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永磁同步電機(jī)的FOC/ DTC，你能弄明白嗎？

一、什么是力矩控制

永磁同步電機(jī)在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)到轉(zhuǎn)向剎車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，都可以見到其蹤影。今天想談?wù)動(dòng)来磐诫姍C(jī)的控制。

做控制的人都知道，任何電機(jī)的控制，無(wú)非三種不同的控制目標(biāo)：

位置控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多少度它就轉(zhuǎn)多少度

速度控制：想讓電機(jī)轉(zhuǎn)多快它就轉(zhuǎn)多快

力矩控制：想讓電機(jī)出多少力它就出多少力

但無(wú)論是哪種控制目標(biāo)，無(wú)非是一個(gè)閉環(huán)還是兩個(gè)閉環(huán)還是三個(gè)閉環(huán)的區(qū)別，力矩控制作為最內(nèi)層的環(huán)，是必不可少的。今天就來(lái)講講什么是力矩控制?

要控制一個(gè)電機(jī)，首先對(duì)被控對(duì)象的了解是必須的。讓我們用下面這張動(dòng)圖來(lái)幫助理解永磁同步電機(jī)是怎樣運(yùn)動(dòng)起來(lái)的。定子三相上通過(guò)互差120度的交變電壓以后，在定子鐵芯上可以看到產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)(動(dòng)圖中代表磁場(chǎng)方向的紅綠顏色逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，在這個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)作用下，與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)產(chǎn)生力的作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

電機(jī)力矩是如何產(chǎn)生的呢?在前文《電機(jī)的力矩、轉(zhuǎn)速和功率》，我們分析過(guò)力矩與電樞(定子)電流成正比;

那么電流是如何產(chǎn)生的呢?我們可以把電機(jī)的每一個(gè)繞組想象成一個(gè)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的電阻+電感

假設(shè)電機(jī)開環(huán)運(yùn)行，當(dāng)給定電機(jī)定子三相一個(gè)互差120度的電壓建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以后，如果這個(gè)時(shí)候沒有負(fù)載，電機(jī)會(huì)飛速的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)(空載)，直到反電勢(shì)和給定電壓完全相等;此時(shí)定子繞組中的電流為仍然為0，可以將定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)假想(虛擬/等效)成一個(gè)繞著電機(jī)軸心旋轉(zhuǎn)的磁鐵，假想出來(lái)的這塊磁鐵的南極與轉(zhuǎn)子磁鐵的北極軸線相重合;

當(dāng)轉(zhuǎn)子上有了負(fù)載以后，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速必然會(huì)有一個(gè)減速的過(guò)程，這就意味著上述等效電路中的反電勢(shì)降低，而在給定電壓不變的情況下，剩下的那些電壓就會(huì)在電阻中產(chǎn)生電流了。在那這一段減速的過(guò)程當(dāng)中還發(fā)生了什么事情呢?因?yàn)楸回?fù)載拖拽了一下，轉(zhuǎn)子磁鐵的軸心比虛擬出來(lái)的定子磁鐵軸心要之后一個(gè)角度了，這個(gè)角度就是我們所謂的“功角”。

關(guān)于電機(jī)的矢量模型，互聯(lián)網(wǎng)上可以找到各種各樣的圖，但這些圖要么太抽象，看了半天不知所云，沒法和實(shí)物對(duì)照起來(lái);要么不夠全面，一張圖里的內(nèi)容有限，對(duì)實(shí)際工作指導(dǎo)意義不大。

因此筆者在實(shí)際工作過(guò)程中，喜歡把大量相關(guān)的矢量都揉在一起

最中間的小圓是轉(zhuǎn)子(N極和S極)，轉(zhuǎn)子外圍有排列互差120度的AX，BY，CZ三相定子。

靜止兩相坐標(biāo)軸：α與定子A相重合，β比α超前90度(圖中綠色坐標(biāo)軸)

旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)找：d軸與轉(zhuǎn)子的N極重合，q軸比d軸超前90度(圖中紫色坐標(biāo)軸)

X軸：定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)ψs，可分解為轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)ψf，id*Lq和Iq*Ld(圖中紅色向量)

電壓矢量：三相全橋的開關(guān)組合可以表示的電壓在空間的表現(xiàn)形式(黃色箭頭)

說(shuō)一千，道一萬(wàn)，所謂的電機(jī)的力矩控制，就是通過(guò)一定的控制算法，去尋找一些開關(guān)管的組合(圖中黃色部分)來(lái)合成一個(gè)給電機(jī)定子的給定電壓(圖中的大紅色箭頭)，這個(gè)電壓抵消掉反電勢(shì)后產(chǎn)生的電流所對(duì)應(yīng)的力矩剛好與外部負(fù)載平衡。

二、FOC與DTC

電機(jī)的力矩控制當(dāng)前存在的兩個(gè)主要流派是磁場(chǎng)定向控制FOC和直接轉(zhuǎn)矩控制DTC，當(dāng)然這兩種控制的算法從原理上說(shuō)對(duì)所有的交流電機(jī)都適用，本文只是講講他們用于永磁同步電機(jī)控制的異同。

FOC

FOC控制理論最初于上世紀(jì)70年代由西門子的工程師提出。在上文中我們提到過(guò)可以把定子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)虛擬成一個(gè)繞轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)磁鐵。

定子磁勢(shì)可分解為d軸磁勢(shì)和q軸磁勢(shì)，d軸磁勢(shì)與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會(huì)影響永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng);q軸與轉(zhuǎn)子磁勢(shì)相差90度，因而產(chǎn)生切向的力矩(類似兩根垂直的條形磁鐵所產(chǎn)生的相互作用力)。

FOC的控制的基本思路就是將三相靜止ABC坐標(biāo)系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下(d，q)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，controller改變d軸和q軸的電壓達(dá)到控制d軸和q軸電流的目的。然而最終給電機(jī)三相的只能是靜止坐標(biāo)系下的電壓，因此在控制算法中需要再次把dq軸的電壓轉(zhuǎn)換成ABC三相電壓給驅(qū)動(dòng)橋。即存在一個(gè)從物理模型à數(shù)學(xué)模型à控制算法à物理模型的過(guò)程。

要實(shí)現(xiàn)FOC，下列輸入必不可少：

1.電機(jī)三相電流(可采用如上圖所示的的兩個(gè)電流傳感器，也可以采用一個(gè)低邊或高邊的母線電流傳感器，用分時(shí)采樣電流重構(gòu)的方法還原出三相電流)

2.電機(jī)的位置信號(hào)缺一不可

下列控制模塊必不可少：

1.Clark-Park變換

2.d軸和q軸的PI調(diào)節(jié)

3.反Clark-Park變換

4.SPWM/SVPWM(當(dāng)然是用SVPWM)

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