电机启动技术：第一部分

本文讨论了三相同步电机的不同“无传感器”启动技术，特别是这些技术如何应用于 DRV10x 系列集成电机控制器。在这个由三部分组成的博客系列中，我将讨论 TI 高性能InstaSPIN-FOC ™ 解决方案的启动选项。

三相电动机是指当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

三相同步电机是交流旋转电机的一种，因其转速恒等于三相同步转速而得名。三相同步电机主要用作发电机，也可用作电动机和调相机。现代电力工业中，无论是火力发电、水力发电，还是核能发电，几乎全部采用三相同步发电机。

三相同步电动机由于具有在电源电压波动或负载转矩变化时，仍可保持其转速恒定不变的良好特性，因而被广泛应用于驱动不要求调速和功率较大的机械设备中，如轧钢机、透平压缩机、鼓风机、各种泵和变流机组等；或者用于驱动功率虽不大，但转速较低的各种球磨机和往复式压缩机；还可用于驱动大型船舶的推进器等。近年来，由于可控硅变频装置技术日渐成熟和大型化，使同步电动机也能够通过变频而作调速运行。因此，在一定的控制方式下，三相同步电动机的运行特性与他励式直流电动机的工作特性相似，从而更扩大了它的使用范围。

无传感器控制主要应用于大部分操作时间处于较高电频率（机械速度）的应用。这主要是因为大多数无传感器技术需要反电动势信号，该反电动势信号由转子以最小频率旋转产生。使用 InstaSPIN-FOC 解决方案中使用的FAST™软件观察器，此最小操作频率远低于其他观察器，有时低于 1 Hz。但它仍然需要最低频率。

图 1：FAST 软件观察器的操作频率

InstaSPIN-FOC 的默认启动能力在概念上与第一部分和第二部分讨论的方法相似，但是 FAST 的独特能力是快速（小于 1 Hz）开始在非常低的转子速度下提供准确的转子角度估计意味着用于启动的技术只需要在很短的时间内应用。这是提供稳健启动的巨大优势，尤其是在具有高动态负载的应用中。

InstaSPIN-FOC 中的主要启动技术称为 ForceAngle。ForceAngle 在InstaSPIN 用户指南中进行了描述，主要是第 14.3 章。

图 2：InstaSPIN-FOC 系统中使用的估计或强制转子磁通角

初始 - 直到测量到足够的 Bemf，FAST 可以开始正确估计 - 转子磁通角是未知的。在禁用 ForceAngle 软件标志的情况下，FAST 观测器的角度输出用于驻车和逆驻车变换的磁场定向控制系统。在 FAST 有足够的 Bemf 电压反馈之前，估计值是不可预测的。但是这个估计的角度——即使是不正确的——将馈送到将应用于电机的控制系统，这可能会导致转子运动。只需少量的转子运动，就可以产生足够的 Bemf 电压，使 FAST 可以收敛到合理的角度估计值，从而使受控的高扭矩驱动进入一个出色的操作区域。所以如果为转子运动产生足够的扭矩，这种方法可以用来启动电机，

要进行更规范的启动，建议启用 ForceAngle 标志。启用 ForceAngle 时，通过模拟以固定频率移动的转子的角度来生成估计的角度，该频率由用户通过变量 USER_FORCE_ANGLE_FREQ_Hz 设置。使用此模拟旋转角度，直到从 FAST 估计的频率大于由 USER_ZEROSPEEDLIMIT 设置的用户规定限制。始终建议保持 FORCE_ANGLE_FREQ 至少比 ZEROSPEEDLIMIT 频率大两倍，以确保转子实际上将被驱动超过 FAST 所需的低速限制以产生合理的估计。

例如，如果在测试中确定 FAST 提供了 2 Hz 的合理估计值，您将设置以下两个变量：

#define USER_ZEROSPEEDLIMIT (2.0 / USER_IQ_FULL_SCALE_FREQ_Hz)

// 当启用 ForceAngle 标志 USER_ZEROSPEEDLIMIT * USER_IQ_FULL_SCALE_FREQ_Hz = 使用 FAST 代替 ForcedAngle 的频率限制：

#define USER_FORCE_ANGLE_FREQ_Hz (4.0)

// 保证仿真激励大于频率限制以提供更稳健的启动。

请继续关注本系列的下一部分，了解如何在启动时产生足够的扭矩并在旋转电机时将其最大化。