电机磁场导向控制FOC(一)克拉克变换与帕克变换

永磁同步电机的转子是永磁体,定子是三相交流绕组。

由于磁力的作用,转子N极一直与定子的S极相互吸引,转子S极一直与定子的N极相互吸引。

我们让定子绕组产生的磁场旋转起来,转子也就会跟随着旋转。我们让定子绕组产生的磁场停止旋转,转子也就停止旋转。

如何让定子产生的旋转磁场?答案是通入三相交流电。

实际上,用三相交流电产生旋转的磁场来驱动电机,在工业上早已广泛运用,最经典的例子是鼠笼式异步电机。

三相交流电是正弦波的电流,如果能控制正弦波的波形及频率,就能控制电机的运动状态。

克拉克变换

根据大学专业课《电路原理》可知,三相交流电可以描述为三个夹脚为120度的矢量: i_a,i_b,i_c

为了后续分析,我们需要将这三个向量,变成垂直的两个矢量。变化过程也很容易,只需向这两个向量投影即可:

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\left[\begin{array}{l} I_\alpha \\ I_\beta \end{array}\right]=\left[\begin{array}{rrr} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} i_a \\ i_b \\ i_c \end{array}\right]

还是为了方便计算(想让 i_a=I_\alpha ),投影后做了一定的缩放,加了个系数 \frac{2}{3}

\left[\begin{array}{l} I_\alpha \\ I_\beta \end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{rrr} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\ 0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \end{array}\right]\left[\begin{array}{l} i_a \\ i_b \\ i_c \end{array}\right]

帕克变换

我们在转子上建立一个坐标系,Q轴垂直于转子磁场方向,D轴与转子磁场方向。

image

经过克拉克变换后,可以用一对垂直的向量,来描述电流的变化。定子磁场(电流)旋转,这对垂直的向量也在旋转。而转子是与定子磁场吸在一起的,也就是说 I_\alpha,I_\beta 转动的时候,Q-D轴也在转动,那么能否将Q-D轴与 I_\alpha-I_\beta 轴等价呢?答案是不能。

如果电机只有一对永磁铁(一对磁极),那么电机旋转一圈,螺线管里的正弦波正好一个周期(电角度转一圈)。

但是很多电机有多对永磁铁(多对磁极),那么电机旋转一圈,螺线管里的正弦波会经过好几个周期(电角度转好几圈)。

我们用 \theta 表示是电角度,它和电机转角的关系为:

\theta=\theta_\text{电机转角}\times \text{极对数}

于是可以得到Q-D坐标系与 I_\alpha,I_\beta 坐标的转换关系:

\left[\begin{array}{l} i_d \\ i_q \end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc} \cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \end{array}\right]\left[\begin{array}{c} I_a \\ I_\beta \end{array}\right]

在电机控制中, i_d 产生的磁场与定子磁场方向一致,表现为定子与转子的吸合力。 i_q 产生的磁场与定子磁场垂直,表现为转矩。

至此,我们已经可以根据想要的转矩( i_q )和角度( \theta_\text{电机转角} ),计算出三相电 i_a,i_b,i_c

帕克变换逆变换与克拉克变换逆变换

克拉克变换和帕克变换是根据 i_a,i_b,i_c 推导出 i_q,i_d ,而在编程的时候,我们是根据 i_q,i_d i_a,i_b,i_c ,所以要反过来,整理一下公式:

\left\{\begin{aligned} & i_a=i_d \cos \theta-i_q \sin \theta \\ & i_\beta=i_q \cos \theta+i_d \sin \theta \end{aligned}\right.

\left\{\begin{array}{c} i_a =& I_\alpha \\ i_b =& (\sqrt{3} I_\beta-I_\alpha)/2 \\ i_c =& -i_a-i_b \end{array}\right.

posted @ 2024-07-10 02:25:50
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