淺析交流伺服電機矢量控制技術

2020-11-23 OFweek維科網

關於交流電機的矢量控制技術，有很多論文與各種文章介紹。但多用難解的公式與坐標來記述，如果沒有紮實的數學和控制等理論基礎的話，相信大家有同感比較難理解。日篤君儘量用簡單易懂的圖解與計算來聊聊電機的構造，靜止坐標與旋轉坐標的變化，矢量控制，伺服控制等電機驅動技術。

在聊控制之前，為了更好理解控制，我們先來看看電機的構造。實時應用的電機構造很複雜，但可以簡單的理解成：電機由裝在裡面的轉子與裝在外面的定子構成(也有相反的電機)，轉子裡面一般放入永久磁石，定子裡面一般纏繞銅線。然後在中間插入中軸來帶動驅動物體。

電機技術經過百年的發展，形成了如上的各種分類。電機上使用的磁石屬於稀有金屬，產量主要分布在中國，近年由於稀土材料的價格高騰，工業界正在積極研究如何減少稀土的使用量，保持性能的同時降低產品成本，是企業也更是工程師永遠的課題。如今實際應用中，同步電機得到廣泛的採用。

同步電機又以磁石所裝入的部位，主要分類為SPM(表面磁石)和IPM(內部磁石)：

SPM電機由於控制簡單，早起被工業界所採用，但是這種電機由於磁石裝在轉子的表面，所以可以利用的動力主要來源於自身的表面磁石。

IPM電機由於可以利用磁石與磁石周圍勵磁的動力，產生高密度的能量，而且可以通過構造的工夫減少稀土的使用量，所以今年得到更廣泛的應用。

SPM電機：


轉子(磁石未插入狀態)


定子(線圈纏繞狀態)

我們可以看到，定子鐵芯上有斜入的空心，在這裡纏繞線圈。斜著是應為可以使磁場平均化(具體請參照相關論文或專利)。


轉子與定子的合體

IPM電機：


轉子(磁石未插入狀態)

我們可以看到裝磁石的地方分為對稱的兩條，這是應為想使得勵磁的地方得到有效的利用，這個空心對稱的角度會影響勵磁動力，具體有興趣的話可以參照各種專利(關於角度問題有很多專利申請)。


定子(線圈纏繞狀態)



轉子與定子的合體

下面進入正題，聊聊交流電機的控制問題。

一般的電機驅動變頻器如上所示。我們可以看到IGBT的輸出與電機的輸入都是三相(電壓，電流的UVW)，而電機裡面的磁石只有S和N的兩極。同時，三相的UVW屬於靜止坐標，而電機在運行時屬於旋轉坐標，那麼我們要控制電機就需要按照我們的目的把三相的靜止坐標與二相的旋轉坐標進行互換。

我們先來俯瞰一下矢量控制的結構圖：

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