一、同步電機(jī)是怎么轉(zhuǎn)起來(lái)的

永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如下：

外圍是定子繞組，中間為永磁體，設(shè)永磁體極對(duì)數(shù)為np，則轉(zhuǎn)子永磁體共2*np個(gè)，其中每相鄰的3個(gè)定子繞組對(duì)應(yīng)uvw三相，繞組在空間上均勻分布。為了便于分析電機(jī)運(yùn)行原理，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)電機(jī)極對(duì)數(shù)為1，且電機(jī)內(nèi)部只有三個(gè)定子繞組，它們?cè)诳臻g上間隔120度，可以表示如下圖：

當(dāng)uvw三相通電之后，因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電磁感應(yīng)/" target="_blank">電磁感應(yīng)的原理，空間中將產(chǎn)生磁場(chǎng)，三相定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與其坐標(biāo)軸方向一致，大小與其電流大小成正比。
   當(dāng)向三相定子繞組通入相位差為120度的交流電時(shí)，三相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加為圓形磁場(chǎng)。具體原理以及動(dòng)畫(huà)演示見(jiàn)：[永磁同步電機(jī)控制筆記：上帝視角看calrk、park變換](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0MjM3NDg3NA==&mid=2247484032&idx=1&sn=b5a07e9e87205be7147dc7f501122b9e&chksm=c2c56835f5b2e1236bb7ad1cc7d3f84a8e929f4f6e919aa92267516b9afec6417211512d7405&scene=21#wechat_redirect)

   所以同步電機(jī)運(yùn)行的本質(zhì)是== =靜止的定子產(chǎn)生磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)拽著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)= 。

二、什么樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)效率最高

既然永磁同步電機(jī)工作的本質(zhì)是定子磁場(chǎng)帶著作為轉(zhuǎn)子的永磁體旋轉(zhuǎn)，那么是不是只要產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就能夠讓永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)呢？顯然不是，若定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率過(guò)高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了10度，定子磁場(chǎng)就已經(jīng)旋轉(zhuǎn)了180度，那么結(jié)果就是轉(zhuǎn)子來(lái)回震蕩，如果定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率更高，定子就會(huì)在更小的范圍內(nèi)更快的震蕩。
   可以想象，只有當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率保持同步，才能保證電機(jī)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，電機(jī)靜止的時(shí)候不能直接通入旋轉(zhuǎn)頻率極高的磁場(chǎng)，如果電機(jī)靜止時(shí)給轉(zhuǎn)子極低頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，讓電機(jī)慢慢啟動(dòng)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慢慢提高磁場(chǎng)的頻率到目標(biāo)頻率，是不是電機(jī)就能穩(wěn)定運(yùn)行呢？答案是肯定的，恒壓頻比控制(VF控制)就是這種思路，不過(guò)考慮到電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)需要消耗更多能量，這種控制方法在提升頻率的同時(shí)也提升了輸入電壓。

但是很顯然，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)的時(shí)候這種方法就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，比如輕載運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)時(shí)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子N極夾角1弧度，隨著負(fù)載加重，磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子夾角越來(lái)越大，直到夾角為pi/2弧度，磁場(chǎng)做功最大，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)效率最高。如果此時(shí)繼續(xù)加大負(fù)載，磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子夾角繼續(xù)變大，而轉(zhuǎn)矩變小，電機(jī)將發(fā)生失步。上圖表述了磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子夾角與磁場(chǎng)利用率的大致關(guān)系。
   那么有沒(méi)有辦法讓磁場(chǎng)利用率始終保持最高呢？
   想要讓定子磁場(chǎng)利用率最高，就要保證定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的力全部用來(lái)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，就是說(shuō)，合成磁場(chǎng)的方向要超前轉(zhuǎn)子的方向90度，并一直保持超前90度。

三、怎么精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向

前文提到，想要實(shí)現(xiàn)最高效率的利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就是要保證旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的夾角始終保持90度，這就要求必須準(zhǔn)確的知道轉(zhuǎn)子的位置，一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置可以通過(guò)編碼器獲取，電機(jī)編碼器有便宜但是分辨率低的霍爾編碼器，有分辨率達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)線的增量式編碼器，還有分辨率高達(dá)2^^17^甚至2^^23^的通信式編碼器。通過(guò)編碼器可以準(zhǔn)確的知道轉(zhuǎn)子的位置，對(duì)于對(duì)成本敏感但對(duì)精度要求低的場(chǎng)合，可以使用位置估計(jì)的方法獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。
   對(duì)磁場(chǎng)的控制本質(zhì)上是對(duì)電流的控制，因?yàn)榇艌?chǎng)是由電流產(chǎn)生的。

獲取到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置之后，就可以通過(guò)坐標(biāo)變換的方法將電流從以定子為基準(zhǔn)的uvw坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到和轉(zhuǎn)子方向始終一致的dq坐標(biāo)系。
   在dq坐標(biāo)系中，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以表達(dá)為：**T~e~ = 3/2pn(Φ~f~i~q~ + (L~d~ - L ~q~ )i~d~i ~q~ )**

所以通過(guò)坐標(biāo)變換將三相電流轉(zhuǎn)化成了控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的q軸電流，與控制勵(lì)磁磁場(chǎng)的d軸電流，圖中θ為電機(jī)定子u相與轉(zhuǎn)子的電角度。坐標(biāo)變換的具體原理以及圖示參見(jiàn)永磁同步電機(jī)控制筆記：上帝視角看calrk、park變換

既然說(shuō)如果讓定子磁場(chǎng)，也就是輸入電流，全部用來(lái)拉著電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)就能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化，那么實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換后，讓電流全部在q軸方向就好了，讓d軸電流保持為0，對(duì)于L ~d~ =L~q~的隱極電機(jī)，i ~d~ =0的控制即為最小電流轉(zhuǎn)矩比控制。

四、怎樣調(diào)節(jié)dq軸電流

那么怎么讓電流全部在q軸方向呢？我們沒(méi)有辦法直接控制電流啊。

一般而言我們驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的電路拓?fù)淙缟蠄D(圖片來(lái)自TI應(yīng)用報(bào)告ZHCA555)，我們能夠直接控制的只有三個(gè)逆變電橋的輸出電壓，但是拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，必須精準(zhǔn)的控制電流才能精準(zhǔn)的控制定子磁場(chǎng)。這時(shí)需要，對(duì)實(shí)際輸出電流采樣，將反饋電流分解到dq軸后很指令電流不斷的比較，進(jìn)而調(diào)節(jié)三相輸出電壓，使最終的輸出電流等于指令電流。

   電流調(diào)節(jié)器可以使用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，PI調(diào)節(jié)器對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感，該調(diào)節(jié)器假設(shè)輸出電流隨輸出電壓增加而增加，隨著輸出電壓減小而減小。實(shí)際工作中，輸出電流比指令電流大了就減小輸出電壓，實(shí)際電流比指令電流小了就增大輸出電壓。

五、FOC控制系統(tǒng)框圖

綜上，可以理出FOC控制系統(tǒng)的大致框架：

其中Clarke,Park模塊實(shí)現(xiàn)了三相定子坐標(biāo)系到直角轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，把復(fù)雜的三相交流電流等效成了含義明確的兩個(gè)直流量，勵(lì)磁電流i ~d~ ,轉(zhuǎn)矩電流i ~q~ ，使得能夠使用控制直流電機(jī)的方法控制交流電機(jī)；圖中i~sqref~為q軸指令電流，i~sq~為q軸反饋電流，i~sdref~為d軸指令電流，i~sd~為d軸反饋電流，實(shí)際控制中，對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)d軸電流不做功，令i~sdref~ = 0，用i~sqref~控制電機(jī)扭矩，想讓電機(jī)轉(zhuǎn)的快一些就加大i~sqref~ ，反之，想讓電機(jī)轉(zhuǎn)的慢一些就減小i ~sqref~ ，想讓電機(jī)反方向運(yùn)行就給i~sqref~負(fù)值。V ~sqref~ ，V~sdref~分別為PI調(diào)節(jié)得到的q軸電壓和d軸電壓，上文提到逆變器的輸出為電壓量，只能通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)控制輸出電流；Inv.Park模塊和svpwm模塊實(shí)現(xiàn)了輸出等效于V ~sqref~ ，V~sdref~的三相電壓。筆者文章[小白也能理解的中點(diǎn)平移法svpwm詳細(xì)的對(duì)SVPWM技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明，并給出了實(shí)現(xiàn)方法及仿真結(jié)果。](http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0MjM3NDg3NA==&mid=2247483669&idx=1&sn=1def597174bff5100b14226c3cea8917&chksm=c2c56ba0f5b2e2b6306d9021b6d13baea621486ed5047cea8fdc58e98be6f7e1080370a71437&scene=21#wechat_redirect)