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永磁同步電機的FOC/ DTC，你能弄明白嗎？
一、什么是力矩控制
永磁同步電機在汽車(chē)上的應用越來(lái)越廣泛，從動(dòng)力驅動(dòng)到轉向剎車(chē)的執行機構，都可以見(jiàn)到其蹤影。今天想談?wù)動(dòng)来磐诫姍C的控制。
做控制的人都知道，任何電機的控制，無(wú)非三種不同的控制目標：
位置控制：想讓電機轉多少度它就轉多少度
速度控制：想讓電機轉多快它就轉多快
力矩控制：想讓電機出多少力它就出多少力
但無(wú)論是哪種控制目標，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)的區別，力矩控制作為最內層的環(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，首先對被控對象的了解是必須的。讓我們用下面這張動(dòng)圖來(lái)幫助理解永磁同步電機是怎樣運動(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)，在這個(gè)旋轉的磁場(chǎng)作用下，與轉子磁場(chǎng)產(chǎn)生力的作用，帶動(dòng)轉子旋轉。
電機力矩是如何產(chǎn)生的呢?在前文《電機的力矩、轉速和功率》，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?我們可以把電機的每一個(gè)繞組想象成一個(gè)在磁場(chǎng)中旋轉的電阻+電感
假設電機開(kāi)環(huán)運行，當給定電機定子三相一個(gè)互差120度的電壓建立起旋轉磁場(chǎng)以后，如果這個(gè)時(shí)候沒(méi)有負載，電機會(huì )飛速的轉動(dòng)起來(lái)(空載)，直到反電勢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，可以將定子的旋轉磁場(chǎng)假想(虛擬/等效)成一個(gè)繞著(zhù)電機軸心旋轉的磁鐵，假想出來(lái)的這塊磁鐵的南極與轉子磁鐵的北極軸線(xiàn)相重合;
當轉子上有了負載以后，根據牛頓運動(dòng)定理，電機的轉速必然會(huì )有一個(gè)減速的過(guò)程，這就意味著(zhù)上述等效電路中的反電勢降低，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)程當中還發(fā)生了什么事情呢?因為被負載拖拽了一下，轉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(méi)法和實(shí)物對照起來(lái);要么不夠全面，一張圖里的內容有限，對實(shí)際工作指導意義不大。
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
最中間的小圓是轉子(N極和S極)，轉子外圍有排列互差120度的AX，BY，CZ三相定子。
靜止兩相坐標軸：α與定子A相重合，β比α超前90度(圖中綠色坐標軸)
旋轉兩相坐標找：d軸與轉子的N極重合，q軸比d軸超前90度(圖中紫色坐標軸)
X軸：定子旋轉磁動(dòng)勢ψs，可分解為轉子磁動(dòng)勢ψf，id*Lq和Iq*Ld(圖中紅色向量)
電壓矢量：三相全橋的開(kāi)關(guān)組合可以表示的電壓在空間的表現形式(黃色箭頭)
說(shuō)一千，道一萬(wàn)，所謂的電機的力矩控制，就是通過(guò)一定的控制算法，去尋找一些開(kāi)關(guān)管的組合(圖中黃色部分)來(lái)合成一個(gè)給電機定子的給定電壓(圖中的大紅色箭頭)，這個(gè)電壓抵消掉反電勢后產(chǎn)生的電流所對應的力矩剛好與外部負載平衡。
二、FOC與DTC
電機的力矩控制當前存在的兩個(gè)主要流派是磁場(chǎng)定向控制FOC和直接轉矩控制DTC，當然這兩種控制的算法從原理上說(shuō)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(mén)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)繞轉子高速旋轉磁鐵。
定子磁勢可分解為d軸磁勢和q軸磁勢，d軸磁勢與轉子磁勢同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會(huì )影響永磁同步電機轉子永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng);q軸與轉子磁勢相差90度，因而產(chǎn)生切向的力矩(類(lèi)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)變量轉換到旋轉坐標系下(d，q)進(jìn)行數學(xué)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軸的電壓轉換成ABC三相電壓給驅動(dòng)橋。即存在一個(gè)從物理模型à數學(xué)模型à控制算法à物理模型的過(guò)程。
要實(shí)現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(gè)電流傳感器，也可以采用一個(gè)低邊或高邊的母線(xiàn)電流傳感器，用分時(shí)采樣電流重構的方法還原出三相電流)
2.電機的位置信號缺一不可
下列控制模塊必不可少：
1.Clark-Park變換
2.d軸和q軸的PI調節
3.反Clark-Park變換
4.SPWM/SVPWM(當然是用SVPWM)
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