dá)到最大。由此而得到的電機(jī)力矩和這個(gè)電流分量的大小成比例。    為了有效地獲得持續(xù)的平穩(wěn)的力矩

8、，我們就需要一個(gè)理想的持續(xù)穩(wěn)定的磁場(chǎng)，以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的定子空間電流矢量，而且這個(gè)磁場(chǎng)需要實(shí)時(shí)地跟隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)并與其磁場(chǎng)保持永遠(yuǎn)的垂直。從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方式來(lái)看，定子的空間電流矢量在數(shù)值上應(yīng)該是一個(gè)穩(wěn)定值。所以在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，定子的空間電流矢量表征出來(lái)的應(yīng)該是一個(gè)圓環(huán)。由于定子的電流矢量是由三組線圈產(chǎn)生的電流分量相互疊加而成，而且這三組線圈在物理結(jié)構(gòu)上是相互間隔120度的，所以電機(jī)的電流矢量應(yīng)該是三組理想狀態(tài)的弦波信號(hào)相互疊加而成，同時(shí)，這三組弦波信號(hào)之間也存在120度的相位角。 圖5    為了使與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同向的定子電流矢量最小化（為零）且垂直的

9、磁場(chǎng)最大化，定子線圈內(nèi)的弦波電流需要隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度實(shí)時(shí)地進(jìn)行相位調(diào)整。為了達(dá)到這種理想狀態(tài)，我們已經(jīng)通過(guò)各種控制方式，在對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制上獲得了不同層度的成功。、梯形波式換相    控制直流無(wú)刷電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種方式就是所謂的“梯形波式”換相。在這種方案中，我們每次只控制一對(duì)電機(jī)線圈中的電流，而第三路線圈在電路上一直與電源不接觸。安裝在電機(jī)內(nèi)部的霍爾信號(hào)每隔60度角檢測(cè)一次，并將檢測(cè)到的結(jié)果通過(guò)數(shù)字信號(hào)反饋給電機(jī)的控制器部分。由于在梯形波換相的情況下，電機(jī)只有兩組線圈通以相同的電流，而第三組線圈電流為零，所以這種檢測(cè)方式在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中只能檢測(cè)到六個(gè)方

10、向的電流矢量。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)電流每60度改變一次，所以每個(gè)電流矢量只能標(biāo)定左右30度范圍之內(nèi)的電流。電流的波形從零階躍式跳變到正向最大電流，然后再為零，再變?yōu)樨?fù)向最大電流。在這種情況下，電機(jī)電流在六個(gè)區(qū)域內(nèi)有規(guī)律地跳變，使得電機(jī)可以近似平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖6    請(qǐng)看圖7，這是無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的梯形波控制方式的框架圖。這里采用了一個(gè)PI控制回路來(lái)對(duì)電流進(jìn)行控制。我們用實(shí)際測(cè)量的電流和需求電流進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差信號(hào)。這個(gè)偏差信號(hào)再經(jīng)由積分和放大而產(chǎn)生一個(gè)輸出的糾偏值，這個(gè)糾偏值就是用來(lái)減少誤差的。這個(gè)由P-I控制回路產(chǎn)生的糾偏值隨后經(jīng)過(guò)PW

11、M整定，再提供給輸出橋路。這個(gè)過(guò)程的目的就是為了保證任意線圈中的電流保持穩(wěn)定的狀態(tài)。    換相與電流控制部分沒(méi)有任何的聯(lián)系。電機(jī)中的霍爾傳感器產(chǎn)生的位置信號(hào)只是用來(lái)選擇哪一對(duì)線圈對(duì)應(yīng)的輸出橋路需要通以電流，而其他橋路則保持無(wú)電流狀態(tài)。電流感應(yīng)回路主要用來(lái)實(shí)時(shí)地檢測(cè)通電線圈的電流，并將信號(hào)反饋到電流控制回路中。 圖7無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的梯形波控制方式框架圖    雖然說(shuō)梯形波換相的控制方式可以滿足許多不同的應(yīng)用控制，但它仍然存在一些缺陷。因?yàn)樵谶@種換相方式下，電流矢量只能表示六個(gè)非連續(xù)的方向，它不能表征任意30

12、度角內(nèi)的電流變化。這就使電機(jī)的力矩以六倍于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的狀態(tài)產(chǎn)生15%（1-cos（30）的波動(dòng)。這種電流矢量的不精確也帶來(lái)了效率的損失，因?yàn)榫€圈上的部分電流對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)不能產(chǎn)生力矩。更為重要的是，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈而產(chǎn)生的六次電流通道的切換，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪聲，而且會(huì)使低速下電機(jī)的精度非常難控制。    梯形波式換相對(duì)無(wú)刷電機(jī)來(lái)說(shuō)不能達(dá)到一個(gè)平滑和精確的控制，尤其是在低速運(yùn)行的情況下。而弦波式換相就可以解決這些問(wèn)題。    無(wú)刷電機(jī)的弦波式控制方式主要是通過(guò)同時(shí)控制三組線圈的電流，讓他們?cè)陔姍C(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中平滑地以弦波形式變化

13、。三組線圈的電流被實(shí)時(shí)地控制以達(dá)到一個(gè)大小恒定且保持與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直的矢量。相對(duì)于梯形波式換相，這種換相方式可消除力矩的波動(dòng)和換相時(shí)候的電流跳動(dòng)。    在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了讓電機(jī)的電流更接近于平滑的弦波形式，我們就需要用一個(gè)高精度的傳感器來(lái)精確測(cè)量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。而霍爾信號(hào)只能做出粗糙的測(cè)量，完全達(dá)不到這種高精度要求，所以我們就需要用編碼器或者類似的裝置來(lái)達(dá)到我們的要求。    圖8是無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的弦波式換相的框架圖。這種方式具有兩路獨(dú)立的電流控制環(huán)，以此來(lái)對(duì)電機(jī)的兩路線圈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因?yàn)殡姍C(jī)是WYE型接線，所

14、以第三組線圈的電流與另兩組線圈的電流總和大小相等，但方向相反（牛頓電流定律），因此我們不能單獨(dú)地控制第三組線圈的電流。 圖無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的弦波式換相框架圖    因?yàn)槿M線圈的電流必須被組合成一組穩(wěn)定的電機(jī)旋轉(zhuǎn)矢量電流，而且這三組線圈相互保持120度的角度，所以三組電流必須為弦波形式，而且保持120度的相位差。位置編碼器主要用來(lái)提供兩路弦波信號(hào)，而且相互間隔120度。這兩路信號(hào)將和力矩控制信號(hào)相互疊加成一個(gè)放大的弦波式信號(hào)以得到對(duì)電機(jī)的控制力矩。這兩路電流信號(hào)經(jīng)過(guò)相位的疊加形成讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電流矢量。    

15、兩路電機(jī)線圈的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)整定而得到的弦波信號(hào)將被輸入到一對(duì)P-I控制器里。由于第三路線圈電流是另兩路的負(fù)向疊加，所以我們無(wú)需控制它。每路P-I控制器的輸出信號(hào)將被接入PWM進(jìn)行調(diào)制，并通過(guò)橋路輸入到電機(jī)的線圈中。第三路線圈的控制電壓為另兩路線圈電壓的負(fù)向疊加，而這三路的控制電壓依然保持120度的相位角。為了讓實(shí)際輸出的電流波形精確地與電流控制信號(hào)吻合，所以經(jīng)過(guò)整定的電流控制矢量就必須像我們所需要的那樣旋轉(zhuǎn)平滑，大小穩(wěn)定，并且一直保持和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向垂直。    弦波式換相能得到梯形波式換相所不能達(dá)到的對(duì)電機(jī)的平滑控制。然而，這種理想的方式只能對(duì)電機(jī)低速運(yùn)

16、動(dòng)起到非常好的平滑作用，而對(duì)于電機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)則沒(méi)有任何作用。因?yàn)楫?dāng)速度起來(lái)后，電流環(huán)控制器必須跟蹤頻率不斷提高的弦波信號(hào)，而且還要克服振幅和頻率不斷提高的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。 圖    因?yàn)镻-I控制器的增益和響應(yīng)頻率是有限制的，所以這種電流環(huán)控制的不穩(wěn)定性很容易引起電流的相位滯后和控制誤差。速度越高，誤差越大。這也導(dǎo)致定子電流矢量的方向不能穩(wěn)定地跟隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，偏離于有效的垂直方向。這就使得電機(jī)輸出的力矩變小，因此我們就需要更多的電流來(lái)保持電機(jī)的力矩。這也就表示電機(jī)的工作效率降低了。    電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，

17、這種情況越惡化。在某種狀態(tài)下，電機(jī)電流的方向偏移會(huì)達(dá)到90度之多，當(dāng)這個(gè)時(shí)候，電機(jī)的力矩會(huì)減小為零。在采用弦波式換相的情況下，如果速度高于上述的狀態(tài)時(shí)，電機(jī)會(huì)輸出負(fù)力矩，但這是不可能發(fā)生的事。    弦波式控制方式存在著本質(zhì)的問(wèn)題，就是它對(duì)電機(jī)電流的控制是一個(gè)變量的控制。當(dāng)電機(jī)速度不斷提高，P-I控制器達(dá)到極限帶寬時(shí)，這種控制方式就會(huì)失去它的效用。矢量控制就可以解決這個(gè)問(wèn)題，它是通過(guò)直接控制對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平行和垂直方向的矢量電流分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子線圈電流進(jìn)行的精確控制。理論上看，矢量電流可分解成平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的兩個(gè)電流分量。因?yàn)樵谶@兩個(gè)方向上的電流是

18、靜態(tài)的，所以P-I控制器對(duì)電流的控制就可以是直流的，而不是弦波信號(hào)。所以控制器輸出的線圈電流和電壓就是一個(gè)常量，不是原先的隨時(shí)間不斷變化的變量，這也就消除了控制器在頻率響應(yīng)和相位漂移上的限制。如果用矢量控制方式來(lái)控制無(wú)刷電機(jī)，電流控制的質(zhì)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有任何關(guān)系。圖10    在矢量控制的情況下，我們主要控制對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)平行和垂直方向上的電機(jī)電流和電壓。這就表明我們所測(cè)得的電機(jī)電流必須經(jīng)過(guò)PI控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，然后將其從定子的三相靜態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子d-q的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)（平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向）。同樣的，電機(jī)端的控制電壓也需要經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算將其由轉(zhuǎn)子的d-

19、q結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為定子的三相靜態(tài)結(jié)構(gòu)，然后再輸入到PWM部分進(jìn)行調(diào)制。這些轉(zhuǎn)化就要求我們具備高速的數(shù)學(xué)處理能力，DSP和高性能的處理器就會(huì)被采用并成為矢量控制的核心。    雖然這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換至需要一步計(jì)算就可以完成，但我們用兩個(gè)步驟來(lái)描述會(huì)比較方便。電機(jī)電流首先從定子的物理120度相位差的三相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)的直角正交的d-q結(jié)構(gòu)，然后再由這種定子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的三相靜態(tài)結(jié)構(gòu)。為了確保得到有效的結(jié)果，這些計(jì)算必須在P-I控制器的一個(gè)采樣周期內(nèi)完成。上述的這種轉(zhuǎn)換與P-I控制器所需的電壓信號(hào)從d-q結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成定子線圈的三相結(jié)構(gòu)的操作正好相反。    一旦電機(jī)電流被轉(zhuǎn)化成d-q結(jié)構(gòu)，控制將變得非常簡(jiǎn)單。我們需要兩路P-I控制器；一個(gè)控制平行與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的電流，一個(gè)控制垂直向電流。因?yàn)槠叫邢螂娏鞯目刂菩盘?hào)為零，所以這就使電機(jī)平行向的電流分量也變成零，這也就驅(qū)使電機(jī)的電流矢量全部轉(zhuǎn)化為垂直向的電流。由于只有垂直向電流才能產(chǎn)生有效的力矩，這樣電機(jī)的效率被最大化。另一路P-I控制器主要用來(lái)控制垂直向的電流，以獲得與輸入信號(hào)相符的需求力矩。這也就使垂直向電流按照要求被控制以獲得所需的力矩。圖11    兩路P-I控制器的輸出信號(hào)表征了對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子的