使用弱磁技術實現交流感應電機(ACIM)的無傳感器磁場定向控

1、2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第1頁AN1206簡介從消費應用到汽車應用領域，不同功率和體積的交流感應電機（AC induction motor，ACIM ）都獲得了廣泛的應用。在眾多可能的應用中，一些應用場合需要具備高速運行能力，而只需在低速時輸出高轉矩。屬于消費應用的洗衣機和電力機車中的牽引應用是具有這一需求的兩種應用場合。這些要求促使了一種被認為是“弱磁”的感應電機控制技術的產生。本應用筆記介紹了如何使用dsPIC ®數字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC ）對交流感應電機實現具有弱磁控制

2、功能的無傳感器磁場定向控制（FOC ），從而實現擴展轉速范圍的高性能控制。本應用筆記是AN1162（交流感應電機（ACIM ）的無傳感器磁場定向控制（FOC ），該應用筆記也包含了弱磁控制模塊的設計細節(jié)）的擴展。本應用筆記在給出一些概念之前假定讀者已閱讀AN1162并熟悉其中的相關內容。控制策略無傳感器磁場定向控制應用于ACIM 的磁場定向控制原理是以實現勵磁電流分量和轉矩電流分量之間的解耦為基礎。這種解耦使感應電機控制能像直流電機控制一樣簡單。磁場定向控制技術意味著需要實現從靜止定子坐標系到旋轉的轉子坐標系之間的變換。這種變換使得定子電流分量之間的解耦成為可能，即可實現勵磁電流分量和轉矩電流

3、分量之間的解耦。這種解耦策略是基于轉子旋轉坐標系下的感應電機數學方程。在將靜止定子坐標系變換到轉子旋轉坐標系時，需要確定轉子磁通的位置。轉子位置可通過直接測量或使用其他可測參數(如相電流和相電壓 來估計。術語“無傳感器”控制表示省卻了轉速測量傳感器。圖1給出了磁場定向控制的控制框圖，并對各組成部分進行了介紹。特別需要指出，弱磁模塊需要使用電機機械轉速作為輸入，其輸出將產生與勵磁電流分量相對應的d 軸電流。有關交流感應電機磁場定向控制方面的其他信息，可參閱AN1162（參見“參考文獻”）。第一作者：Mihai ChelesMicrochip Technology Inc.第二作者：Dr.-Ing

4、. Hafedh SammoudAPPCON Technologies SUARL使用弱磁技術實現交流感應電機（ACIM ）的無傳感器磁場定向控制（FOC ） AN1206弱磁控制弱磁控制指的是使電機轉速能夠高于恒轉矩區(qū)域所能實現最高轉速的控制策略。交流感應電機磁場定向控制的恒轉矩區(qū)域與恒功率區(qū)域（即弱磁）的區(qū)別在于，能夠提供給電機的最大電壓不同。在恒功率區(qū)域，大多數情況下最大電壓是逆變器輸出的特征參數。在弱磁運行區(qū)域限制以下的整個轉速范圍，電機的最大輸出轉矩是恒定的，但是一旦轉速超過這一限定值，最大轉矩值將減小，如圖2所示。圖 2：感應電機的（理論）特性恒功率區(qū)域弱磁恒轉矩區(qū)域電壓（V ）轉

5、矩(T相電流 (I轉矩、電壓和電流速度0 AN1206DS01206A_CN 第4頁 2008 Microchip Technology Inc.感應電機的轉矩由公式1表示。公式 1：通過選擇勵磁電流來實現最大轉矩電流比，可獲得電機的額定轉矩。理論上，如果不考慮磁飽和現象，那么在所有可允許的定子電流范圍內，當勵磁電流（i mR ）等于定子電流的轉矩電流分量（i Sq ）時可獲得最大的轉矩電流比。勵磁電流分量負責產生勵磁磁通。該分量取決于電流的d 軸分量，如公式2所示。公式 2：圖 3：最大轉矩（理論值）T 32-P 2-11R +-mR i Sq=其中：T = 轉矩P = 極對數mR = 磁通

6、i Sq = 轉矩電流分量R = L R = 轉子電感 L M = 互感L RL M -1T R di mRdt-i mR +i Sd=其中：T R = 轉子時間常數i mR = 勵磁電流i Sd = 勵磁電流分量0,70710轉矩 (TIsq / isis*is1,5 is*2 is*2,5 is*2,5 is2 is1,5 is非飽和鐵心 (理想值飽和鐵心(實際值2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第5頁AN1206當實際運行中電機處于磁飽和狀態(tài)時，在相同的定子電流范圍內，電機實際的最大轉矩電流比將不能實現給定的勵磁電流/轉矩電流比設定值。勵

7、磁磁通增加與勵磁電流存在非線性關系，即實現較小的磁通增加需要施加較大的電流。因此，如果想要獲得最大的轉矩電流比，建議將大部分的電流增量設置于轉矩電流分量的調節(jié)上。逆變器的功率限制和高轉速運行的需求可通過降低轉矩輸出來同時滿足。弱磁控制是適合機車牽引或家用電器這種只有在低速運行時才需要高轉矩輸出的應用場合的最佳策略。弱磁運行過程中，當轉矩降低時，就需要考慮保持較高的轉矩電流比。同時，考慮到公式3，反電動勢（BEMF ）將與轉子的速度成正比。因此，當公式的右邊項等于逆變器最大電壓時（即左邊項）時，最高的可實現轉速將受到限制。當通過降低勵磁電流來實現BEMF 減小的目的時，將使得轉速增加獲得更大的空

8、間，但同時，根據公式1，轉矩也將減小。公式3：圖4給出了公式3的圖形表示，其中U max 為最大電壓。定子電壓的d-q 兩個分量與定子電壓矢量之間的關系由公式4（取模）表示。公式 4：由公式4可知，最大定子電壓限制實際上是對d 和q 兩個分量項電壓的限制。根據控制方案可知，這一限制是由于d-q 電流控制器出現飽和而造成的。減小勵磁電流將使得控制器退出飽和并使系統(tǒng)擺脫圖4所示的限制狀態(tài)。其中：S = 定子電壓矢量S = 定子電流矢量R S = 定子電阻 = 角速度 = L S = 定子電感L R = 轉子電感L M = 互感1L M2L S L R -S R S j L S +(S j 1(L

9、S mR+=BEMFu S Sd u Sq+=其中：u S = 定子電壓u Sd = 勵磁電壓分量u Sq = 轉矩電壓分量AN1206DS01206A_CN 第6頁 2008 Microchip Technology Inc.圖 4：定子方程的表示dq逆變器輸出限制 U maxj 1(S mRj L S SS S SS mR2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第7頁AN1206所提出的解決方案采用轉子速度作為弱磁模塊的輸入。勵磁電流是轉速的函數，對其的調節(jié)可使控制系統(tǒng)避免受到前面所述限制的影響。BEMF 穩(wěn)態(tài)幅值取決于勵磁電流。它的減小將導致公

10、式4中的右邊項小于逆變器最大運行電壓幅值。圖5對這一情形進行了描述。在確定弱磁運行時的逆變器輸出穩(wěn)態(tài)電壓指定值時，必須考慮以下兩個標準：在任何時刻都應具備應對負載變化或在出現加速命令時能夠增加輸出電壓的能力這解讀為最大電壓余量；可實現最大逆變器輸出電壓以使電機電流最小，從而實現高效率這解讀為最小電壓余量根據經驗，電壓余量應在10%至25%之間，以同時滿足上述兩個標準。由于當前應用無需考慮高瞬態(tài)性能或負載變化的要求，因此選擇15%的電壓余量。由于速度變化是緩慢實現的（即瞬態(tài)性能要求不高），因此無需額外的磁通控制器。只需將弱磁模塊的輸出直接連接到電流控制器。勵磁電流是轉子速度的函數，該電流的確定是

11、通過一系列開環(huán)V/Hz的空載實驗來獲得的。對于每一組實驗，V/Hz 比都將改變。在頻率變化以及85%的最大逆變器輸出電壓實驗條件下，通過測量電流的d 軸分量（表示穩(wěn)態(tài)的勵磁電流）來獲得勵磁電流。假定電機運行于空載條件下，由于此時沒有轉矩產生（不考慮軸承摩擦因素，該影響非常?。?，因此穩(wěn)態(tài)時d 軸電流分量等于勵磁電流。如圖6所示，對幾個不同實驗中獲得的數值進行了匯總來表征勵磁電流和頻率的函數關系。圖 5：定子電壓余量方程dq電壓余量逆變器輸出限制U maxj 1(L S mRR S SSj L S SmR S=AN1206 DS01206A_CN 第8頁 2008 Microchip Techno

12、logy Inc.如前所述，轉子磁通隨勵磁電流的變化呈現非線性關系，這是由于鐵心可能出現飽和。公式5給出了轉子磁通、勵磁電流和互感之間的關系。公式 5：在確定L 0電感時，可假定L S = L R 。在空載條件下，可計算出L S ，如公式6所示：公式6：mRmR i L =0其中：mR = 勵磁磁通L 0 = L M （互感）i mR = 勵磁電流其中：u S = 定子電壓i S = 定子電流L S = 定子電感R S = 定子電阻S = 定子角速度L S 1S -S 2i S2-R S 2=2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第9頁AN1206

13、考慮到L S 和L R 可能發(fā)生變化而L 0假定保持不變，L S 變化曲線的確定將使得該結果足以推廣到其他電感參數。圖7顯示了實驗結果，從中可見在基速和最大轉速之間L S 最大的變化大約是25%。Excel 文件MagnetizingCurve_FW.xls中給出了用于獲取磁化和定子電感（L S ）變化曲線的實驗結果示例，該文件位于軟件歸檔中（參見附錄A ： “源代碼”）。 AN1206DS01206A_CN 第10頁 2008 Microchip Technology Inc.軟件實現本應用筆記對AN1162（交流感應電機（ACIM ）的無傳感器磁場定向控制（FOC ）（參見“參考文獻”）進

14、行了擴展和增強。擴展增強部分包括設計了新的弱磁模塊以及增加了現有參數變量受到弱磁運行影響時的自適應功能。C 編程函數和變量弱磁模塊以參考機械轉速作為輸入，而以勵磁電流的參考值作為輸出。每十毫秒將調用一次該函數，調用頻率可由頭文件UserParms.h 中定義的UpdateTime 常量來設定。UserParms.h 定義了磁化曲線的查詢表。當參考指令（斜坡發(fā)生器輸出）高于恒轉矩區(qū)域確定的速度限制，將施加弱磁控制。定義一個18x 整數數組并通過查詢表對其進行初始化。在計算勵磁電流i mR 的參考值時，使用插值的方法來使曲線光滑。對于每一個速度參考值，都通過計算一個指針來訪問查詢表中相應的單元，如

15、示例1所示。在例1中，qMotorSpeed 表示速度參考值，而qFwOnSpeed 為弱磁控制切入時的初始速度。它們之間的偏差除以210即可獲得訪問查詢表所需的指針。除法項反映了前述通過實驗獲得磁化曲線采樣的間隔粒度。勵磁電流的參考值在FdWeakParm.qFwCurveFdWeakParm.qIndex 和FdWeakParm.qFwCurveFdWeakParm.qIndex +1之間。MotorEstimParm.qL0FW 表征定子電感（L S ）變化曲線上數據點的間隔，該值從磁化曲線確定實驗中獲得，其中轉速為確定定子電感（L S0）時基速值的兩倍。為了獲得更為準確的結果，通過對由

16、確定定子電感變化曲線的實驗所獲得的相鄰兩個實驗結果進行插值計算來獲得L S 。如例2所示，計算了插值部分。執(zhí)行弱磁功能的函數FieldWeakening 在C 文件FieldWeakening.c 中進行了定義，其性能包括：執(zhí)行時間：51周期時鐘速度： 7.2-8.5 µs 29.491 MHz代碼長度： 212字RAM ：46字如前面部分所指出，弱磁區(qū)域運行時必須對互感進行自適應修正?？紤]到所有電感變化規(guī)律為一致的假定條件，互感的自適應律可采用公式7。圖8描述了根據電機轉速變化時互感（L 0）的變化。例1：例2：公式7：/ FW表中的指針FdWeakParm.qIndex = (q

17、MotorSpeed - FdWeakParm.qFwOnSpeed >> 10;/ 對表中兩個結果之間實現插值FdWeakParm.qIdRef=FdWeakParm.qFwCurveFdWeakParm.qIndex-(long(FdWeakParm.qFwCurveFdWeakParm.qIndex-FdWeakParm.qFwCurveFdWeakParm.qIndex+1* (long(qMotorSpeed-(FdWeakParm.qIndex<<10+FdWeakParm.qFwOnSpeed>>10;其中具有指針0的測量結果是與基速對應的值。

18、MotorEstimParm.qL0Fw 214L S L S 0-214L R L R 0-214L ML M 0-=2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第11頁AN1206圖8：弱磁運行時的互感的自適應律包括電機常數在內的所有其他磁場定向控制所使用的變量也都進行自適應調整以減小弱磁運行時的誤差。這些變量為：MotorEstimParm.qInvTr MotorEstimParm.qLsDt MotorEstimParm.qInvPsi MotorEstimParm.qRrInvTr所有軟件功能主要最初設計為針對恒功率運行區(qū)域，考慮到了電機參數

19、常量；因此，當弱磁運行過程中轉速增加時，考慮到參數會發(fā)生變化，設計了參數自適應功能。實現自適應功能的函數AdaptEstimParm 在FieldWeakening.c 中進行定義，且具有以下性能：執(zhí)行時間：1800周期時鐘速度： 7.2-8.5 µs 29.491 MHz代碼長度：218 字RAM ：62字圖9給出的實驗結果顯示弱磁運行時系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和正確的速度控制曲線。012345678910時間（秒）5101520x 103速度參考（ R P M ）0123456789105000時間（秒）1000015000q L 0F W標幺值AN1206DS01206A_CN 第

20、12頁 2008 Microchip Technology Inc.圖 9：對ACIM 采用具有弱磁控制功能的無傳感器磁場定向控制的實驗結果表1給出了實測的轉矩-轉速關系曲線和效率結果（計算時包括電機和逆變器）。表 1：轉矩-轉速實驗結果結論本應用筆記提供了一種基于Microchip 的dsPIC30F 和dsPIC33F 數字信號控制器對ACIM 實現具有弱磁控制功能的無傳感器磁場定向控制的解決方案。該應用開發(fā)在先前發(fā)表的應用筆記AN1162基礎上進行了擴展和補充，提供了感應電機驅動的高性能、寬轉速控制解決方案。參考文獻AN1162交流感應電機（ACIM ）的無傳感器磁場定向控制（FOC ）

21、（DS01162A_CN），Microchip Technology Inc., 2008時間（秒）時間（秒）速度（ R P M ）l d , l q標幺值20x 1031550100123456789101000050000-500012345678910速度參考估計的轉子速度ld lq轉速（RPM ）轉矩（N*m）機械輸出功率（W ）輸入電功率（W ）效率（%）94000685000468000.536047076.611001.1513525054.02008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第

22、13頁AN1206附錄A ：源代碼本應用筆記中提到的所有軟件都可從一個WinZip 歸檔文件中獲得。該歸檔文件可從如下Microchip 公司網站下載：軟件許可協(xié)議Microchip Technology Incorporated （以下簡稱“本公司”）在此提供的軟件旨在向本公司客戶提供專門用于Microchip 生產的產品的軟件。本軟件為本公司和/或其供應商所有，并受到適用的版權法保護。版權所有。使用時違反前述約束的用戶可能會依法受到刑事制裁，并可能由于違背本許可的條款和條件而承擔民事責任。本軟件是按“現狀”提供的。任何形式的保證，無論是明示的、暗示的或法定的，包括但不限于有關適銷性和特定用

23、途的暗示保證，均不適用于本軟件。對于在任何情況下、因任何原因造成的特殊的、附帶的或間接的損害，本公司概不負責。AN1206DS01206A_CN 第14頁 2008 Microchip Technology Inc.注：2008 Microchip Technology Inc.DS01206A_CN 第15 頁提供本文檔的中文版本僅為了便于理解。請勿忽視文檔中包含的英文部分，因為其中提供了有關Microchip 產品性能和使用情況的有用信息。Microchip Technology Inc.及其分公司和相關公司、各級主管與員工及事務代理機構對譯文中可能存在的任何差錯不承擔任何責任。建議參考M

24、icrochip TechnologyInc. 的英文原版文檔。本出版物中所述的器件應用信息及其他類似內容僅為您提供便利，它們可能由更新之信息所替代。確保應用符合技術規(guī)范，是您自身應負的責任。Microchip 對這些信息不作任何明示或暗示、書面或口頭、法定或其他形式的聲明或擔保，包括但不限于針對其使用情況、質量、性能、適銷性或特定用途的適用性的聲明或擔保。Microchip 對因這些信息及使用這些信息而引起的后果不承擔任何責任。如果將Microchip 器件用于生命維持和/或生命安全應用，一切風險由買方自負。買方同意在由此引發(fā)任何一切傷害、索賠、訴訟或費用時，會維護和保障Microchip

25、免于承擔法律責任，并加以賠償。在Microchip 知識產權保護下，不得暗中或以其他方式轉讓任何許可證。商標Microchip 的名稱和徽標組合、Microchip 徽標、Accuron 、dsPIC 、K EE L OQ 、K EE L OQ 徽標、MPLAB 、PIC 、PICmicro 、PICSTART 、rfPIC 、SmartShun 和 UNI/O均為Microchip Technology Inc. 在美國和其他國家或地區(qū)的注冊商標。FilterLab 、Linear Active Thermistor、MXDEV 、MXLAB 、SEEVAL 、SmartSensor 和Th

26、e Embedded Control Solutions Company 均為Microchip Technology Inc. 在美國的注冊商標。Analog-for-the-Digital Age、Application Maestro、CodeGuard 、dsPICDEM 、dsPICDEM.net 、dsPICworks 、dsSPEAK 、ECAN 、ECONOMONITOR 、FanSense 、In-Circuit Serial Programming、ICSP 、ICEPIC 、Mindi 、MiWi 、MPASM 、MPLAB Certified徽標、MPLIB 、MPLI

27、NK 、mTouch 、PICkit 、PICDEM 、PICDEM.net 、PICtail 、PIC 32徽標、PowerCal 、PowerInfo 、PowerMate 、PowerTool 、REAL ICE、rfLAB 、Select Mode、Total Endurance、WiperLock 和ZENA 均為Microchip Technology Inc.在美國和其他國家或地區(qū)的商標。SQTP 是Microchip Technology Inc. 在美國的服務標記。在此提及的所有其他商標均為各持有公司所有。© 2008, Microchip Technology I

28、nc. 版權所有。請注意以下有關Microchip 器件代碼保護功能的要點：Microchip 的產品均達到Microchip 數據手冊中所述的技術指標。Microchip 確信：在正常使用的情況下，Microchip 系列產品是當今市場上同類產品中最安全的產品之一。目前，仍存在著惡意、甚至是非法破壞代碼保護功能的行為。就我們所知，所有這些行為都不是以Microchip 數據手冊中規(guī)定的操作規(guī)范來使用Microchip 產品的。這樣做的人極可能侵犯了知識產權。Microchip 愿與那些注重代碼完整性的客戶合作。Microchip 或任何其他半導體廠商均無法保證其代碼的安全性。代碼保護并不意味

29、著我們保證產品是“牢不可破”的。代碼保護功能處于持續(xù)發(fā)展中。Microchip 承諾將不斷改進產品的代碼保護功能。任何試圖破壞Microchip 代碼保護功能的行為均可視為違反了數字器件千年版權法案（Digital Millennium Copyright Act）。如果這種行為導致他人在未經授權的情況下，能訪問您的軟件或其他受版權保護的成果，您有權依據該法案提起訴訟，從而制止這種行為。Microchip 位于美國亞利桑那州Chandler 和Tempe 與位于俄勒岡州Gresham 的全球總部、設計和晶圓生產廠及位于美國加利福尼亞州和印度的設計中心均通過了ISO/TS-16949:2002認

30、證。公司在PIC ®MCU 與dsPIC ® DSC、K EE L OQ ®跳碼器件、串行EEPROM 、單片機外設、非易失性存儲器和模擬產品方面的質量體系流程均符合ISO/TS-16949:2002。此外，Microchip 在開發(fā)系統(tǒng)的設計和生產方面的質量體系也已通過了ISO 9001:2000 認證。全球銷售及服務網點 美洲 公司總部 Corporate Office 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ 85224-6199 Tel: 1-480-792-7200 Fax: 1-480-792-7277 技術支持： 網

31、址： 亞特蘭大 Atlanta Duluth, GA Tel: 678-957-9614 Fax: 678-957-1455 波士頓 Boston Westborough, MA Tel: 1-774-760-0087 Fax: 1-774-760-0088 芝加哥 Chicago Itasca, IL Tel: 1-630-285-0071 Fax: 1-630-285-0075 達拉斯 Dallas Addison, TX Tel: 1-972-818-7423 Fax: 1-972-818-2924 底特律 Detroit Farmington Hills, MI Tel: 1-248-

32、538-2250 Fax: 1-248-538-2260 科科莫 Kokomo Kokomo, IN Tel: 1-765-864-8360 Fax: 1-765-864-8387 洛杉磯 Los Angeles Mission Viejo, CA Tel: 1-949-462-9523 Fax: 1-949-462-9608 圣克拉拉 Santa Clara Santa Clara, CA Tel: 408-961-6444 Fax: 408-961-6445 加拿大多倫多 Toronto Mississauga, Ontario, Canada Tel: 1-905-673-0699 Fa

33、x: 1-905-673-6509 亞太地區(qū) 亞太總部 Asia Pacific Office Suites 3707-14, 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: 852-2401-1200 Fax: 852-2401-3431 中國 - 北京 Tel: 86-10-8528-2100 Fax: 86-10-8528-2104 中國 - 成都 Tel: 86-28-8665-5511 Fax: 86-28-8665-7889 中國 - 香港特別行政區(qū) Tel: 852-2401-1200 Fa

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