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          無刷直流電機的磁場定向控制

          發表時間:2021-07-22 17:41【 閱讀量:-

            磁場定向控制(FOC),又稱矢量控制,可以控制三相直流電機和步進電機;閱讀更多內容以了解其優勢、工作原理和最佳應用。


            什么是磁場定向控制(矢量控制)?


            磁場定向控制(FOC)是一種控制三相直流電機和步進電機的數學先進方法,可以在更高的速度下提供更高的效率和更準確的位置控制。FOC還具有為需要時使用電機的應用提供定位反饋的額外好處。對于電動機,扭矩變化比簡單地改變電流更難產生,盡管乍一看這可能是最明顯的假設。當電流垂直于轉子中的磁場時會產生轉矩。

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            FOC或矢量控制最常用于使用永磁體的無刷直流(BLDC)或直流電機。轉子的位置和磁場的相位需要是已知實體,以向電機軸提供扭矩。這可以通過不同的方式完成。本文將介紹霍爾效應傳感器,以便與矢量控制進行比較。這種比較將有助于顯示BLDC電機矢量控制的優缺點。


            磁場定向控制的優點


            在某些應用中,BLDC電機和步進電機比其他電機更具優勢。例如,與有刷電機相比,它們運行更安靜、更涼爽,運行更準確。與定子上帶有永磁體的有刷直流電機不同,BLDC電機在轉子上使用永磁體。


            這種差異允許消除傳統上用于電動機的電刷。在沒有電刷的情況下,BLDC電機需要一些外部設備來打開和關閉轉子中的電磁鐵。FOC或霍爾效應控制是兩種可用于控制BLDC電機中的電磁體的方法。

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            FOC與其他類型的電機控制相比具有優勢,因為它在電機速度達到極限時顯著提高了效率。與霍爾效應相比,它還具有實現更高最大速度的額外好處。由于FOC電機可以更高效地運行,因此FOC電機的運行溫度低于霍爾效應驅動電機,這使得它們可以用于熱量對過程有害的許多不同應用。


            BLDC電機可以進行更精確的定位和電機控制,使其適用于高精度應用,例如機器人和自動化控制所需的應用。


            磁場定向控制如何工作?


            BLDC和步進電機是多相電機——它們需要外部控制單元才能正常運行。為了更好地理解電機類型及其控制系統之間的差異,我們需要了解使電機工作的基本原理。


            所有電機都有一個稱為轉子的磁化旋轉軸。轉子周圍有一個電樞,該電樞也以某種方式被磁化。電樞和轉子之間的極性差異會產生一個力,使轉子在電樞內旋轉。與在電樞上使用電磁體的有刷電機不同,BLDC電機中的電磁體位于轉子上,而永磁體則放置在電樞上。


            這種布置允許電機在不需要電機內部的物理電刷的情況下運行。在沒有電刷的情況下,電機確實需要一個外部控制系統來切換電磁鐵的極性,使轉子完全旋轉。如前所述,霍爾效應控制和FOC是從外部控制BLDC電機內部極性的兩種方法。


            正交力和磁通量


            FOC通過改變電流來控制電機轉矩。然而,該過程比簡單地改變電流來改變轉矩值要復雜得多。當轉子在電樞內旋轉時,僅使用法向力來產生扭矩。正交力或磁通量是非正交電流,這兩個力值在電機中產生總轉矩值。

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            BLDC電機通常由定子中的三個永磁體組成,它們相距120度。當轉子的電磁鐵在定子上的永磁體內部通電時,它會產生一個法向力。然后軸可以開始旋轉;在這個階段,軸上的力開始從正交或直接變為正交或通量。如果電磁鐵的狀態不變,當磁場達到平衡且磁通分量達到最大時電機將停止。


            霍爾效應傳感器


            在沒有電刷的情況下,外部控制單元必須切換電磁鐵的磁性狀態,以最大化正交電流矢量?;魻栃獋鞲衅骺捎糜谥甘巨D子位置和開關狀態。但是,霍爾效應傳感器在切換電流值時會進行平方轉換;這就是效率低的地方。


            這種方法雖然有效,但當電機速度達到最大值時會滯后。這會導致電機運行效率低下,相當于浪費了能源和熱量。


            FOC比其簡單的堂兄霍爾效應控制更有效。但是,它需要使用霍爾效應傳感器或電機編碼器。


            矢量控制


            矢量控制使電流過渡平滑并不斷更新電磁體的狀態,因為它處于循環中而不是跟隨方波。該位置被傳送到FOC控制模塊。必須監測電流矢量的兩個分量:正交分量和通量分量。

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            通量的目標值為零,因此系統不斷波動,使通量值為零。隨著電機轉速的增加,磁通成為霍爾效應控制的一個日益嚴重的問題,因為狀態切換的影響變得更加明顯。更高的電機速度是矢量控制的主要優勢。由于控制單元不斷監測和調整以確保磁通矢量為零,因此有可能接近最大速度和效率。


            場定向控制在哪里有用?


            FOC可用于許多應用,因為許多行業都使用BLDC電機。例如,由于其先進的位置數據,它們被用于控制機械臂的電機。FOC還有助于將冷庫應用和溫度敏感過程等應用中的多余熱量降至最低。


            由于矢量控制電機中沒有電刷,接觸部件極少,大大降低了電機發出的噪音。這使得使用矢量控制的電機適用于低噪音和低振動應用。


            FOC或矢量控制是控制BLDC電機的最有效方法之一。與其他控制方法相比,這些選項提供了許多明顯的優勢,從而使電機更安靜、更高效、使用壽命更長、易損件更少。此外,BLDC電機可以非常精確地控制,使其適用于高精度應用和那些要求電機不會產生過多熱量的應用。

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