利用磁場(chǎng)定向控制算法平滑電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)性能
2024-8-22 13:40:28??????點(diǎn)擊：
高性能電機(jī)需要一種控制機(jī)制，以確保更高的平穩(wěn)性、可靠性和效率。這種應(yīng)用最恰當(dāng)?shù)睦又皇请妱?dòng)汽車 (EV) 動(dòng)力系統(tǒng)中使用的電機(jī)，該電機(jī)可以通過(guò)基于磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 的系統(tǒng)進(jìn)行控制。
為了使電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，控制方案應(yīng)使電機(jī)能夠在很寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并在最低速度下產(chǎn)生最大扭矩。從技術(shù)上講，電機(jī)控制必須基于扭矩和磁通量，因此我們能夠通過(guò)控制電流來(lái)精確控制扭矩。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本原理是在定子中產(chǎn)生磁場(chǎng)。這是通過(guò)用交流電激勵(lì)定子線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的秘訣在于了解轉(zhuǎn)子的位置，即轉(zhuǎn)子磁通軸與定子磁軸之間的角度。一旦知道這個(gè)值，定子電流就會(huì)與轉(zhuǎn)子的扭矩軸對(duì)齊。為了實(shí)現(xiàn)峰值效率，定子磁通量必須垂直于轉(zhuǎn)子磁通量。
基于 FOC 的電機(jī)控制
讓我們了解每個(gè)軟件和硬件組件：
1. 三相逆變器：三相 AC/DC 逆變器為 PMSM/BLDC 電機(jī)提供三相電壓以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它從空間矢量調(diào)制 (SVM) 模塊獲取脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)。
2. QEP 接口：它與編碼器接口以獲取轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置并將其傳遞給其他塊。
3. 速度/位置估計(jì)塊：顧名思義，獲取轉(zhuǎn)子位置和速度的計(jì)算在此塊中執(zhí)行。
4. PID 控制：比例積分微分 (PID) 是一種控制回路，它依賴于電機(jī)以扭矩形式提供的反饋。通過(guò)計(jì)算所需扭矩與從 Park 變換塊接收到的扭矩之間的差異，它進(jìn)行校正。
5. Clarke 變換：Clarke 變換塊使用 Clarke 變換公式將定子電流 (ia, ib) 轉(zhuǎn)換為磁通和轉(zhuǎn)矩 (dq) 坐標(biāo)系。三相系統(tǒng)的靜止參考系轉(zhuǎn)換為靜止參考系中的二象限系統(tǒng)。
6. Park 變換和逆 Park 變換：該模塊將靜止參考系轉(zhuǎn)換為具有正交軸的兩相系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)參考系。正交分量為 dq，分別為電機(jī)直軸和交軸。當(dāng)定子輸出電壓必須轉(zhuǎn)換回靜止參考系(定子參考)時(shí)，逆 Park 變換模塊就會(huì)出現(xiàn)。
7. 空間矢量調(diào)制：這是一種確定要施加到電機(jī)的 PWM 信號(hào)的技術(shù)。SVM 將定子電壓矢量作為輸入并產(chǎn)生三相輸出電壓作為輸出。
接下來(lái)，我們將探討如何使用這些組件來(lái)使用 FOC 算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
FOC 工作流程視圖
對(duì)于要控制的三相電動(dòng)機(jī)，我們必須通過(guò)讀取相電流 Ia、Ib、Ic 為電動(dòng)機(jī)提供適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｈ绻豢刂扑鼈儯筒豢赡軇?chuàng)建與轉(zhuǎn)子磁通矢量成 90 度角的定子磁通矢量。
FOC 是一種數(shù)學(xué)密集型算法，可幫助您輕松實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，盡管開(kāi)發(fā) FOC 相當(dāng)復(fù)雜。FOC 算法能夠通過(guò)將三相正弦電流參考系分解為磁通和轉(zhuǎn)矩 (dq) 參考系來(lái)簡(jiǎn)化三相正弦電流參考系的控制。這兩個(gè)組件可以單獨(dú)控制。
霍爾編碼器由它確定轉(zhuǎn)子的位置并將其傳遞到速度/位置塊。該值也被饋送到 Park 和 Park 逆變換塊。同時(shí)，來(lái)自電機(jī)的相電流 (ia, ib) 被饋送到 Clarke 變換塊。來(lái)自電機(jī)的相電流通過(guò) Clarke 變換轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正交電流 (iα, iβ)。新轉(zhuǎn)換的相電流現(xiàn)在分別表示為產(chǎn)生扭矩和產(chǎn)生磁通的電流。雖然我們已成功將相電流分解為磁通和扭矩分量，但它們?nèi)匀皇钦也ǎ@使得控制變得困難，因?yàn)樗鼈儠?huì)不斷變化。
FOC 算法的下一個(gè)任務(wù)是消除正弦波，這需要一個(gè)重要的輸入——轉(zhuǎn)子位置。我們?cè)趫D中看到，這個(gè)值也被輸入到 Park 變換塊中。在這個(gè)塊中，訣竅是從靜止參考系(從定子的角度來(lái)看)移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)參考系(從轉(zhuǎn)子的角度來(lái)看)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，Park 變換塊將兩個(gè)交流電流(iα、iβ)轉(zhuǎn)換為直流電流。這使得 PID 塊可以很容易地按照自己想要的方式進(jìn)行控制。
現(xiàn)在讓我們將 PID 塊引入到圖中。FOC 塊對(duì) PID 塊的輸入是 Iq 和 Id、扭矩和磁通分量。在電動(dòng)汽車的背景下，當(dāng)駕駛員操作油門時(shí)，PID 塊將接收速度參考。PID 塊現(xiàn)在比較這兩個(gè)值并計(jì)算誤差。這個(gè)誤差是 PID 塊必須旋轉(zhuǎn)電機(jī)的值。PID 塊給出的輸出是 Vq 和 Vd。該輸出到達(dá)逆克拉克和帕克變換，其中發(fā)生與克拉克和帕克變換完全相反的情況。逆帕克變換塊將旋轉(zhuǎn)參考系轉(zhuǎn)換為靜止參考系，以便電機(jī)的相位可以換向。
在基于 FOC 算法的電機(jī)控制的最后一步中，空間矢量調(diào)制 (SVM) 的作用非常重要。SVM 的作用是生成饋入逆變器的 PWM 信號(hào)，而逆變器又生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電壓。在某種程度上，SVM 也起到了逆 Clarke 變換的作用。
三相逆變器有六個(gè)晶體管，它們將輸出電壓傳送給電機(jī)。這些輸出基本上有兩種狀態(tài)，要么頂部晶體管關(guān)閉，底部晶體管打開(kāi)，要么反之亦然。有了兩個(gè)狀態(tài)和三個(gè)輸出，就可以計(jì)算出總共八個(gè)狀態(tài) (2 3 )。當(dāng)您在六邊形星形圖上繪制這八個(gè)狀態(tài)(也稱為基向量)時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)相鄰向量的相位差為 60 度。SVM 會(huì)找到產(chǎn)生輸出電壓 (V out )的平均向量。
事實(shí)上的電動(dòng)汽車電機(jī)控制
FOC 作為一種電機(jī)控制方案對(duì)于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是必不可少的。由于電動(dòng)汽車需要無(wú)噪音和平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行，因此 FOC 脫穎而出，成為理想的選擇。許多 OEM 和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常調(diào)整標(biāo)準(zhǔn) FOC 算法以適應(yīng)其電動(dòng)汽車項(xiàng)目的獨(dú)特要求，但核心概念保持不變。
汽車級(jí) MCU 的進(jìn)步，例如 Microchip 的 PIC18Fxx39 系列微控制器或TI 的C2000實(shí)時(shí)微控制器，能夠加快電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng) FOC 算法的開(kāi)發(fā)。
為了使電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，控制方案應(yīng)使電機(jī)能夠在很寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)行，并在最低速度下產(chǎn)生最大扭矩。從技術(shù)上講，電機(jī)控制必須基于扭矩和磁通量，因此我們能夠通過(guò)控制電流來(lái)精確控制扭矩。
旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的基本原理是在定子中產(chǎn)生磁場(chǎng)。這是通過(guò)用交流電激勵(lì)定子線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的秘訣在于了解轉(zhuǎn)子的位置，即轉(zhuǎn)子磁通軸與定子磁軸之間的角度。一旦知道這個(gè)值，定子電流就會(huì)與轉(zhuǎn)子的扭矩軸對(duì)齊。為了實(shí)現(xiàn)峰值效率，定子磁通量必須垂直于轉(zhuǎn)子磁通量。
基于 FOC 的電機(jī)控制
讓我們了解每個(gè)軟件和硬件組件：
1. 三相逆變器：三相 AC/DC 逆變器為 PMSM/BLDC 電機(jī)提供三相電壓以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它從空間矢量調(diào)制 (SVM) 模塊獲取脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號(hào)。
2. QEP 接口：它與編碼器接口以獲取轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置并將其傳遞給其他塊。
3. 速度/位置估計(jì)塊：顧名思義，獲取轉(zhuǎn)子位置和速度的計(jì)算在此塊中執(zhí)行。
4. PID 控制：比例積分微分 (PID) 是一種控制回路，它依賴于電機(jī)以扭矩形式提供的反饋。通過(guò)計(jì)算所需扭矩與從 Park 變換塊接收到的扭矩之間的差異，它進(jìn)行校正。
5. Clarke 變換：Clarke 變換塊使用 Clarke 變換公式將定子電流 (ia, ib) 轉(zhuǎn)換為磁通和轉(zhuǎn)矩 (dq) 坐標(biāo)系。三相系統(tǒng)的靜止參考系轉(zhuǎn)換為靜止參考系中的二象限系統(tǒng)。
6. Park 變換和逆 Park 變換：該模塊將靜止參考系轉(zhuǎn)換為具有正交軸的兩相系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)參考系。正交分量為 dq，分別為電機(jī)直軸和交軸。當(dāng)定子輸出電壓必須轉(zhuǎn)換回靜止參考系(定子參考)時(shí)，逆 Park 變換模塊就會(huì)出現(xiàn)。
7. 空間矢量調(diào)制：這是一種確定要施加到電機(jī)的 PWM 信號(hào)的技術(shù)。SVM 將定子電壓矢量作為輸入并產(chǎn)生三相輸出電壓作為輸出。
接下來(lái)，我們將探討如何使用這些組件來(lái)使用 FOC 算法驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
FOC 工作流程視圖
對(duì)于要控制的三相電動(dòng)機(jī)，我們必須通過(guò)讀取相電流 Ia、Ib、Ic 為電動(dòng)機(jī)提供適當(dāng)?shù)碾妷骸Ｈ绻豢刂扑鼈儯筒豢赡軇?chuàng)建與轉(zhuǎn)子磁通矢量成 90 度角的定子磁通矢量。
FOC 是一種數(shù)學(xué)密集型算法，可幫助您輕松實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，盡管開(kāi)發(fā) FOC 相當(dāng)復(fù)雜。FOC 算法能夠通過(guò)將三相正弦電流參考系分解為磁通和轉(zhuǎn)矩 (dq) 參考系來(lái)簡(jiǎn)化三相正弦電流參考系的控制。這兩個(gè)組件可以單獨(dú)控制。
霍爾編碼器由它確定轉(zhuǎn)子的位置并將其傳遞到速度/位置塊。該值也被饋送到 Park 和 Park 逆變換塊。同時(shí)，來(lái)自電機(jī)的相電流 (ia, ib) 被饋送到 Clarke 變換塊。來(lái)自電機(jī)的相電流通過(guò) Clarke 變換轉(zhuǎn)換為兩個(gè)正交電流 (iα, iβ)。新轉(zhuǎn)換的相電流現(xiàn)在分別表示為產(chǎn)生扭矩和產(chǎn)生磁通的電流。雖然我們已成功將相電流分解為磁通和扭矩分量，但它們?nèi)匀皇钦也ǎ@使得控制變得困難，因?yàn)樗鼈儠?huì)不斷變化。
FOC 算法的下一個(gè)任務(wù)是消除正弦波，這需要一個(gè)重要的輸入——轉(zhuǎn)子位置。我們?cè)趫D中看到，這個(gè)值也被輸入到 Park 變換塊中。在這個(gè)塊中，訣竅是從靜止參考系(從定子的角度來(lái)看)移動(dòng)到旋轉(zhuǎn)參考系(從轉(zhuǎn)子的角度來(lái)看)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，Park 變換塊將兩個(gè)交流電流(iα、iβ)轉(zhuǎn)換為直流電流。這使得 PID 塊可以很容易地按照自己想要的方式進(jìn)行控制。
現(xiàn)在讓我們將 PID 塊引入到圖中。FOC 塊對(duì) PID 塊的輸入是 Iq 和 Id、扭矩和磁通分量。在電動(dòng)汽車的背景下，當(dāng)駕駛員操作油門時(shí)，PID 塊將接收速度參考。PID 塊現(xiàn)在比較這兩個(gè)值并計(jì)算誤差。這個(gè)誤差是 PID 塊必須旋轉(zhuǎn)電機(jī)的值。PID 塊給出的輸出是 Vq 和 Vd。該輸出到達(dá)逆克拉克和帕克變換，其中發(fā)生與克拉克和帕克變換完全相反的情況。逆帕克變換塊將旋轉(zhuǎn)參考系轉(zhuǎn)換為靜止參考系，以便電機(jī)的相位可以換向。
在基于 FOC 算法的電機(jī)控制的最后一步中，空間矢量調(diào)制 (SVM) 的作用非常重要。SVM 的作用是生成饋入逆變器的 PWM 信號(hào)，而逆變器又生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相電壓。在某種程度上，SVM 也起到了逆 Clarke 變換的作用。
三相逆變器有六個(gè)晶體管，它們將輸出電壓傳送給電機(jī)。這些輸出基本上有兩種狀態(tài)，要么頂部晶體管關(guān)閉，底部晶體管打開(kāi)，要么反之亦然。有了兩個(gè)狀態(tài)和三個(gè)輸出，就可以計(jì)算出總共八個(gè)狀態(tài) (2 3 )。當(dāng)您在六邊形星形圖上繪制這八個(gè)狀態(tài)(也稱為基向量)時(shí)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)相鄰向量的相位差為 60 度。SVM 會(huì)找到產(chǎn)生輸出電壓 (V out )的平均向量。
事實(shí)上的電動(dòng)汽車電機(jī)控制
FOC 作為一種電機(jī)控制方案對(duì)于電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是必不可少的。由于電動(dòng)汽車需要無(wú)噪音和平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行，因此 FOC 脫穎而出，成為理想的選擇。許多 OEM 和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員經(jīng)常調(diào)整標(biāo)準(zhǔn) FOC 算法以適應(yīng)其電動(dòng)汽車項(xiàng)目的獨(dú)特要求，但核心概念保持不變。
汽車級(jí) MCU 的進(jìn)步，例如 Microchip 的 PIC18Fxx39 系列微控制器或TI 的C2000實(shí)時(shí)微控制器，能夠加快電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng) FOC 算法的開(kāi)發(fā)。
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