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电机控制FOC-DTC控制算法说明

电机控制

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电机控制算法说明，描述了电机控制的FOC矢量控制算法和DTC直接扭矩控制算法。

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2018/12/31 电机技术及应用

https://mp.weixin.qq.com/s/iQ0szZAmW002gXd6xgyc_w 1/16

永磁同步电机越来越火但其中的FOC/ DTC有几人能搞明白

一、什么是力矩控制

永磁同步电机在汽车上的应用越来越广泛，从动力驱动到转向刹车的执行机构，都可以见到其踪影。

今天想谈谈永磁同步电机的控制。

做控制的人都知道，任何电机的控制，无非三种不同的控制目标：

位置控制：想让电机转多少度它就转多少度

速度控制：想让电机转多快它就转多快

力矩控制：想让电机出多少力它就出多少力

但无论是哪种控制目标，无非是一个闭环还是两个闭环还是三个闭环的区别，力矩控制作为最内层的

环，是必不可少的。今天就来讲讲什么是力矩控制？

要控制一个电机，首先对被控对象的了解是必须的。让我们用下面这张动图来帮助理解永磁同步电机

是怎样运动起来的。定子三相上通过互差120度的交变电压以后，在定子铁芯上可以看到产生了旋转

的磁场（动图中代表磁场方向的红绿颜色逆时针旋转），在这个旋转的磁场作用下，与转子磁场产生

力的作用，带动转子旋转。

8月23日电机技术及应用

2018/12/31 电机技术及应用

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电机力矩是如何产生的呢？在前文《电机的力矩、转速和功率》，我们分析过力矩与电枢（定子）电

流成正比；

那么电流是如何产生的呢？我们可以把电机的每一个绕组想象成一个在磁场中旋转的电阻+电感，如

下面的等效电路：

假设电机开环运行，当给定电机定子三相一个互差120度的电压建立起旋转磁场以后，如果这个时候

没有负载，电机会飞速的转动起来（空载），直到反电势和给定电压完全相等；此时定子绕组中的电

流为仍然为0，可以将定子的旋转磁场假想（虚拟/等效）成一个绕着电机轴心旋转的磁铁，假想出来

的这块磁铁的南极与转子磁铁的北极轴线相重合；

当转子上有了负载以后，根据牛顿运动定理，电机的转速必然会有一个减速的过程，这就意味着上述

等效电路中的反电势降低，而在给定电压不变的情况下，剩下的那些电压就会在电阻中产生电流了。

在那这一段减速的过程当中还发生了什么事情呢？因为被负载拖拽了一下，转子磁铁的轴心比虚拟出

来的定子磁铁轴心要之后一个角度了，这个角度就是我们所谓的“功角”。

2018/12/31 电机技术及应用

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关于电机的矢量模型，互联网上可以找到各种各样的图，但这些图要么太抽象，看了半天不知所云，

没法和实物对照起来；要么不够全面，一张图里的内容有限，对实际工作指导意义不大。

因此笔者在实际工作过程中，喜欢把大量相关的矢量都揉在一起，见下图：

最中间的小圆是转子（N极和S极），转子外围有排列互差120度的AX，BY，CZ三相定子。

静止两相坐标轴：α与定子A相重合，β比α超前90度（图中绿色坐标轴）

旋转两相坐标找：d轴与转子的N极重合，q轴比d轴超前90度（图中紫色坐标轴）

X轴：定子旋转磁动势ψs，可分解为转子磁动势ψf，id*Lq和Iq*Ld（图中红色向量）

电压矢量：三相全桥的开关组合可以表示的电压在空间的表现形式（黄色箭头）

说一千，道一万，所谓的电机的力矩控制，就是通过一定的控制算法，去寻找一些开关管的组合（图

中黄色部分）来合成一个给电机定子的给定电压（图中的大红色箭头），这个电压抵消掉反电势后产

生的电流所对应的力矩刚好与外部负载平衡。

二、FOC与DTC

电机的力矩控制当前存在的两个主要流派是磁场定向控制FOC和直接转矩控制DTC，当然这两种控

制的算法从原理上说对所有的交流电机都适用，本文只是讲讲他们用于永磁同步电机控制的异同。

2018/12/31 电机技术及应用

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FOC

FOC控制理论最初于上世纪70年代由西门子的工程师提出。在上文中我们提到过可以把定子所产生

的磁场虚拟成一个绕转子高速旋转磁铁。定子磁势可分解为d轴磁势和q轴磁势，d轴磁势与转子磁势

同轴，不能产生切向的力矩，但会影响永磁同步电机转子永磁体所产生的磁场；q轴与转子磁势相差

90度，因而产生切向的力矩（类似两根垂直的条形磁铁所产生的相互作用力）。

FOC的控制的基本思路就是将三相静止ABC坐标系下的相关变量转换到旋转坐标系下（d，q）进行

数学运算，controller改变d轴和q轴的电压达到控制d轴和q轴电流的目的。然而最终给电机三相的

只能是静止坐标系下的电压，因此在控制算法中需要再次把dq轴的电压转换成ABC三相电压给驱动

桥。即存在一个从物理模型à数学模型à控制算法à物理模型的过程。

要实现FOC，下列输入必不可少：

1.电机三相电流（可采用如上图所示的的两个电流传感器，也可以采用一个低边或高边的母线电流传

感器，用分时采样电流重构的方法还原出三相电流）

2.电机的位置信号缺一不可

下列控制模块必不可少：

1.Clark-Park变换

2.d轴和q轴的PI调节

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