Как спроектировать привод водяного насоса PMSM с управлением по ВОК

1. Понимание характеристик двигателя

• Параметры двигателя:

  • Прежде всего, необходимо четко понимать различные параметры используемого PMSM-двигателя, включая номинальную мощность, номинальную скорость, номинальный крутящий момент, сопротивление статора, индуктивность статора, потокосцепление постоянных магнитов, пары полюсов и т. д. Эти параметры имеют решающее значение для последующего проектирования системы привода и выбора алгоритмов управления.

  • Например, соответствующие силовые устройства можно выбрать на основе номинальной мощности и скорости двигателя, а электрическую частоту двигателя можно рассчитать на основе пар полюсов и номинальной скорости двигателя, чтобы выбрать подходящую микросхему управления и частоту привода.

2. Выбор силовых устройств

• Типы переключающих трубок:

  • В качестве основного коммутатора обычно используется IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) или MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник). Для привода маломощных и среднемощных двигателей PMSM водяных насосов MOSFET более популярен из-за его высокой скорости переключения и низкого сопротивления открытого канала; для приложений высокой мощности IGBT может быть более подходящим, поскольку он может выдерживать более высокие напряжения и токи, но скорость переключения относительно ниже.

  • Силовые устройства следует выбирать в соответствии с номинальным напряжением и током двигателя, а также следует учитывать определенный запас. Как правило, номинальное напряжение выбранного силового устройства должно быть в 1,5 - 2 раза больше номинального напряжения двигателя, а номинальный ток должен быть в 1,2 - 1,5 раза больше номинального тока двигателя.

• Конструкция рассеивания тепла:

  • Во время работы силовых устройств будет выделяться большое количество тепла, поэтому требуется хорошая конструкция для рассеивания тепла. Могут использоваться радиаторы, воздушное или водяное охлаждение. Для систем привода с высокой плотностью мощности может потребоваться водяное охлаждение, чтобы гарантировать, что температура перехода силовых устройств не превысит их номинальную температуру, избегая снижения производительности или даже повреждения из-за перегрева.

3. Проектирование схемы привода

• Напряжение и ток привода:

  • Схема управления должна обеспечивать достаточное напряжение и ток для обеспечения быстрой и надежной проводимости и выключения силовых устройств. Обычно IGBT требует напряжения управления около 15 В - 20 В, а MOSFET может потребовать напряжения управления 5 В - 15 В в зависимости от разных моделей.

  • Схема управления должна обеспечивать достаточно большой пиковый ток, чтобы гарантировать полное включение или выключение силовых устройств за короткое время и снизить потери при переключении.

• Изоляция:

  • Чтобы обеспечить электрическую изоляцию между схемой управления и силовой схемой, а также предотвратить помехи и обеспечить безопасность, в схеме привода обычно необходимо использовать методы изоляции, такие как оптронная изоляция или магнитная изоляция. Схема оптронной изоляции проста, но имеет задержки передачи и ограничения полосы пропускания; магнитная изоляция (например, трансформаторная изоляция) может обеспечить более высокую скорость передачи и частотную характеристику, но стоимость может быть выше.

4. Стратегия контроля

• Управление, ориентированное на поле (FOC):

  • FOC — одна из наиболее часто используемых стратегий управления для двигателей PMSM. Она разлагает ток статора на компонент тока крутящего момента и компонент тока поля и реализует точное управление двигателем, управляя этими двумя компонентами. В FOC преобразования вращения (такие как преобразование Кларка и преобразование Парка) используются для преобразования тока в трехфазной стационарной системе координат в ток во вращающейся системе координат для удобного управления.

  • Преобразование координат должно быть точно реализовано в соответствии с параметрами двигателя, а ток крутящего момента и ток возбуждения должны контролироваться ПИ-регуляторами посредством замкнутого контура управления для достижения точного управления скоростью и крутящим моментом.

  • Например, в области постоянного крутящего момента выходной крутящий момент двигателя можно точно контролировать, регулируя компоненту тока крутящего момента; в области слабого магнитного поля высокоскоростная работа двигателя может быть реализована путем регулировки составляющей тока возбуждения.

• Бессенсорное управление:

  • Для некоторых сценариев применения, чтобы снизить затраты и повысить надежность системы, можно использовать методы управления без датчиков. Распространенные методы управления без датчиков включают метод обратной электродвижущей силы, метод наблюдателя скользящего режима, адаптивный метод эталонной модели и т. д.

  • Метод обратной электродвижущей силы основан на взаимосвязи между обратной электродвижущей силой двигателя и скоростью, но обратная электродвижущая сила слаба на низких скоростях, что влияет на точность измерения; метод наблюдателя скользящего режима создает наблюдателя состояния двигателя для оценки положения и скорости ротора и обладает определенной устойчивостью к изменениям параметров, но может вызывать дрожание системы; адаптивный метод эталонной модели оценивает положение и скорость ротора с помощью адаптивного алгоритма, основанного на математической модели двигателя; алгоритм относительно сложен, но имеет хорошую производительность на средних и низких скоростях.

5. Функции защиты

• Защита от сверхтоков:

  • В цепи привода должна быть установлена ​​схема защиты от перегрузки по току. Когда обнаруженный ток превышает установленный порог, силовое устройство должно быть отключено вовремя, чтобы предотвратить повреждение двигателя и силовых устройств из-за перегрузки по току. Для обнаружения тока могут использоваться датчики тока Холла или шунтирующие резисторы, а функция защиты от перегрузки по току может быть реализована с помощью компараторов и логических схем.

  • Например, при превышении током номинального значения в 1,5–2 раза должен немедленно сработать механизм защиты, отключиться сигнал привода и подать сигнал тревоги.

• Защита от перенапряжения:

  • Включает защиту от перенапряжения источника питания и перенапряжения обратной ЭДС двигателя. Для перенапряжения источника питания можно использовать компаратор напряжения для контроля входного напряжения; для перенапряжения обратной ЭДС двигателя можно оценить его, контролируя напряжение шины постоянного тока и фазное напряжение двигателя.

  • При быстром замедлении или торможении двигателя может генерироваться чрезмерная противоэлектродвижущая сила, и в этот момент следует принять соответствующие меры защиты, например, использовать активные или пассивные схемы ограничения, чтобы ограничить противоэлектродвижущую силу в безопасном диапазоне.

• Защита от пониженного напряжения:

  • Если входное напряжение питания слишком низкое, нормальная работа приводной системы не может быть гарантирована, что повлияет на производительность двигателя и даже приведет к потере шагов двигателем. Поэтому необходимо установить защиту от пониженного напряжения. Если напряжение питания ниже установленного нижнего предельного значения, двигатель должен быть остановлен и должен быть подан сигнал тревоги.

6. Проектирование с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС)

• Фильтрующие схемы:

  • На входе и выходе следует добавить соответствующие фильтры, например, использовать синфазные и дифференциальные фильтры на входе источника питания для подавления помех, вносимых источником питания, и подавления помех приводной системы в электросети; добавить фильтрующие индукторы и конденсаторы на выходе для подавления высокочастотных гармоник, генерируемых прерыванием ШИМ, и снижения электромагнитных помех для двигателя.

  • Можно использовать фильтры LC или LCL, а соответствующие параметры индуктора и конденсатора следует выбирать в соответствии с номинальной мощностью двигателя и частотой привода.

• Экранирование и проводка:

  • Плата привода должна быть экранирована, а силовая часть и часть управления должны быть расположены отдельно, чтобы уменьшить влияние электромагнитных помех на схему управления.

  • При прокладке электропроводки следует обращать внимание на то, чтобы контур тока был как можно меньше, избегать пересечения контуров сильного тока и сигнальных контуров, а также использовать экранированные провода для высокочастотных сигналов и проводников сильного тока для уменьшения электромагнитного излучения и взаимодействий.

При проектировании электропривода PMSM для водяных насосов необходимо всесторонне учитывать вышеуказанные аспекты и оптимизировать конструкцию каждого звена в соответствии с конкретными сценариями применения и требованиями к производительности для достижения высокопроизводительной, высоконадежной и экономически эффективной системы электропривода.