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电机控制FOC-DTC控制算法说明
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更新于2023-05-29
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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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