所有的電機原理都如下圖:
兩個灰色的輪子一個是定子,另一個是轉(zhuǎn)子,具體哪個做定子,哪個做轉(zhuǎn)子隨意。所有電機的原理都是這么簡單,轉(zhuǎn)動其中一個輪子,另一個輪子就會跟著轉(zhuǎn),就是初中物理講的”異性相吸“。
參考上圖,磁鐵都緊緊的吸在了一起如果錯開任何一個角度,比如下圖:
看上去是不是不穩(wěn)定?有一種如果松手肯定會發(fā)生什么的感覺。不錯,這就是力,力就這么產(chǎn)生了!力乘以距離就是力矩,在這里我們就稱之為轉(zhuǎn)矩。
如果用手轉(zhuǎn)動外面的殼,里面的輪子如果能動肯定也會跟著轉(zhuǎn),這樣電機就動起來了。所有交流電機都是有一個旋轉(zhuǎn)的磁場帶動另一個磁場使之旋轉(zhuǎn),那個旋轉(zhuǎn)的磁場是三相對稱電流產(chǎn)生的。接下來的所有例子中,都是外面那個磁鐵在轉(zhuǎn),里面那個輪子跟著動。那么問題來了,從上面的兩張圖我們能得到一些什么結(jié)論呢?
磁鐵完全對著的時候(如第一張圖)電機轉(zhuǎn)不起來,對的太正了好穩(wěn)定的感覺;
磁鐵錯開一點的時候(如第二張圖)電機可以轉(zhuǎn)起來;
磁鐵錯開太多的時候,貌似力度不夠,帶不起來;
磁鐵一開始就轉(zhuǎn)的特別快,而另一個轉(zhuǎn)速為零,貌似也轉(zhuǎn)不起來(因為剛被前面的磁鐵吸了一下,后面的磁鐵就又上來了,又往后吸了一下,前功盡棄的感覺),所以電機就在那一直震啊震。
于是,如果想控制里面的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得漂亮,就需要有一套有效的控制外面的磁場的轉(zhuǎn)動的方法,不能太快,也不能太慢,要根據(jù)里面的情況,循序漸進的轉(zhuǎn)動外面的環(huán),這就是電機控制方法。
現(xiàn)在,我們來看上面提到過的第3個問題,兩個磁鐵離得太遠不行,離得太近不行,那要成什么位置才會有***大的轉(zhuǎn)矩???這就是這個問題問的本質(zhì),就有了park變換和DQ軸,park變換就是為了進一步探討空間位置對于力的控制。
控制電機,說到底,就是控制力,磁鐵相對于轉(zhuǎn)動軸的距離是固定的,所以轉(zhuǎn)矩直接正比于磁鐵之間的電磁力(轉(zhuǎn)矩等于所有力乘以距離,距離都一樣)。那么我們談控制其實就是在控制兩個磁鐵之間的力。有人會說電機另一個輸出量是轉(zhuǎn)速,也需要控制。
對,可是轉(zhuǎn)速是表面現(xiàn)象,控制轉(zhuǎn)速是通過控制力來間接實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)矩大了自然會轉(zhuǎn)的更快,轉(zhuǎn)矩小了轉(zhuǎn)速不就降下來,所以歸根到底電機控制其實控 制的就是電磁力,就是圖上顯示的幾對磁鐵之間的力。
那么,這個力跟什么有關(guān)呢?前面說了和兩個內(nèi)外磁鐵的空間位置有關(guān):兩個磁鐵錯開太少沒有力,錯開太多了力又不夠,貌似角度錯開成某個值的時候有一個***大值的感覺。不錯,這個結(jié)論的得出是在磁鐵磁力不變的前提下得到的,如果磁鐵的強弱是可以調(diào)節(jié)的會發(fā)生什么?請看下圖:
磁鐵怎么這么?。吭倏丛瓉淼膱D片是不是有一種器大活好的懷舊感?憑直覺,上圖所示的電機感覺上力量就比原來的電機弱,因為他磁鐵小啊,力不從心?,F(xiàn)實中磁場的強弱就是可調(diào)節(jié)的,因為外部的旋轉(zhuǎn)磁場是由三相電流產(chǎn)生的,所以通過控制正弦電流的幅值你就可以調(diào)節(jié)磁場的強弱。有的同學可能會有一個問題,那么對于永磁電機來說,里面的磁鐵是不是應該保持不變呀?沒錯,這個問題我們放一放,
一會再說。
綜上,我們得到了一個強有力的結(jié)論:要想控制電機轉(zhuǎn)的漂亮,有兩個因素要把握好:
磁鐵磁力的強弱
內(nèi)外磁鐵的空間相對位置
可是這兩個問題耦合在一起好難分析,因為如果磁鐵變大但空間錯的很開,那電磁力矩是變大了還是變小了?。咳绻盆F變小但是錯開的又近了一些,那力矩到底是小了還是大了啊?有兩個因素都在變,很難單獨分析。于是我們就想,能不能把這兩個因素通過一種簡單的方法解耦呢?這就是Park變換和DQ軸出現(xiàn)的大背景,來看下圖:
內(nèi)部磁鐵在空間有一個磁場,外部磁鐵會產(chǎn)生一個磁場,說到底,其實力的產(chǎn)生就是和這兩個磁場的大小和方向有關(guān)系。
所以(敲黑板狀),所有電機,注意是所有電機(包括直流電機和任何類型電機),他們的轉(zhuǎn)矩都是正比于內(nèi)外兩個磁場的叉乘(如上圖),就是兩個磁場矢量圍成的平行四邊形的面積。如果兩個磁鐵方向重合(如***開始的第一張圖),那么平行四邊形的面積就是零,沒有力。如果方向錯開一點(比如***開始的第二張圖),那么就會有力(因為平行四邊形面積不為零)。
上面這個公式(電機轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁場叉乘定子磁場)是電機學***************本質(zhì)的公式!平行四邊形什么的***有意思,因為他可以被拆成矩形,七巧板的感覺:
一個平行四邊形就這么被拆成矩形,為什么這么拆?因為好看啊,上面兩個圖形的面積是一樣的,所以分析起來不必擔心。我們把原來的Bin稱之為d軸磁場(d是direct的縮寫,意思是直接的;d軸中文翻譯為直軸),把新拆出來的垂直于Bin的磁場稱之為q軸磁場(q是quadrature的縮寫,意思是垂直的、正交的、90度的;q軸中文翻譯為交軸)。
兩個磁場 Bd 和 Bq,他們的面積決定了力的大小,決定了電機的輸出轉(zhuǎn)矩??刂七@兩個值,上面我們分析的所有情況都可以被控制。那么磁場是什么產(chǎn)生的?電流產(chǎn)生的。磁場和電流的關(guān)系是什么?
又是高中物理,工程再復雜,本質(zhì)上的物理屬性就是這么簡單。
所以帕克就說,把電機現(xiàn)實中的三相電感如果能轉(zhuǎn)換成DQ軸的兩相電感,世界就美好了。因為電流我可以測出來,只要知道DQ軸電感,那我就知道了兩個磁場,然后就又知道力,然后就知道轉(zhuǎn)矩,然后就可以通過改變電流控制轉(zhuǎn)矩,然后就可以通過轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)速啦!
思路就像剛才說的這樣,有這么一條鏈條 :
所以通過控制電流的D軸分量 Id 和Q軸分量 Iq 就能控制矩形的兩條邊:Bd 和 Bq 的大小,他們相乘就是轉(zhuǎn)矩。通過速度和(或)位置反饋,我們就能夠有效的控制外面的環(huán)使之帶動里面的輪子轉(zhuǎn)起來。DQ兩個分量合成的其實是一個矢量,于是乎這種方法就叫做矢量控制(Vector Control),也有人稱之為FOC(Field Oriented Control),一回事。
來源:硬件開發(fā)筆記
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