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无刷直流电机的磁场定向控制

发表时间:2021-07-22 17:41【

  磁场定向控制(FOC),又称矢量控制,可以控制三相直流电机和步进电机;阅读更多内容以了解其优势、工作原理和最佳应用。


  什么是磁场定向控制(矢量控制)?


  磁场定向控制(FOC)是一种控制三相直流电机和步进电机的数学先进方法,可以在更高的速度下提供更高的效率和更准确的位置控制。FOC还具有为需要时使用电机的应用提供定位反馈的额外好处。对于电动机,扭矩变化比简单地改变电流更难产生,尽管乍一看这可能是最明显的假设。当电流垂直于转子中的磁场时会产生转矩。

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  FOC或矢量控制最常用于使用永磁体的无刷直流(BLDC)或直流电机。转子的位置和磁场的相位需要是已知实体,以向电机轴提供扭矩。这可以通过不同的方式完成。本文将介绍霍尔效应传感器,以便与矢量控制进行比较。这种比较将有助于显示BLDC电机矢量控制的优缺点。


  磁场定向控制的优点


  在某些应用中,BLDC电机和步进电机比其他电机更具优势。例如,与有刷电机相比,它们运行更安静、更凉爽,运行更准确。与定子上带有永磁体的有刷直流电机不同,BLDC电机在转子上使用永磁体。


  这种差异允许消除传统上用于电动机的电刷。在没有电刷的情况下,BLDC电机需要一些外部设备来打开和关闭转子中的电磁铁。FOC或霍尔效应控制是两种可用于控制BLDC电机中的电磁体的方法。

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  FOC与其他类型的电机控制相比具有优势,因为它在电机速度达到极限时显着提高了效率。与霍尔效应相比,它还具有实现更高最大速度的额外好处。由于FOC电机可以更高效地运行,因此FOC电机的运行温度低于霍尔效应驱动电机,这使得它们可以用于热量对过程有害的许多不同应用。


  BLDC电机可以进行更精确的定位和电机控制,使其适用于高精度应用,例如机器人和自动化控制所需的应用。


  磁场定向控制如何工作?


  BLDC和步进电机是多相电机——它们需要外部控制单元才能正常运行。为了更好地理解电机类型及其控制系统之间的差异,我们需要了解使电机工作的基本原理。


  所有电机都有一个称为转子的磁化旋转轴。转子周围有一个电枢,该电枢也以某种方式被磁化。电枢和转子之间的极性差异会产生一个力,使转子在电枢内旋转。与在电枢上使用电磁体的有刷电机不同,BLDC电机中的电磁体位于转子上,而永磁体则放置在电枢上。


  这种布置允许电机在不需要电机内部的物理电刷的情况下运行。在没有电刷的情况下,电机确实需要一个外部控制系统来切换电磁铁的极性,使转子完全旋转。如前所述,霍尔效应控制和FOC是从外部控制BLDC电机内部极性的两种方法。


  正交力和磁通量


  FOC通过改变电流来控制电机转矩。然而,该过程比简单地改变电流来改变转矩值要复杂得多。当转子在电枢内旋转时,仅使用法向力来产生扭矩。正交力或磁通量是非正交电流,这两个力值在电机中产生总转矩值。

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  BLDC电机通常由定子中的三个永磁体组成,它们相距120度。当转子的电磁铁在定子上的永磁体内部通电时,它会产生一个法向力。然后轴可以开始旋转;在这个阶段,轴上的力开始从正交或直接变为正交或通量。如果电磁铁的状态不变,当磁场达到平衡且磁通分量达到最大时电机将停止。


  霍尔效应传感器


  在没有电刷的情况下,外部控制单元必须切换电磁铁的磁性状态,以最大化正交电流矢量。霍尔效应传感器可用于指示转子位置和开关状态。但是,霍尔效应传感器在切换电流值时会进行平方转换;这就是效率低的地方。


  这种方法虽然有效,但当电机速度达到最大值时会滞后。这会导致电机运行效率低下,相当于浪费了能源和热量。


  FOC比其简单的堂兄霍尔效应控制更有效。但是,它需要使用霍尔效应传感器或电机编码器。


  矢量控制


  矢量控制使电流过渡平滑并不断更新电磁体的状态,因为它处于循环中而不是跟随方波。该位置被传送到FOC控制模块。必须监测电流矢量的两个分量:正交分量和通量分量。

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  通量的目标值为零,因此系统不断波动,使通量值为零。随着电机转速的增加,磁通成为霍尔效应控制的一个日益严重的问题,因为状态切换的影响变得更加明显。更高的电机速度是矢量控制的主要优势。由于控制单元不断监测和调整以确保磁通矢量为零,因此有可能接近最大速度和效率。


  场定向控制在哪里有用?


  FOC可用于许多应用,因为许多行业都使用BLDC电机。例如,由于其先进的位置数据,它们被用于控制机械臂的电机。FOC还有助于将冷库应用和温度敏感过程等应用中的多余热量降至最低。


  由于矢量控制电机中没有电刷,接触部件极少,大大降低了电机发出的噪音。这使得使用矢量控制的电机适用于低噪音和低振动应用。


  FOC或矢量控制是控制BLDC电机的最有效方法之一。与其他控制方法相比,这些选项提供了许多明显的优势,从而使电机更安静、更高效、使用寿命更长、易损件更少。此外,BLDC电机可以非常精确地控制,使其适用于高精度应用和那些要求电机不会产生过多热量的应用。

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