永磁同步電機力矩控制（二）：FOC與DTC

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上篇回顧：永磁同步電機力矩控制（一）：什麼是力矩控制？?

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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和直接轉矩控制DTC，當然這兩種控制的演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於永磁同步電機控制的異同。

FOC：

FOC控制理論最初於上世紀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生的磁場虛擬成一個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，不能產生切向的力矩，但會影響永磁同步電機轉子永磁體所產生的磁場；q軸與轉子磁勢相差90度，因而產生切向的力矩（類似兩根垂直的條形磁鐵所產生的相互作用力）。

FOC的控制的基本思路就是將三相靜止ABC坐標系下的相關變數轉換到旋轉坐標系下（d，q）進行數學運算，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，因此在控制演算法中需要再次把dq軸的電壓轉換成ABC三相電壓給驅動橋。即存在一個從物理模型à數學模型à控制演算法à物理模型的過程。

要實現FOC，下列輸入必不可少：

1.電機三相電流（可採用如上圖所示的的兩個電流感測器，也可以採用一個低邊或高邊的母線電流感測器，用分時採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)

DTC：

DTC的出現比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的相關變數折算到轉子的旋轉坐標系下，放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想 ,去掉了PI調節模塊、反Clark-Park變換和SVPWM模塊 ,轉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矩 ,並利用兩個滯環比較器直接實現對定子磁鏈和轉矩的解耦控制。

從上框圖我們可看到，控制演算法首先根據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。然後根據這四個量，對定子的磁通和力矩進行估計，怎麼個估計法呢？可以用如下兩個公式(不需要電機角度信號)：

同時，還要根據電機定子的電壓和電流來估算當前轉子的位置所在的區間。

當然如果擔心軟體中積分運算有累計誤差導致不準確，或者轉子磁通

的值不準確，或者功率角

的值不準確，也可以在系統中加入角度感測器，將相關參數都放到旋轉坐標dq軸坐標系下後去計算。

計算得到定子磁通和扭矩值以後，與其參考值做比較並經過滯緩比較器以後，得到兩個非零即1的狀態量，表徵當前磁和力與參考值的關係其關係如下。

Tsw

Ψsw

1

欠力

欠磁

0

過力

過磁

1.針對當前的力矩和磁場，不考慮到底磁場和力矩輸出與參考值相差多少，只考慮他們是「欠」還是「過」

2.在控制策略中，不考慮每一次運行的時候都給一個準確的電壓矢量，而是在每個運行周期內給出一個V1-V6其中之一（因此沒有占空比這個概念存在了）

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（雖然在控制中演算法中不會用到），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係：

那麼，我們就可以根據當前轉子位置值，按以下開關表給電機驅動橋指令：

結合以上兩圖,以電機在第一扇區為例，

1.如果電機欠磁欠力(1 1)，給定U2，則給定電壓與電機當前位置的電壓夾角介於[0° 60°]之間,實現增磁增力;

2.如果電機欠磁過力(1 0),給定U6,則給定電壓與電機當前位置的電壓夾角介於[-60° 0°]之間,實現增磁增力

3.如果電機過磁欠力(0 1),給定U3,則給定電壓與電機當前位置夾角介於[60° 120°]之間,電機會增力,但磁的狀況不單調,但是隨著多個循環的調整,磁最終也能與給定平衡（這個是沒有辦法的事情，6個電壓矢量把空間分成了6個區間；而增減關係是4個區間，必然有重疊）

4.如果電機過磁過力(0 0),給定U5,則給定電壓與電機當前位置夾角介於[180° 240°]之間,電機減磁減力

其餘區間類推，最終形成的定子磁鏈如下圖所示：

綜上，可對兩種控制演算法小結如下：

你以為這樣就結束了嗎？當然還沒有，點擊此處閱讀原文

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