一、什么是力矩控制

永磁同步電機在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，從動力驅(qū)動到轉(zhuǎn)向剎車的執(zhí)行機構(gòu)，都可以見到其蹤影。今天想談?wù)動来磐诫姍C的控制。

做控制的人都知道，任何電機的控制，無非三種不同的控制目標(biāo)：

位置控制：想讓電機轉(zhuǎn)多少度它就轉(zhuǎn)多少度

速度控制：想讓電機轉(zhuǎn)多快它就轉(zhuǎn)多快

力矩控制：想讓電機出多少力它就出多少力

但無論是哪種控制目標(biāo)，無非是一個閉環(huán)還是兩個閉環(huán)還是三個閉環(huán)的區(qū)別，力矩控制作為最內(nèi)層的環(huán)，是必不可少的。今天就來講講什么是力矩控制？

要控制一個電機，首先對被控對象的了解是必須的。讓我們用下面這張動圖來幫助理解永磁同步電機是怎樣運動起來的。定子三相上通過互差120度的交變電壓以后，在定子鐵芯上可以看到產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的磁場（動圖中代表磁場方向的紅綠顏色逆時針旋轉(zhuǎn)），在這個旋轉(zhuǎn)的磁場作用下，與轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生力的作用，帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

電機力矩是如何產(chǎn)生的呢？在前文《電機的力矩、轉(zhuǎn)速和功率》，我們分析過力矩與電樞（定子）電流成正比；

那么電流是如何產(chǎn)生的呢？我們可以把電機的每一個繞組想象成一個在磁場中旋轉(zhuǎn)的電阻+電感，如下面的等效電路：

假設(shè)電機開環(huán)運行，當(dāng)給定電機定子三相一個互差120度的電壓建立起旋轉(zhuǎn)磁場以后，如果這個時候沒有負(fù)載，電機會飛速的轉(zhuǎn)動起來（空載），直到反電勢和給定電壓完全相等；此時定子繞組中的電流為仍然為0，可以將定子的旋轉(zhuǎn)磁場假想（虛擬/等效）成一個繞著電機軸心旋轉(zhuǎn)的磁鐵，假想出來的這塊磁鐵的南極與轉(zhuǎn)子磁鐵的北極軸線相重合；

當(dāng)轉(zhuǎn)子上有了負(fù)載以后，根據(jù)牛頓運動定理，電機的轉(zhuǎn)速必然會有一個減速的過程，這就意味著上述等效電路中的反電勢降低，而在給定電壓不變的情況下，剩下的那些電壓就會在電阻中產(chǎn)生電流了。在那這一段減速的過程當(dāng)中還發(fā)生了什么事情呢？因為被負(fù)載拖拽了一下，轉(zhuǎn)子磁鐵的軸心比虛擬出來的定子磁鐵軸心要之后一個角度了，這個角度就是我們所謂的“功角”。

關(guān)于電機的矢量模型，互聯(lián)網(wǎng)上可以找到各種各樣的圖，但這些圖要么太抽象，看了半天不知所云，沒法和實物對照起來；要么不夠全面，一張圖里的內(nèi)容有限，對實際工作指導(dǎo)意義不大。

因此筆者在實際工作過程中，喜歡把大量相關(guān)的矢量都揉在一起，見下圖：

最中間的小圓是轉(zhuǎn)子（N極和S極），轉(zhuǎn)子外圍有排列互差120度的AX，BY，CZ三相定子。

靜止兩相坐標(biāo)軸：α與定子A相重合，β比α超前90度（圖中綠色坐標(biāo)軸）

旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)找：d軸與轉(zhuǎn)子的N極重合，q軸比d軸超前90度（圖中紫色坐標(biāo)軸）

X軸：定子旋轉(zhuǎn)磁動勢ψs，可分解為轉(zhuǎn)子磁動勢ψf，id*Lq和Iq*Ld（圖中紅色向量）

電壓矢量：三相全橋的開關(guān)組合可以表示的電壓在空間的表現(xiàn)形式（黃色箭頭）

說一千，道一萬，所謂的電機的力矩控制，就是通過一定的控制算法，去尋找一些開關(guān)管的組合（圖中黃色部分）來合成一個給電機定子的給定電壓（圖中的大紅色箭頭），這個電壓抵消掉反電勢后產(chǎn)生的電流所對應(yīng)的力矩剛好與外部負(fù)載平衡。

二、FOC與DTC

電機的力矩控制當(dāng)前存在的兩個主要流派是磁場定向控制FOC和直接轉(zhuǎn)矩控制DTC，當(dāng)然這兩種控制的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于永磁同步電機控制的異同。

FOC

FOC控制理論最初于上世紀(jì)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(chǎn)生的磁場虛擬成一個繞轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁勢同軸，不能產(chǎn)生切向的力矩，但會影響永磁同步電機轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的磁場；q軸與轉(zhuǎn)子磁勢相差90度，因而產(chǎn)生切向的力矩（類似兩根垂直的條形磁鐵所產(chǎn)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(biāo)系下的相關(guān)變量轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下（d，q）進行數(shù)學(xué)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(biāo)系下的電壓，因此在控制算法中需要再次把dq軸的電壓轉(zhuǎn)換成ABC三相電壓給驅(qū)動橋。即存在一個從物理模型à數(shù)學(xué)模型à控制算法à物理模型的過程。

要實現(xiàn)FOC，下列輸入必不可少：

1.電機三相電流（可采用如上圖所示的的兩個電流傳感器，也可以采用一個低邊或高邊的母線電流傳感器，用分時采樣電流重構(gòu)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(diào)節(jié)

3.反Clark-Park變換

4.SPWM/SVPWM(當(dāng)然是用SVPWM)

下圖給出了具體的控制過程。

過程如下：

1、測量3相定子電流。這些測量可得到ia和ib的值，可以通過以下公式計算出ic：

ia+ib+ic=0

2、將3相電流變換至2軸系統(tǒng)。該變換將得到變量iα和iβ，它們是由測得的ia和ib以及計算出的ic值變換而來的。從定子角度來看，iα和iβ是相互正交的時變電流值。

3、按照控制環(huán)上一次迭代計算出的變換角，來旋轉(zhuǎn)2軸系統(tǒng)使之與轉(zhuǎn)子磁通對齊。iα和iβ變量經(jīng)過該變換可得到Id和Iq。Id和Iq為變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的正交電流。在穩(wěn)態(tài)條件下，Id和Iq是常量。

4、誤差信號由Id、Iq的實際值和各自的參考值進行比較而獲得。

· Id的參考值控制轉(zhuǎn)子磁通

· Iq的參考值控制電機的轉(zhuǎn)矩輸出

· 誤差信號是到PI控制器的輸入

· 控制器的輸出為Vd和Vq，即要施加到電機上的電壓矢量

5、估算出新的變換角，其中Vα、Vβ、iα和iβ是輸入?yún)?shù)。新的角度可告知FOC算法下一個電壓矢量在何處。

6、通過使用新的角度，可將PI控制器的Vd和Vq輸出值逆變到靜止參考坐標(biāo)系。該計算將產(chǎn)生下一個正交電壓值Vα和Vβ。

7、Vα和Vβ值經(jīng)過逆變換得到3相值Va、Vb和Vc。該3相電壓值可用來計算新的PWM占空比值，以生成所期望的電壓矢量。

DTC：

DTC的出現(xiàn)比FOC晚了十多年，是上世紀(jì)80年代中期由德國學(xué)者Depenbrock教授提出。其基本思路是不再將定子側(cè)的相關(guān)變量折算到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，放棄了矢量控制中電流解耦的控制思想 ,去掉了PI調(diào)節(jié)模塊、反Clark-Park變換和SVPWM模塊 ,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩 ,并利用兩個滯環(huán)比較器直接實現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。

從上框圖我們可看到，控制算法首先根據(jù)電機的線電流和相電壓，得到在靜止兩相坐標(biāo)軸下的電壓和電流 Uα 、Uβ、 Iα、 Iβ。然后根據(jù)這四個量，對定子的磁通和力矩進行估計，怎么個估計法呢？可以用如下兩個公式(不需要電機角度信號)：

同時，還要根據(jù)電機定子的電壓和電流來估算當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置所在的區(qū)間。

當(dāng)然如果擔(dān)心軟件中積分運算有累計誤差導(dǎo)致不準(zhǔn)確，或者轉(zhuǎn)子磁通的值不準(zhǔn)確，或者功率角的值不準(zhǔn)確，也可以在系統(tǒng)中加入角度傳感器，將相關(guān)參數(shù)都放到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)dq軸坐標(biāo)系下后去計算。

計算得到定子磁通和扭矩值以后，與其參考值做比較并經(jīng)過滯緩比較器以后，得到兩個非零即1的狀態(tài)量，表征當(dāng)前磁和力與參考值的關(guān)系其關(guān)系如下。

1.針對當(dāng)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(zhǔn)確的電壓矢量，而是在每個運行周期內(nèi)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(biāo)系的這張圖（雖然在控制中算法中不會用到），稍作思考即可想明白如果施加的電壓向量與d軸在正負(fù)90度之內(nèi)就會導(dǎo)致磁通增加；施加的電壓向量與q軸在正負(fù)90度之內(nèi)就會導(dǎo)致扭矩增加。

可以用下面極坐標(biāo)系的四個象限來表示其關(guān)系：

那么，我們就可以根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置值，按以下開關(guān)表給電機驅(qū)動橋指令：

結(jié)合以上兩圖,以電機在第一扇區(qū)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(dāng)前位置的電壓夾角介于[0° 60°]之間,實現(xiàn)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(dāng)前位置的電壓夾角介于[-60° 0°]之間,實現(xiàn)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(dāng)前位置夾角介于[60° 120°]之間,電機會增力,但磁的狀況不單調(diào),但是隨著多個循環(huán)的調(diào)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(qū)間；而增減關(guān)系是4個區(qū)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(dāng)前位置夾角介于[180° 240°]之間,電機減磁減力

其余區(qū)間類推，最終形成的定子磁鏈如下圖所示：

綜上，可對兩種控制算法小結(jié)如下：

三、關(guān)于電機位置信號

電機位置信號的重要性

在永磁同步電機FOC控制算法中，需要用到一個非常重要的物理量是電機的位置信號。

這個位置信號到底有多重要呢？還是用數(shù)據(jù)來說話吧。筆者搭建了一個電機的電流環(huán)仿真模型，固定電機轉(zhuǎn)速的情況下，給定電機3.2Nm的控制指令，

分三種工況進行仿真：

工況1：轉(zhuǎn)子信號正常（下圖綠線）

工況2：轉(zhuǎn)子信號上疊加30度的偏置（下圖藍線）

工況3：轉(zhuǎn)子信號上疊加±7度的高斯隨機白噪聲（下圖紅線）

從仿真結(jié)果來看，工況2電機輸出力矩不足且存在與轉(zhuǎn)子位置相關(guān)的固有波動；工況3存在一定程度的扭矩紋波。由此，該信號的重要性可見一斑。

電機位置信號的種類

目前在汽車領(lǐng)域的電機里用得比較多的電機位置信號傳感器有兩種類型：

（1） 內(nèi)外磁環(huán)+Hall芯片

這種方案會在電機端部與轉(zhuǎn)子同軸處安裝一磁環(huán)板，板上充有內(nèi)磁環(huán)和外傳兩部分，同時在磁環(huán)附近安裝有一PCB，PCB上安裝有三個單線性hall芯片輸出Hall_A,B,C信號和一個雙線性Hall芯片輸出Hall_Q1,Q2信號。

內(nèi)磁環(huán)上分布與電機極對數(shù)相等均勻分布的N-S磁極，分別依次以120度相位差被三個單hall芯片感應(yīng)。因而，對這三片hall芯片在PCB版上的排列要求就是這三個芯片應(yīng)該在【0 360/極對數(shù)】范圍內(nèi)均勻分布。

外磁環(huán)上分布了若干N-S磁極（比較典型的數(shù)字是72,80），隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動N_S磁極每經(jīng)過雙Hall芯片下方一次，芯片感應(yīng)輸出一組正交90度變化的HallQ1_Q2信號。

比較典型的Hall信號與電機反電勢的關(guān)系見下圖：

一般來說用五路信號足以得到電機絕對位置，并且他們之間具備相互冗余校驗的功能。但是在一些要求比較高的場合，可能會用到7路hall信號。

（2） 旋轉(zhuǎn)變壓器

旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組作為變壓器的原邊，接受勵磁電壓；轉(zhuǎn)子繞組作為變壓器的副邊，通過電磁耦合得到感應(yīng)電壓。其工作原理和普通變壓器基本相似，區(qū)別在于普通變壓器的原邊、副邊繞組是相對固定的，所以輸出電壓和輸入電壓之比是常數(shù)，而旋轉(zhuǎn)變壓器的原邊、副邊繞組則隨轉(zhuǎn)子的角位移發(fā)生相對位置的改變，因而其輸出電壓的大小隨轉(zhuǎn)子角位移而發(fā)生變化。

其典型的信號特征如下：

除此之外，近些年來磁阻型的位置信號傳感風(fēng)頭正勁，大有搶班奪權(quán)之勢。

電機位置信號的應(yīng)用

Hall信號的一般經(jīng)過一個簡單的整形電路以后直接接入單片機的比較捕捉單元就可以被單片機進行解碼，某些單片機甚至有專門的Hall信號正交編碼單元由硬件實現(xiàn)對HallQ信號的解碼；而旋變信號則需要專用的解碼芯片（該專用解碼芯片一般來說是指RDC resolver芯片，現(xiàn)在做的最好的就是美國的ADI和日本多摩川兩家，但也不絕對，比如某日本廠商采用的就是一片運算單元功能強大但外設(shè)很少的MCU）。

審核編輯 ：李倩