低速时的高性能电机控制应用

无传感器电机控制主要应用于大部分工作时间处于较高电气频率(机械速度)的应用。这主要是因为大多数无传感器技术需要由转子以最小频率旋转产生的反电动势 (Bemf) 信号。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估计器之间稳定移动，可以提高负载下无传感器启动的有效性。

您可能知道在 InstaSPIN-FOC 软件中使用的 TI 的 FAST 软件观察器。FAST 的最低工作频率远低于其他观察者，有时低于 1 Hz。但它仍然需要最低频率。

使用 FAST 等无传感器技术时，初始转子磁通角是未知的，并且在测量到足够的 Bemf 以使算法可以开始正确估计之前，估计是不可预测的。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。然而，只需少量的转子运动，就会产生足够的 Bemf 电压，以便算法可以收敛到一个合理的角度估计值，从而允许受控的高扭矩驱动进入一个出色的操作区域。因此，如果产生足够的转矩用于转子运动，则可以使用这种方法来启动电机，但在启动性能上可能会不一致。

产生足够的扭矩

随着启动负载的增加，您可以产生的扭矩将取决于电流和磁场的对齐方式(由角度估计的准确性决定)。为了确保可以产生足够的电流，速度控制器的最大(正负)输出必须大于产生额定转矩所需的额定电流。举例，请注意以下在满载情况下启动电机时捕获的波形。产生移动该额定负载所需的扭矩需要 4A 的电流。在这种情况下，速度控制器的最大输出设置为 (6.0)，您可以看到在第一个电气循环中达到了 6A 电流以移动转子。在这个例子中，FAST 能够提供一个有效的角度，

即使您正在生成一个稳定的反馈角度，该角度也不一定正确对齐以产生最大扭矩。您基本上只是扫描定子磁场并等待转子磁场锁定并同步。当定子磁场方向不正确时，您将不会产生足够的扭矩，或者在最坏的情况下，会产生所需的相反方向的扭矩。改善这种情况需要控制系统有更好的启动角度。但是，当包括 FAST 在内的大多数无传感器控制算法无法在零速下提供有效角度时，我们该怎么做呢?

对准

在磁场定向控制 (FOC) 系统中进行初始对准的一种方法是将直流电流注入控制系统的 Id 部分(不注入 Iq)。这是 D 轴，定义为转子磁通的方向。

如果该电流大到足以移动转子(和任何负载)，则注入将导致转子现在处于已知角度(0 弧度)，这意味着虽然仍然模拟强制角度，但它至少开始于正确的方向和产生扭矩的最佳位置。这种直流电流注入可以“手动”完成，或者您可以利用我们的 InstaSPIN-FOC 解决方案中包含的 RsRecalibration 标志。

负载测试下的启动是虽然可以显着提高大多数应用程序的无传感器启动能力，但仍然存在一些限制，特别是在可能具有高度动态负载高达额定扭矩输出的 100%。

连续角跟踪

要真正解决启动问题，您需要能够在零速和极低速下连续估计转子磁通角，并以稳定的方式在低速和高速观测器之间转换。

需要两个函数，TI 使用我们的 InstaSPIN-FOC 技术在一组新的库中提供这些函数。操作分为两部分：

· 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

这些功能的操作将在下一页更详细地描述。

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。

低速位置检测

一旦找到转子的北极，就必须在电机运行期间始终对其进行跟踪，以实现最佳控制系统性能，即使在启动之间的极短时间和 FAST 能够可靠地提供有效角度估计时也是如此。IPD_HFI 模块采用高频信号跟踪北极。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来引入显着性，其中转子铁中的间隙留在两极之间。将此与下图中的非突出表面安装设计进行对比。

对于凸极式电机，流过磁体的磁通的磁阻差大于铁路径的磁阻，因为磁性材料的相对磁导率远低于周围的铁。随着转子的角度前进，磁阻经历周期性变化。如果在定子的线圈上测量电感，则如下所示：

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 HFI 的角度锁定在北极而不是南极峰上，IPD 部分将 HFI 初始化为 D 轴北极。用于激发该磁阻特征的高频信号的选择是基于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。在达到此最大速度限制之前，必须将电机控制移交给更高速度的观测器，例如 FAST。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设置。

局限性

除了需要凸极转子设计外，该方法的主要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来产生所需的扭矩。随着电流的增加，磁阻变化减小，因此电感变化也减小。结果，模块的 HFI 部分将无法准确地估计角度位置以使扭矩产生最大化。这种效果必须经过测试，并且高度依赖于电机设计和初始显着性(变化)。更多的变化总是更好。