目录

一、矢量控制技术的特点

二、矢量控制的概念

三、矢量控制的方式

1、Id=0控制

2、最大转矩控制

3、弱磁控制

四、矢量控制的基本流程

参考资料

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一、矢量控制技术的特点

        优点：正弦波驱动，降低振动；控制周期短，可根据转矩变动进行精确反馈，控制精度高

        缺点：控制周期短，算法实现复杂，对控制器性能有要求

        趋势：随着微控制器成本和性能的改进，应用日趋广泛

二、矢量控制的概念

        无刷直流电机原理：转子由不同极对数的永磁体构成，利用电力电子电路，根据转子的位置切换流入定子线圈的电流，形成旋转磁场，带动转子旋转。定子电流大小决定定子磁场强弱，定子磁场强度决定转子转矩大小。

        因为电机运行时，转子处于旋转状态，针对其转矩，需从转子角度进行分析。从转子角度将转矩分解为磁体磁通方向的d轴和与之垂直的q轴。与此对应，将定子电流通过坐标变换（Clark变换和Park变换）转换为dq坐标系下的分量。通过控制q轴电流，可以控制电机转矩；通过控制d轴电流，可以控制磁场。

图1 矢量控制坐标轴

三、矢量控制的方式

1、Id=0控制

        保持d轴电流为0，电流矢量作用于q轴。因为d轴对转矩无贡献，所以该控制方式在相同转矩条件下的电流最小。现实中该控制方式应用最广泛。

2、最大转矩控制

        在永磁同步电机中，通过合理设计d-q轴，通过磁阻之间的差异产生磁阻转矩，与电磁转矩结合，利用其最大转矩电流比曲线，使在相同的电流条件下产生的转矩最大。

3、弱磁控制

        控制d轴电流为负，对d轴方向的磁通量减磁，通过抑制高转速范围内感应电压的上升，提高电机最高速度。

四、矢量控制的基本流程

        按照有无位置传感器，分为两种不同的控制逻辑。

图2 无位置传感器基本流程

图3 有位置传感器基本流程

        1）电流采集：采集电机三相电流，有两种方式。a）直接使用电流传感器/互感器：传感器安装在电机其中两相进线上，剩余的一相通过Iu+Iv+Iw=0计算，成本较高，但是简单易用；b）分流电阻采样：分为三电阻式、单电阻式等不同形式，在下桥臂或地线上串联分流电阻，通过运放和控制器AD进行测量，成本较低，但是对采样的时间点有要求，需要程序在时序上进行配合，低成本解决方案中多采用这种方式。

        2）坐标变换：矢量控制包含UVW-αβ变换、αβ-dq变换、dq-αβ变换、αβ-UVW变换共四种变换，前两种主要负责将三相电流变换为旋转坐标系下分量，用于电流环控制，后两种主要负责将控制输出反变换为三相坐标系下分量，用于PWM调制。

        3）转子位置估算/转速计算：根据是否采用位置传感器进行区分，用于获取电机角度和转速。如果采用位置传感器，目前使用较多的有光电编码器和磁编码器，将电机角度转换为计数值供控制器计算角度和速度。

        4）速度控制：一般采用PI算法，若需要控制电机位置，需在速度控制的基础上增加位置控制，构成所谓的“三环控制”。在最大转矩控制中，需将速度控制替换为生成最大转矩电流指令的环节。

        5）电流控制：对dq轴电流分量进行解耦控制，一般采用PI算法。一般情况下（Id=0控制），电流控制的参考值idref为0，若采用弱磁控制，需根据实际情况将Idref赋负值。

参考资料

[1]江崎雅康. 无刷直流电机矢量控制技术[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

[2]徐志捷. 永磁磁阻电机的转矩控制[J]. 微电机, 2004, 37(5): 18-20.