引言

到此為止，永磁同步電機控制相關(guān)文章已經(jīng)寫了7篇，其中simulink仿真系列文章5篇，控制筆記系列文章2篇，恍惚間感覺少了一篇概論，在此插入一篇，也算是對入坑電機控制一年半來的知識梳理。

文章目錄

• 引言
• 一、同步電機是怎么轉(zhuǎn)起來的
• 二、什么樣的旋轉(zhuǎn)磁場效率最高
• 三、怎么精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)磁場的方向
• 四、怎樣調(diào)節(jié)dq軸電流
• 五、FOC控制系統(tǒng)框圖
• 六、小結(jié)

一、同步電機是怎么轉(zhuǎn)起來的

永磁同步電機結(jié)構(gòu)如下：

外圍是定子繞組，中間為永磁體，設(shè)永磁體極對數(shù)為np，則定子繞組共3*np個，其中每相鄰的3個為一組對應(yīng)uvw三相，繞組在空間上均勻分布。為了便于分析電機運行原理，對電機結(jié)構(gòu)進行簡化，假設(shè)電機極對數(shù)為1，那么電機內(nèi)部只有三個定子繞組，并且它們在空間上間隔120度，可以表示如下圖：

當(dāng)uvw三相通電之后，因為電磁感應(yīng)的原理，空間中將產(chǎn)生磁場，三相定子產(chǎn)生的磁場方向與其坐標(biāo)軸方向一致，大小與其電流大小成正比。
當(dāng)向三相定子繞組通入相位差為120度的交流電時，三相繞組產(chǎn)生的磁場疊加為圓形磁場。具體原理以及動畫演示見：
永磁同步電機控制筆記：clark變換park變換示意圖.
所以同步電機運行的本質(zhì)是靜止的定子產(chǎn)生磁場，這個磁場拽著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

二、什么樣的旋轉(zhuǎn)磁場效率最高

既然永磁同步電機工作的本質(zhì)是定子磁場帶著作為轉(zhuǎn)子的永磁體旋轉(zhuǎn)，那么是不是只要產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場就能夠讓永磁同步電機旋轉(zhuǎn)呢？顯然不是，若定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率過高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了10度，定子磁場就已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180度，那么結(jié)果就是轉(zhuǎn)子來回震蕩，如果定子磁場旋轉(zhuǎn)頻率更高，定子就會在更小的范圍內(nèi)更快的震蕩。
可以想象，只有當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率保持同步，才能保證電機旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，電機靜止的時候不能直接通入旋轉(zhuǎn)頻率極高的磁場，如果電機靜止時給轉(zhuǎn)子極低頻率的旋轉(zhuǎn)磁場，讓電機慢慢啟動，隨著電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慢慢提高磁場的頻率到目標(biāo)頻率，是不是電機就能穩(wěn)定運行呢？答案是肯定的，恒壓頻比控制(VF控制)就是這種思路，不過考慮到電機高速旋轉(zhuǎn)時需要消耗更多能量，這種控制方法在提升頻率的同時也提升了輸入電壓。

但是很顯然，當(dāng)負載變動的時候這種方法就會出現(xiàn)問題，比如輕載運行，穩(wěn)態(tài)時磁場和轉(zhuǎn)子N極夾角1弧度，隨著負載加重，磁場和轉(zhuǎn)子夾角越來越大，直到夾角為pi/2弧度，磁場做功最大，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，即電機效率最高。如果此時繼續(xù)加大負載，磁場和轉(zhuǎn)子夾角繼續(xù)變大，而轉(zhuǎn)矩變小，電機將發(fā)生失步。上圖表述了磁場和轉(zhuǎn)子夾角與磁場利用率的大致關(guān)系。
那么有沒有辦法讓磁場利用率始終保持最高呢？
想要讓定子磁場利用率最高，就要保證定子磁場產(chǎn)生的力全部用來拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，就是說，合成磁場的方向要超前轉(zhuǎn)子的方向90度，并一直保持超前90度。

三、怎么精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)磁場的方向

前文提到，想要實現(xiàn)最高效率的利用旋轉(zhuǎn)磁場就是要保證旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子之間的夾角始終保持90度，這就要求必須準(zhǔn)確的知道轉(zhuǎn)子的位置，一般來說，電機轉(zhuǎn)子的位置可以通過編碼器獲取，電機編碼器有便宜但是分辨率低的霍爾編碼器，有分辨率達數(shù)千甚至上萬線的增量式編碼器，還有分辨率高達2¹⁷甚至2²³的通信式編碼器。通過編碼器可以準(zhǔn)確的知道轉(zhuǎn)子的位置，對于對成本敏感但對精度要求低的場合，可以使用位置估計的方法獲取電機轉(zhuǎn)子的位置。
對磁場的控制本質(zhì)上是對電流的控制，因為磁場是由電流產(chǎn)生的。

獲取到電機轉(zhuǎn)子的位置之后，就可以通過坐標(biāo)變換的方法將電流從以定子為基準(zhǔn)的uvw坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到和轉(zhuǎn)子方向始終一致的dq坐標(biāo)系。
在dq坐標(biāo)系中，電機轉(zhuǎn)矩可以表達為：
T_e = 3/2pn(Φ_fi_q + (L_d - L_q)i_di_q)
所以通過坐標(biāo)變換將三相電流轉(zhuǎn)化成了控制電機轉(zhuǎn)矩的q軸電流，與控制勵磁磁場的d軸電流，圖中θ為電機定子u相與轉(zhuǎn)子的電角度。坐標(biāo)變換的具體原理以及圖示參見永磁同步電機控制筆記：clark變換park變換示意圖.
既然說如果讓定子磁場，也就是輸入電流，全部用來拉著電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化，那么實現(xiàn)坐標(biāo)變換后，讓電流全部在q軸方向就好了，讓d軸電流保持為0，對于L_d=L_q的隱極電機，i_d=0的控制即為最小電流轉(zhuǎn)矩比控制。

四、怎樣調(diào)節(jié)dq軸電流

那么怎么讓電流全部在q軸方向呢？我們沒有辦法直接控制電流啊。

一般而言我們驅(qū)動電機采用的電路拓撲如上圖(圖片來自TI應(yīng)用報告ZHCA555)
我們能夠直接控制的只有三個逆變電橋的輸出電壓，但是拖動電機旋轉(zhuǎn)的磁場是由電流產(chǎn)生的，必須精準(zhǔn)的控制電流才能精準(zhǔn)的控制定子磁場。這時需要，對實際輸出電流采樣，將反饋電流分解到dq軸后很指令電流不斷的比較，進而調(diào)節(jié)三相輸出電壓，使最終的輸出電流等于指令電流。
電流調(diào)節(jié)器可以使用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，PI調(diào)節(jié)器對電機參數(shù)不敏感，該調(diào)節(jié)器假設(shè)輸出電流隨輸出電壓增加而增加，隨著輸出電壓減小而減小。實際工作中，輸出電流比指令電流大了就減小輸出電壓，實際電流比指令電流小了就增大輸出電壓。

五、FOC控制系統(tǒng)框圖

綜上，可以理出FOC控制系統(tǒng)的大致框架：

其中Clarke,Park模塊實現(xiàn)了三相定子坐標(biāo)系到直角轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，把復(fù)雜的三相交流電流等效成了含義明確的兩個直流量，勵磁電流i_d,轉(zhuǎn)矩電流i_q，使得能夠使用控制直流電機的方法控制交流電機；圖中i_sqref為q軸指令電流，i_sq為q軸反饋電流，i_sdref為d軸指令電流，i_sd為d軸反饋電流，實際控制中，對于隱極永磁同步電機d軸電流不做功，令i_sdref = 0，用i_sqref控制電機扭矩，想讓電機轉(zhuǎn)的快一些就加大i_sqref ，反之，想讓電機轉(zhuǎn)的慢一些就減小i_sqref，想讓電機反方向運行就給i_sqref負值。V_sqref，V_sdref分別為PI調(diào)節(jié)得到的q軸電壓和d軸電壓，上文提到逆變器的輸出為電壓量，只能通過調(diào)節(jié)輸出電壓來實現(xiàn)控制輸出電流；Inv.Park模塊和svpwm模塊實現(xiàn)了輸出等效于V_sqref，V_sdref的三相電壓。筆者文章永磁同步電機控制筆記：空間矢量調(diào)制svpwm實現(xiàn)及分析詳細的對SVPWM技術(shù)進行了說明，并給出了實現(xiàn)方法及仿真結(jié)果。

六、小結(jié)

本文盡可能的使用通俗易懂的語言總結(jié)了FOC控制的基本理論，撰寫此文，也是對自己一年多以來學(xué)習(xí)研究電機控制技術(shù)的一個回顧與總結(jié)。若文中有所紕漏，還請各位前輩指正。另外筆者其他文章詳細記錄了使用simulink進行FOC控制的仿真實驗過程并給出模型，并在一些文章中展開說明了FOC控制中的部分模塊原理，歡迎大家訪問。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的永磁同步电机控制笔记：foc控制原理通俗讲义的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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