控制电流对交流电机控制器的重要性小议

(原)syfat

交流电机（异步、直流无刷、永磁同步）控制器的性能从何体现，因素很多，电压、电平、谐波抑制、电流，都是非常重要的部分，今天我就聊聊一点小心得，就是电流控制的重要性。

不论是压频比控制，矢量控制，无速度矢量控制，直接转矩控制，控制电流都是实现性能的首要部分，直观体现在电流的波形上面，因为一个平滑的波形，意味着两个优势：

1、保护电机和控制器；
2、转矩输出波动性小；

这两个优势的重要性，有先后顺序，首要的是保护电机和控制器，电流不平滑，功率管承受的冲击就会加大，不论mosfet还是IGBT，正常工作电流的有效值都远低于功率管的标称，瞬时冲击是主要危害，对于电机就复杂一些，但是平滑电流无疑对电机的绕组与转子有利。

电流对应了电机的转矩（简单的说是这样），平滑电流，转矩输出波动性减小，运行就更平稳，对异步机的作用没有对直流无刷这么重要。

说完了两个优势，那么我们就要问，如何保证电流平滑呢？有几个关键点，一是程序对电流进行精确控制，二是开关频率的匹配，具体程序怎么实现精确控制不讲，下面有图可以看到电流闭环控制的效果，开关频率比较好理解，就简单说一下，其实开关管的工作，就是一个非常快的开关，控制直流电的接通和关断，对于低压电机，开关频率可以设置得比较高，大家可以看我贴出图片的电流波形上的包络线，是有尖角的，这是斩波的效果，如果这个过程的运行速度很快很密，也就是高速开关，包络线就越来越平滑，但是到了高压，就不允许太快了，低压可以20KHz甚至更高，但是图片这个电压比较高，用的开关频率为2KHz。

下面介绍下图片中的波形，这是同一台电机同一台变频器不同程序的空载波形，电机参数如下：交流异步机AC660V 250KW 额定电流260A 4极 额定转速1490rpm 绝缘等级F

先解释下这个参数，最重要的就是1490rpm，4极电机的同步转速是1500，一般异步电机的转速在1400-1490之间，这个转速差是滑差，每一分钟都会少这么多，电机正常做功，工作在第一象限的时候，转子始终落后与绕组旋转磁场，但是这个电机的滑差很小，电机的转动惯量很大，当负载小的时候，会出现转子转速瞬间超过磁场，这时候电机就瞬时工作在第二象限，成为发电机状态，电机的瞬时电流就会增大，转矩是反向状态，然后磁场会再超过转子，在进入第一象限，但是这个时候电流就大幅下降，就出现了电流从小到大，再从大到小的波动，而呈现绿色的鱼骨状。

这样的空载电流，是不合格的，尤其是需要快速加速的时候，瞬时电流的幅值会大大超过有效值，冲击电机和变频器，于是，程序修改目的是控制电流的瞬时值，就好像用一个绳子，把电流变化的趋势拉扯住，就看到另外一张两相电流的波形，是一个完美的正弦。

例子里是一个异步机，和直流无刷不同，但是道理是相似的，直流无刷的设计原理是其反电动势为梯形波，电流为方波，但是实际上显现出来的是一个电压带顶的一个近似梯形波，而电流为方波的平顶上出现多个尖峰，控制这个电流的波形，直流无刷的运行就可以更平稳，一般认为，这个平顶尖峰是正常的，但是实际上可以控制到基本呈现方波，我目前手里有这样的实际效果波形，但是因为商业因素无法放出，但是我以人格保证是可行的，不过难度较大就是了。

方波波形不好，有两个方面，上面说的是一个方面，还有一个就是转矩脉动，转矩脉动的原因比较复杂，但是主要影响可以认为是换相产生的电流波动，而导致的转矩波动，方波控制的基本原理导致，可以抑制，但是无法彻底消除。方法有很多，就不具体介绍了。

针对方波控制的转矩脉动问题，考虑到直流无刷和永磁同步其实是同类电气结构（某些观点认为完全是一种电机），就推出了一个正弦矢量控制，其电压为一个马鞍波，其电流呈现一个正弦波的样式，这种控制，转矩脉动很小，电流波形平滑，但是其转矩有效值是偏低的，虽然一些算法可以弥补，但是整体上还不如方波有力。另外正弦波控制的转速达不到 方波控制的转速。超高速电机就必须用方波控制。

所以在直流无刷的两种控制方向而言，各有千秋，但是其性能的关键，都在于电流的控制，具体到电动车使用者而言，输出稳定线性，操控就更有信心而安全，至于选择那种方法，那就看侧重面了，魔力士提出他们使用了混合波，具体怎么混合我没使用过也没分析过，希望有了解的同学，帮助补充。

鉴于水平有限，难免有错漏，欢迎指正。

(原)SuperPig

科普……        

(原)SuperPig

真心看不懂

(原)321456

不懂，帮顶，   

(原)zhp1029

不太懂，学习下

iy0012

学习、学习~~~

(原)lulerxc

楼主的意思，正弦矢量控制只要进行电流实时采样再通过程序计算，就能很好地控制瞬时电流了？

(原)syfat

lulerxc 发表于 2017-5-3 18:34
楼主的意思，正弦矢量控制只要进行电流实时采样再通过程序计算，就能很好地控制瞬时电流了？

具体过程很复杂，采样只是第一步，电流闭环，不是矢量的控制的专利，而是各种控制都要考虑的，控制不好电流，方波控的转矩输出也不好啊！

我的意思是，什么控制都不是完美的，但是控制不好电流，都是不好的。

您看看这俩波形，你想要哪个，就很明了了。

(原)syfat

lulerxc 发表于 2017-5-3 18:34
楼主的意思，正弦矢量控制只要进行电流实时采样再通过程序计算，就能很好地控制瞬时电流了？

我这十几年参与研发，天天关心的第一件事就是输出电流波形，扭矩控制不好的变频器，就是垃圾。。。。。

(原)syfat

这篇文章的主题是，从设计者的角度，达到电机控制器性能的第一步就是电流的精确控制，呈现理想波形是硬指标，之所以有多种控制逻辑，出发点都是要达到一个平稳动力输出的目标，只要达到这个目标，策略无分好坏。我们评价一个控制器，首先就要强调这一点的性能，判断方法简单，实际能看到的波形越接近理论状态，即越完美。


但是，其实各位看到的绿色鱼骨状电流波形，实际上是可用的，因为异步机具有较大承受能力，变频器也可用，这台电机，好多变频器就是这个波形，我们这个一开始也是匹配了大量PI才做到能够运行，而且这个波形到了满载，就较为正弦了。

我们具有技术洁癖，2个月不断修改程序设计，才解决了这个空载的转矩波动，后来事实证明，在某一个负载变化极度恶劣现场的同类电机，在这个程序保护下 解决了皮带断带频繁的问题，这就是控制好电流的回报。

一台好的电动车控制器，也应该具备这样的素质。