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)品中使用無刷伺服電機(jī)嗎？平時，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)計中選擇正確的產(chǎn)品。     在過去的十年甚至二十年中，伺服電機(jī)市場已經(jīng)從有刷伺服轉(zhuǎn)變成無刷伺服的市場，這主要是由無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)都采用一個內(nèi)部控制環(huán)來控制力矩。這個內(nèi)部的力矩環(huán)通過和外部的速度環(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)計是與匹配的電機(jī)沒有關(guān)系的，而內(nèi)部的力矩環(huán)的設(shè)計則與所匹配的電機(jī)的性能息息相關(guān)。    有刷電機(jī)的力矩控制是非常簡單的，因為有刷電機(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檢測電機(jī)實際電流和控制電流之間的偏差，實時地調(diào)整電機(jī)的輸入電壓。 圖1    由

3、于無刷電機(jī)自身沒有換相功能，所以相對應(yīng)的控制方式就比較復(fù)雜。無刷電機(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，無刷電機(jī)的三組線圈必須根據(jù)轉(zhuǎn)子的實際位置進(jìn)行相互獨立的控制。這種驅(qū)動方式就充分地說明了對無刷電機(jī)控制的復(fù)雜性。2、無刷電機(jī)基礎(chǔ)    簡單來說，無刷電機(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，三組磁場相互疊加形成一個矢量磁場。通過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。同時，通過定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互吸引和排斥，力矩便可自由地得到

4、控制。 圖2    對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的任意角度，定子都存在著一個最優(yōu)化的磁場方向，能產(chǎn)生最大的力矩；同樣，定子也能產(chǎn)生一個無力矩輸出的磁場方向。簡單地說，如果定子生成的磁場和轉(zhuǎn)子永磁體的磁場方向一致，電機(jī)就不會輸出任何力矩。在這種情況下，兩個磁場還是存在相互的作用力的，但由于這個力的方向和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸方向一致，所以，兩個磁場只產(chǎn)生對軸承的壓力，沒有產(chǎn)生任何的旋轉(zhuǎn)力。另一方面，如果定子產(chǎn)生的磁場方向正交于轉(zhuǎn)子的磁場方向，這就會產(chǎn)生一個力讓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，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、小的磁場可以被分解成平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向的兩個分量。這樣，相互正交的磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，而相互平行的磁場產(chǎn)生的便是對軸承的壓力。出于這個原因，一個高效的無刷電機(jī)驅(qū)動的功能就是減少相互平行的磁場和讓相互正交的磁場最大化。 圖3    為了便于對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析的需要，我們按照慣例主要對線圈電流進(jìn)行控制，而不是去控制定子的磁場。因為我們可以非常容易地檢測電機(jī)的電流，而磁場（實際的磁通量）卻很難得到。    在無刷電機(jī)中，流經(jīng)三組線圈的電流直接產(chǎn)生了定子的磁場。由于這三組線圈被人為的按照相互120度角度差

6、來安裝的，所以三組線圈所產(chǎn)生的磁場也存在相互120度的角度差。而這三個磁場相互疊加便產(chǎn)生了定子的磁場。    為了對流經(jīng)定子線圈產(chǎn)生的磁場進(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固定的磁場方向，這完全由通過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表征定子的磁場，這個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)生的磁場和前面的三組線圈產(chǎn)生的疊加磁場是一致的。 圖4

7、60;   和定子磁場一樣，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分量。垂直方向的電流分量所產(chǎn)生磁場正交于轉(zhuǎn)子的磁場，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)生的磁場與轉(zhuǎn)子磁場一致，就不會產(chǎn)生任何的力矩。所以，一個好的控制算法就需要使這個平行于轉(zhuǎn)子磁軸方向的電流分量最小化，因為，這個電流分量只會使電機(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、，我們就需要一個理想的持續(xù)穩(wěn)定的磁場，以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的定子空間電流矢量，而且這個磁場需要實時地跟隨轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)并與其磁場保持永遠(yuǎn)的垂直。從轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方式來看，定子的空間電流矢量在數(shù)值上應(yīng)該是一個穩(wěn)定值。所以在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，定子的空間電流矢量表征出來的應(yīng)該是一個圓環(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)的弦波信號相互疊加而成，同時，這三組弦波信號之間也存在120度的相位角。 圖5    為了使與轉(zhuǎn)子磁場同向的定子電流矢量最小化（為零）且垂直的

9、磁場最大化，定子線圈內(nèi)的弦波電流需要隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度實時地進(jìn)行相位調(diào)整。為了達(dá)到這種理想狀態(tài)，我們已經(jīng)通過各種控制方式，在對無刷電機(jī)的控制上獲得了不同層度的成功。、梯形波式換相    控制直流無刷電機(jī)最簡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)部的霍爾信號每隔60度角檢測一次，并將檢測到的結(jié)果通過數(shù)字信號反饋給電機(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，所以這種檢測方式在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈中只能檢測到六個方

10、向的電流矢量。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)電流每60度改變一次，所以每個電流矢量只能標(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)可以近似平滑地運轉(zhuǎn)。 圖6    請看圖7，這是無刷電機(jī)驅(qū)動的梯形波控制方式的框架圖。這里采用了一個PI控制回路來對電流進(jìn)行控制。我們用實際測量的電流和需求電流進(jìn)行比較，得到一個偏差信號。這個偏差信號再經(jīng)由積分和放大而產(chǎn)生一個輸出的糾偏值，這個糾偏值就是用來減少誤差的。這個由P-I控制回路產(chǎn)生的糾偏值隨后經(jīng)過PW

11、M整定，再提供給輸出橋路。這個過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)生的位置信號只是用來選擇哪一對線圈對應(yīng)的輸出橋路需要通以電流，而其他橋路則保持無電流狀態(tài)。電流感應(yīng)回路主要用來實時地檢測通電線圈的電流，并將信號反饋到電流控制回路中。 圖7無刷電機(jī)驅(qū)動的梯形波控制方式框架圖    雖然說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。因為在這種換相方式下，電流矢量只能表示六個非連續(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)動頻率的狀態(tài)產(chǎn)生15%（1-cos（30）的波動。這種電流矢量的不精確也帶來了效率的損失，因為線圈上的部分電流對電機(jī)來說不能產(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，會產(chǎn)生刺耳的噪聲，而且會使低速下電機(jī)的精度非常難控制。    梯形波式換相對無刷電機(jī)來說不能達(dá)到一個平滑和精確的控制，尤其是在低速運行的情況下。而弦波式換相就可以解決這些問題。    無刷電機(jī)的弦波式控制方式主要是通過同時控制三組線圈的電流，讓他們在電機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中平滑地以弦波形式變化

13、。三組線圈的電流被實時地控制以達(dá)到一個大小恒定且保持與轉(zhuǎn)子磁場方向垂直的矢量。相對于梯形波式換相，這種換相方式可消除力矩的波動和換相時候的電流跳動。    在旋轉(zhuǎn)過程中，為了讓電機(jī)的電流更接近于平滑的弦波形式，我們就需要用一個高精度的傳感器來精確測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置。而霍爾信號只能做出粗糙的測量，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達(dá)到我們的要求。    圖8是無刷電機(jī)驅(qū)動的弦波式換相的框架圖。這種方式具有兩路獨立的電流控制環(huán)，以此來對電機(jī)的兩路線圈進(jìn)行實時控制。因為電機(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），因此我們不能單獨地控制第三組線圈的電流。 圖無刷電機(jī)驅(qū)動的弦波式換相框架圖    因為三組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提供兩路弦波信號，而且相互間隔120度。這兩路信號將和力矩控制信號相互疊加成一個放大的弦波式信號以得到對電機(jī)的控制力矩。這兩路電流信號經(jīng)過相位的疊加形成讓電機(jī)轉(zhuǎn)動的電流矢量。    

15、兩路電機(jī)線圈的電流信號經(jīng)過整定而得到的弦波信號將被輸入到一對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，所以我們無需控制它。每路P-I控制器的輸出信號將被接入PWM進(jìn)行調(diào)制，并通過橋路輸入到電機(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。為了讓實際輸出的電流波形精確地與電流控制信號吻合，所以經(jīng)過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)到的對電機(jī)的平滑控制。然而，這種理想的方式只能對電機(jī)低速運

16、動起到非常好的平滑作用，而對于電機(jī)的高速運動則沒有任何作用。因為當(dāng)速度起來后，電流環(huán)控制器必須跟蹤頻率不斷提高的弦波信號，而且還要克服振幅和頻率不斷提高的電機(jī)反電動勢。 圖    因為P-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，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)電流的方向偏移會達(dá)到90度之多，當(dāng)這個時候，電機(jī)的力矩會減小為零。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，電機(jī)會輸出負(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)的問題，就是它對電機(jī)電流的控制是一個變量的控制。當(dāng)電機(jī)速度不斷提高，P-I控制器達(dá)到極限帶寬時，這種控制方式就會失去它的效用。矢量控制就可以解決這個問題，它是通過直接控制對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁場平行和垂直方向的矢量電流分量來實現(xiàn)對定子線圈電流進(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)子磁場的兩個電流分量。因為在這兩個方向上的電流是

18、靜態(tài)的，所以P-I控制器對電流的控制就可以是直流的，而不是弦波信號。所以控制器輸出的線圈電流和電壓就是一個常量，不是原先的隨時間不斷變化的變量，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控制無刷電機(jī)，電流控制的質(zhì)量與電機(jī)轉(zhuǎn)速沒有任何關(guān)系。圖10    在矢量控制的情況下，我們主要控制對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁場平行和垂直方向上的電機(jī)電流和電壓。這就表明我們所測得的電機(jī)電流必須經(jīng)過PI控制器進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，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的動態(tài)結(jié)構(gòu)（平行和垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向）。同樣的，電機(jī)端的控制電壓也需要經(jīng)過數(shù)學(xué)計算將其由轉(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)換至需要一步計算就可以完成，但我們用兩個步驟來描述會比較方便。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)定的動態(tài)的直角正交的d-q結(jié)構(gòu)，然后再由這種定子的動態(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，這些計算必須在P-I控制器的一個采樣周期內(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)，控制將變得非常簡單。我們需要兩路P-I控制器；一個控制平行與轉(zhuǎn)子磁場的電流，一個控制垂直向電流。因為平行向電流的控制信號為零，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控制器主要用來控制垂直向的電流，以獲得與輸入信號相符的需求力矩。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控制器的輸出信號表征了對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的