ZHCUCJ3A October 2024 – December 2024
3.1.1 PMSM 的磁場定向控制
為了實現更好的動態(tài)性能，需要采用更加復雜的控制方案來控制電機。借助微控制器提供的數學處理能力，可以實施先進的控制策略，這些策略使用數學變換將永磁電機中的扭矩生成和磁化功能解耦。這種解耦的扭矩和磁化控制通常稱為轉子磁通定向控制、矢量控制，或簡稱磁場定向控制 (FOC)。
在直流 (DC) 電機中，定子和轉子的勵磁是獨立控制的，產生的扭矩和磁通可以獨立調整，如圖 3-2 所示。磁場激勵強度（例如，磁場激勵電流的振幅）決定了磁通的大小。通過轉子繞組的電流確定了扭矩是如何生成。轉子上的換向器在扭矩產生過程中發(fā)揮著有趣的作用。換向器與電刷接觸，這個機械構造旨在將電路切換至機械對齊的繞組以產生最大的扭矩。這樣的安排意味著，電機的扭矩產生在任何時候都非常接近于理想情況。這里的關鍵點是，通過管理繞組以保持轉子繞組產生的磁通與定子磁場垂直。
圖 3-2 在直流電機模型中磁通和扭矩是獨立控制的同步和異步電機上 FOC 的目的在于能夠分別控制扭矩生成分量和磁化磁通分量。FOC 算法可實現扭矩和定子電流磁化磁通分量的解耦。借助于磁化的去耦合控制，定子磁通的扭矩生成分量現在可以被看成是獨立扭矩控制。為了將扭矩和磁通解耦，有必要進行若干數學變換，此時微控制器便會充分發(fā)揮其價值。利用微控制器提供的處理能力，可以非常快速地執(zhí)行使這些數學變換。相應地，這意味著控制電機的整個算法可以高速執(zhí)行，從而實現更高的動態(tài)性能。除了解耦，還可以使用電機的動態(tài)模型來計算很多值，如轉子磁通角和轉子速度，從而提高控制質量。
根據電磁定律，同步電機中產生的扭矩等于兩個現有磁場的矢量叉積，如方程式 15 所示。
該表達式表明，如果定子和轉子磁場正交，即呈 90 度，則扭矩最大。如果可以一直保持此條件且磁通可以正確定向，則會減小扭矩波動并提供更好的動態(tài)響應。然而，若要如此，必須知道轉子位置：這可以通過物理位置傳感器（如增量編碼器）或無傳感器轉子位置觀測器來實現。
為了實現定子磁通與轉子磁通正交對齊的目標，（直接，正交）旋轉坐標系中定子電流的 d 軸分量應設置為零。(d, q) 旋轉坐標系在節(jié) 3.1.1.1.2中有更詳細的說明。當此條件為真時，定子磁通和轉子磁通正交對齊。定子電流的 d 軸分量還可以在某些情況下用于弱磁，這樣可以減少反電動勢，使電機以更高的速度運行。
FOC 包含控制由一個矢量表示的定子電流。這個控制所基于的設計是，將三相時間和速度相關系統(tǒng)變換為兩坐標（d 和 q 坐標）非時變系統(tǒng)。這些設計導致一個與 DC 機器控制結構相似的結構。FOC 電機需要兩個常量作為輸入基準：轉矩分量（與 q 坐標對齊）和磁通分量（與 d 坐標對齊）。由于 FOC 完全基于這些設計，此控制結構處理即時電量。這使得在每次的工作運轉過程中（穩(wěn)定狀態(tài)和瞬態(tài)）均可實現準確控制，并且與受限帶寬數學模型無關。因此，FOC 通過以下方式解決了經典電機控制方案存在的問題：
- 輕松達到恒定基準（定子電流的扭矩分量和磁通分量）
- 輕松應用直接扭矩控制，這是因為在 (d, q) 坐標系中，扭矩的表達式定義如方程式 16 所示。方程式 16.
通過將轉子磁通 (ψR) 的振幅保持在一個固定值，在扭矩和扭矩分量 (iSq) 之間實現線性關系。因此，可通過控制定子電流矢量的轉矩分量來控制轉矩。