永磁同步電機轉(zhuǎn)矩控制「永磁同步電機四種控制方式」

電機的力矩控制當前存在的兩個主要流派是磁場定向控制FOC和直接轉(zhuǎn)矩控制DTC，當然這兩種控制的算法從原理上說對所有的交流電機都適用，本文只是講講他們用于永磁同步電機控制的異同。

FOC：

FOC控制理論最初于上世紀70年代由西門子的工程師提出。在上文中我們提到過可以把定子所產(chǎn)生的磁場虛擬成一個繞轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)磁鐵。定子磁勢可分解為d軸磁勢和q軸磁勢，d軸磁勢與轉(zhuǎn)子磁勢同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會影響永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場；q軸與轉(zhuǎn)子磁勢相差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坐標系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系下（d，q）進行數(shù)學運算，controller改變d軸和q軸的電壓達到控制d軸和q軸電流的目的。然而最終給電機三相的只能是靜止坐標系下的電壓，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)動橋。即存在一個從物理模型à數(shù)學模型à控制算法à物理模型的過程。

要實現(xiàn)FOC，下列輸入必不可少：

1.電機三相電流（可采用如上圖所示的的兩個電流傳感器，也可以采用一個低邊或高邊的母線電流傳感器，用分時采樣電流重構(gòu)的方法還原出三相電流）

2.電機的位置信號缺一不可

DTC：

DTC的出現(xiàn)比FOC晚了十多年，是上世紀80年代中期由德國學者Depenbrock教授提出。其基本思路是不再將定子側(cè)的相關(guān)變量折算到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)坐標系下，放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想 ,去掉了PI調(diào)節(jié)模塊、反Clark-Park變換和SVPWM模塊 ,轉(zhuǎn)而通過檢測母線電壓和定子電流 ,直接計算出電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩 ,并利用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

從上框圖我們可看到，控制算法首先根據(jù)電機的線電流和相電壓，得到在靜止兩相坐標軸下的電壓和電流 Uα 、Uβ、 Iα、 Iβ。然后根據(jù)這四個量，對定子的磁通和力矩進行估計，怎么個估計法呢？可以用如下兩個公式(不需要電機角度信號)：

同時，還要根據(jù)電機定子的電壓和電流來估算當前轉(zhuǎn)子的位置所在的區(qū)間。

當然如果擔心軟件中積分運算有累計誤差導致不準確，或者轉(zhuǎn)子磁通的值不準確，或者功率角的值不準確，也可以在系統(tǒng)中加入角度傳感器，將相關(guān)參數(shù)都放到旋轉(zhuǎn)坐標dq軸坐標系下后去計算。

計算得到定子磁通和扭矩值以后，與其參考值做比較并經(jīng)過滯緩比較器以后，得到兩個非零即1的狀態(tài)量，表征當前磁和力與參考值的關(guān)系其關(guān)系如下。

接下來的問題是怎樣選擇V1還是V6呢？還是先回到D-Q軸坐標系的這張圖（雖然在控制中算法中不會用到），稍作思考即可想明白如果施加的電壓向量與d軸在正負90度之內(nèi)就會導致磁通增加；施加的電壓向量與q軸在正負90度之內(nèi)就會導致扭矩增加。

可以用下面極坐標系的四個象限來表示其關(guān)系：

那么，我們就可以根據(jù)當前轉(zhuǎn)子位置值，按以下開關(guān)表給電機驅(qū)動橋指令：

結(jié)合以上兩圖,以電機在第一扇區(qū)為例，

其余區(qū)間類推，最終形成的定子磁鏈如下圖所示：

綜上，可對兩種控制算法小結(jié)如下：