电机启动技术：第三部分

我在本系列的第一部分中讨论了使用我们的 InstaSPIN-FOC™ 技术启动无传感器电机，然后在第 2 部分中讨论了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。在这第三部分和在本系列的最后一部分，我将解释如何应对可能具有高达 100% 的高动态负载或额定扭矩输出的应用中的一些挑战。

连续角度跟踪

要真正解决这个问题，您需要能够在零速和极低速下连续估计转子磁通角，并在低速和高速观测器之间以稳定的方式过渡。InstaSPIN-FOC 技术正在提供一组新的库以使这成为可能。图书馆分为两部分：

· IPD_HFI：用于零速和低速操作的初始位置检测 (IPD) 和高频注入

· AFSEL：IPD_HFI 和 FAST 之间的逻辑转换

图 1. FAST 和 IPD_HFI 的操作频率

初始（零速）位置检测

IPD_HFI 模块的 IPD 部分使用定子线圈缠绕的铁的 BH 曲线来确定转子的北极，从而确定 d 轴。磁场强度将偏向定子的 BH 曲线工作点，如下图所示。定子线圈施加支持和相反的磁场。当两个场都支持时，BH 曲线被进一步推入饱和。当磁场相反时，BH 曲线工作点进一步移动到线性区域。这两个 BH 曲线工作点之间的电感差异允许 IPD 算法确定转子北极的位置。

图 2. 不同转子方向的 BH 曲线和相对位置

低速位置检测

一旦确定了转子的北极，为了获得最佳控制系统性能，必须在电机运行期间始终对其进行跟踪，即使在启动和 FAST 之间的极短时间也能够可靠地提供有效的角度估计。IPD_HFI 解决方案使用高频信号来跟踪北极。然而，这种能力依赖于具有大凸极的电机设计。可以通过将转子磁体放置在转子表面下方并在两极之间留下转子铁的间隙来引入显着性。将此与非突出的表面安装设计进行对比。

图 3. 突出与非突出转子设计

对于突出型，由于磁性材料的相对磁导率远低于周围的铁，因此流过磁体的磁通量的磁阻差大于铁路径的磁阻。随着转子的角度前进，磁阻具有周期性变化。如果在定子的线圈上测量电感，则如下所示：

图 4. 高凸极转子的电感变化

IPD_HFI 的 HFI 部分使用此信息在转子低速旋转时保持锁定在转子的北极上。为了确保其角度锁定在北极而不是南极峰上，HFI 由 IPD 部分初始化为 D 轴北极。用于激发该特征的高频信号是根据电机的时间常数来选择的。

过渡逻辑

HFI 算法在低速下工作得很好，但它有一个最大速度限制。在达到这个最大速度限制之前，必须将控制权交给像 FAST 这样的更高速度的观察者。在低速 (HFI) 和高速 (FAST) 估计器之间进行选择的模块是角频率选择 (AFSEL)。AFSEL 需要来自低速和高速估计器的角度和频率输入以及控制从一个估计器传递到另一个估计器的速度。 

图 5. 具有 FAST (EST)、IPD_HFI 和 AFSEL 的 InstaSPIN-FOC

限制

除了需要凸极转子设计外，关键限制之一是通过电机的电流对凸极效应的影响。要在负载下启动电机，电机必须消耗足够的电流以产生所需的扭矩。随着电流的增加，磁阻变化减小，因此电感变化减小，并且 HFI 部分将无法精确地估计角度位置以使扭矩产生最大化。这必须经过测试，并且高度依赖于电机设计和初始显着性（变化）。越多越好。

示例实现

从MotorWare版本 1.01.00.14开始，“扭矩控制”实施示例已发布为“proj_lab21”

最初，该项目刚刚发布在带有我们的 C2000™ Piccolo™ F28069 微控制器的DRV8301 Rev D EVM逆变器上。在 MotorWare™ 的未来版本中，支持将扩展到逆变器和控制器的不同组合以及进一步的系统示例，例如“速度控制”。