引言

到此為止，永磁同步電機控制相關文章已經寫了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、同步電機是怎么轉起來的
• 二、什么樣的旋轉磁場效率最高
• 三、怎么精準控制旋轉磁場的方向
• 四、怎樣調節dq軸電流
• 五、FOC控制系統框圖
• 六、小結

一、同步電機是怎么轉起來的

永磁同步電機結構如下：

外圍是定子繞組，中間為永磁體，設永磁體極對數為np，則定子繞組共3*np個，其中每相鄰的3個為一組對應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，對電機結構進行簡化，假設電機極對數為1，那么電機內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uvw三相通電之后，因為電磁感應的原理，空間中將產生磁場，三相定子產生的磁場方向與其坐標軸方向一致，大小與其電流大小成正比。
當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是靜止的定子產生磁場，這個磁場拽著轉子旋轉。

二、什么樣的旋轉磁場效率最高

既然永磁同步電機工作的本質是定子磁場帶著作為轉子的永磁體旋轉，那么是不是只要產生了旋轉磁場就能夠讓永磁同步電機旋轉呢？顯然不是，若定子磁場旋轉頻率過高，轉子轉了10度，定子磁場就已經旋轉了180度，那么結果就是轉子來回震蕩，如果定子磁場旋轉頻率更高，定子就會在更小的范圍內更快的震蕩。
可以想象，只有當旋轉磁場旋轉頻率和轉子旋轉頻率保持同步，才能保證電機旋轉平穩，電機靜止的時候不能直接通入旋轉頻率極高的磁場，如果電機靜止時給轉子極低頻率的旋轉磁場，讓電機慢慢啟動，隨著電機轉子的轉動慢慢提高磁場的頻率到目標頻率，是不是電機就能穩定運行呢？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，當負載變動的時候這種方法就會出現問題，比如輕載運行，穩態時磁場和轉子N極夾角1弧度，隨著負載加重，磁場和轉子夾角越來越大，直到夾角為pi/2弧度，磁場做功最大，產生最大轉矩，即電機效率最高。如果此時繼續加大負載，磁場和轉子夾角繼續變大，而轉矩變小，電機將發生失步。上圖表述了磁場和轉子夾角與磁場利用率的大致關系。
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生的力全部用來拉動轉子旋轉，就是說，合成磁場的方向要超前轉子的方向90度，并一直保持超前90度。

三、怎么精準控制旋轉磁場的方向

前文提到，想要實現最高效率的利用旋轉磁場就是要保證旋轉磁場和轉子之間的夾角始終保持90度，這就要求必須準確的知道轉子的位置，一般來說，電機轉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。通過編碼器可以準確的知道轉子的位置，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子的位置。
對磁場的控制本質上是對電流的控制，因為磁場是由電流產生的。

獲取到電機轉子的位置之后，就可以通過坐標變換的方法將電流從以定子為基準的uvw坐標系轉化到和轉子方向始終一致的dq坐標系。
在dq坐標系中，電機轉矩可以表達為：
T_e = 3/2pn(Φ_fi_q + (L_d - L_q)i_di_q)
所以通過坐標變換將三相電流轉化成了控制電機轉矩的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相與轉子的電角度。坐標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子轉就能夠實現效率最大化，那么實現坐標變換后，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矩比控制。

四、怎樣調節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。

一般而言我們驅動電機采用的電路拓撲如上圖(圖片來自TI應用報告ZHCA555)
我們能夠直接控制的只有三個逆變電橋的輸出電壓，但是拖動電機旋轉的磁場是由電流產生的，必須精準的控制電流才能精準的控制定子磁場。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，進而調節三相輸出電壓，使最終的輸出電流等于指令電流。
電流調節器可以使用PI調節器實現，PI調節器對電機參數不敏感，該調節器假設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控制系統框圖

綜上，可以理出FOC控制系統的大致框架：

其中Clarke,Park模塊實現了三相定子坐標系到直角轉子坐標系的轉換，把復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，想讓電機轉的快一些就加大i_sqref ，反之，想讓電機轉的慢一些就減小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調節得到的q軸電壓和d軸電壓，上文提到逆變器的輸出為電壓量，只能通過調節輸出電壓來實現控制輸出電流；Inv.Park模塊和svpwm模塊實現了輸出等效于V_sqref，V_sdref的三相電壓。筆者文章永磁同步電機控制筆記：空間矢量調制svpwm實現及分析詳細的對SVPWM技術進行了說明，并給出了實現方法及仿真結果。

六、小結

本文盡可能的使用通俗易懂的語言總結了FOC控制的基本理論，撰寫此文，也是對自己一年多以來學習研究電機控制技術的一個回顧與總結。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

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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