面向磁场的控制算法平滑电动汽车动力系统性能

文章作者:Vaibhav Anand和Saurabh S. Khobe

磁场定向控制是电动汽车动力传动系统不可缺少的一种电机控制方案,其特点是电机运行平稳、无噪声。

高性能的电动机需要的控制机构,以确保增强平滑度,可靠性和效率。一个这样的应用中最贴切的例子是在电动汽车(EV)动力传动系中使用的马达,其可以通过磁场定向控制(FOC)的系统进行控制。

对于EV的动力系驱动顺畅,控制方案应该是使得电机能够操作在宽范围的速度,并以最低的速度产生最大扭矩。从技术上来讲,电动机控制必须基于扭矩和磁通量,所以我们能够通过控制电流精确地控制扭矩。

旋转的马达的转子的基本原理是产生在定子磁场。这是通过与交变电流激励定子线圈来完成。在知道转子,它是在转子的磁通轴和定子的磁轴之间的角度的位置的秘密到马达所在的平稳运行。一旦这个值是已知的,定子电流与转子的转矩轴对准。为了达到最高效率,定子磁通必须是垂直于转子磁通量。

FOC-based电动机控制

本文提出了一种典型的基于磁场定向控制(FOC)的电机控制系统图1

一个磁场定向控制基础电动机控制系统的图图1基于FOC-电动机控制系统的图显示了硬件和软件组件。来源:德州仪器(TI)

让我们来理解每一个软件和硬件组成部分:

  1. 三相逆变器:三相交流/直流逆变器提供三相电压给PMSM/BLDC电机驱动。它从空间矢量调制(SVM)块中获取脉宽调制(PWM)信号。
  2. QEP接口:它与编码器接口,以获得转子的机械位置,并将其传递到其他块。
  3. 速度/位置估计:顾名思义,计算获得转子的位置和速度在这块执行。
  4. PID控制比例积分微分(PID)是一种控制回路,依赖于电机以转矩的形式反馈。通过计算期望转矩与Park变换块接收转矩的差值,进行修正。
  5. Clarke变换:该克拉克变换块变换的定子电流(IA,IB),以磁通和转矩(d-q)的使用克拉克变换式的坐标系。三相系统的静止参考系中静止参考系变换成一个两象限系统。
  6. 公园变换和反公园变换:该模块将静止的参照系转换为具有正交轴线的两相系统的旋转参照系。正交分量为d-q,分别为电机直轴和交轴。当定子输出电压必须转换回静止的帧参考(定子参考)时,反帕克变换块出现在图片中。
  7. 空间矢量调制:它以确定要被施加到马达的PWM信号的技术。SVM需要定子电压矢量作为输入,并产生三相输出电压作为输出。

接下来,我们将探讨这些组件是如何投入使用,使用FOC算法来驱动马达。

FOC工作流的视图

对于要控制的三相电机,我们必须通过读取相电流Ia, Ib, Ic来提供适当的电压给电机。没有对它们的控制,就不可能创建一个定子磁通矢量,它与转子磁通矢量呈90度。

FOC是一种数学密集型算法,有助于轻松实现这一点,尽管开发FOC相当复杂。该算法将三相正弦电流参考系分解为磁通和转矩(d-q)参考系,简化了三相正弦电流参考系的控制。这两个组件可以单独控制。

图1示出了用于确定转子的位置,并把它送到速度/位置块编码器/霍尔。该值也被馈送到公园和逆公园变换块。在相同的实例中,从马达的相电流(IA,IB)被馈送到Clarke变换块。来自马达的相电流由克拉克变换变换到两个正交电流(Iα,Iβ)。现在新转换的相电流分别表示作为转矩产生和焊剂生成电流。虽然我们已经成功地分解相电流磁链和转矩分量,他们仍然是正弦曲线,这使得它难以控制,因为他们不断变化的。

FOC算法的下一个任务是去除正弦波,这需要一个重要的输入——转子位置。我们在图中看到,这个值也被提供给Park-transform块。在这个模块中,诀窍是从静止的参考系——从定子的角度——移动到旋转的参考系——从转子的角度。简单地说,park变换块将两种交流电流(iα, iβ)转换为直流电流。这使得PID块很容易按照它希望的方式控制它。

让我们把PID功能块到现在图片。输入来自FOC块PID块是IQ和Id,转矩和磁通分量。在EV的上下文中,当驾驶者操作节气门PID块将收到一个速度参考值。PID块现在比较两个值,并计算误差。该错误的量,PID块具有旋转电机的值。该PID块给出的输出为VQ和VD。此输出达到逆Clarke和Park变换,其中Clarke和Park变换的完全相反的发生。逆Park变换块变换旋转参考系的静止参考系,使得它们的电机的相位可以被换向。

PID输出变换的图图2从PID输出达到逆Clarke和Park变换,其中Clarke和Park变换的完全相反的发生。来源:德州仪器(TI)

在基于focc算法的电机控制的最后一步,空间矢量调制(SVM)的作用显得非常重要。支持向量机的作用是产生馈入逆变器的PWM信号,逆变器又产生驱动电机的三相电压。在某种程度上,SVM也做了逆克拉克变换的工作。

三相逆变器有六个晶体管将输出电压传递给电机。基本上有两种状态,在这两种状态下,输出必须是顶部晶体管关闭,底部晶体管打开或相反。有两个状态和三个输出,总共八个状态(23.)可以计算。当你在六边形星图上画出这八种状态,也称为基向量时,你会发现每一个相邻的向量之间的相位差是60度。支持向量机找到给出输出电压(V出去)。

事实上的电动汽车控制

FOC是电动汽车设计中不可或缺的一种电机控制方案。万博投注网址电动汽车要求的无噪声和平稳的电机操作,FOC脱颖而出,作为一个很好的适合。许多原始设备制造商和控制系统开发人员经常调整标准FOC算法,以适应其电动汽车项目的独特要求,但核心概念保持不变。

在汽车级微控制器的进步,像PIC18Fxx39家人从Microchip的或微控制器的C2000TI的实时微控制器,能够加快电动汽车控制系统的FOC算法的发展。

这篇文章最初发表于EDN

Vaibhav阿南德是一个维igitalarketingexecutiveEmbitel

Saurabh年代Khobe是一个embeddedengineerEmbitel

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