三种磁场定向矢量控制技术的比较知识讲解
矢量控制工作原理
矢量控制工作原理
矢量控制（也称为矢量调节）是一种控制电机转速和转矩的技术，它可以使电机在不同的工作条件下，如启动、加速、恒速等，提供更高的精度和性能。
在矢量控制中，电机的控制变量被分解为两个独立的成分：转子磁场定向（也称为转子磁场轴）和转子磁场幅值（也称为转子磁场幅值轴）。
转子磁场定向是指将电机的磁场定向与控制器中的参考信号进行比较，并根据比较结果调整电机的转矩。
这种定向通常使用变流器控制器中的空间矢量调制技术来实现。
转子磁场幅值是指控制电机的电磁流，以实现所需的转矩。
矢量控制可以通过调整电机的电流矢量，使其与控制器中的参考信号匹配，从而实现所需的转矩。
矢量控制的工作原理可以简单描述如下：
1. 矢量控制器中的速度环路接收来自外部的转速参考信号。
2. 速度环路与电流环路（也称为磁场产生环路）相互作用，以控制电机的转矩和磁场定向。
3. 速度环路通过比较实际转速与目标转速来计算误差，并将误差信号送入电流环路。
4. 电流环路根据速度环路的误差信号，以及电机本身的参数（比如电压、电流、磁场强度等），调节电机的电流矢量，从而实现所需的转矩。
5. 电流矢量由变流器控制器转换为适当的电压和频率，以驱动电机。
通过这种方式，矢量控制可以实现精确的转速和转矩调节，具有较高的响应速度和力矩特性，适用于需要高精度和高性能的应用，如机械运动控制、电动车辆、工业机器人等。
矢量控制FOC基本原理
矢量控制(FOC)基本原理一、基本概念模型等效原则交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。
这样的物理模型如图1-1a 所示。
然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，单相除外，二相、三相、四相…… 等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。
图1图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。
再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流M i 和T i ，产生合成磁动势F ，如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。
把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 1-1a 一样，那么这三套绕组就等效了。
三相--两相变换（3S/2S 变换）在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。
其电流关系为111221022A B C ii i i i αβ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎢⎥-⎣⎦⎢⎦⎣（） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换）同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为cos sin 2sin cos M T i i i i αβϕϕϕϕ⎡⎤⎡⎡⎤⎤=⎢⎥⎢⎢⎥⎥-⎦⎣⎦⎣⎣⎦ （）矢量控制简介矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。
矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。
交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。
将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。
图2图2的上图为静止坐标系下的定子三相交流矢量 图2的中图为静止坐标系下的等效两相交流矢量 图2的下图为旋转坐标系下的等效两相直流标量，T i 是转矩电流，M i 是励磁电流。
现代电机控制技术第3章三相永磁同步电动机矢量控制课件
2
PMSM 的转子结构，按永磁体安装形式分类，有面装式、插入式和内装式三 种，如图 3-1、图 3-2 和图 3-3 所示。
图 3-1 面装式转子结构
图 3-2 插入式转子结构
图 3-3 内装式转子结构
(3-2) (3-3)
A LA LAB LAC iA fA
B LBA LB LBC iB fB
C
LCA
LCB
LC
iC
fC
(3-4)
式中， fA 、 fB 和 fC 分别为永磁励磁磁场链过 ABC 绕组产生的磁链。 11
同电励磁三相隐极同步电动机一样，因电动机气隙均匀，故 ABC 绕组
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
iA iB iC
fA fB fC
式中， A
(Ls
Lm1 )iA
1 2
Lm1
(iB
iC ) fA
。
(3-7)
12
若定子三相绕组为 Y 接，且无中线引出，则有iA iB iC 0 ，于是
将矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，或者反之。这一结论同样适用 于
PMSM，因此可将图 3-9a 所示的矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，如图
3-9b 所示。
17
a) 稳态矢量图
b) 相量图
图3-9 面装式PMSM矢量图和相量图
18
此时，可将式(3-17)直接转换为
U s Rs Is jωs Ls Is jωsΨ f Rs Is jωs Ls Is jωs Lm If Rs Is jωs Ls Is E0
磁场定向控制
利用一个ARM7处理器对无刷电机实施磁场定向控制电机驱动能效不论提高多少，都会节省大量的电能，这就是市场对先进的电机控制算法的兴趣日浓的部分原因。
三相无刷电机主要指是交流感应异步电机和永磁同步电机。
这些电机以能效高、可靠性高、维护成本低、产品成本低和静音工作而著称。
感应电机已在水泵或风扇等工业应用中得到广泛应用，并正在与永磁同步电机一起充斥家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。
推动三相无刷电机发展的主要原因有：电子元器件的价格降低，实现复杂的控制策略以克服本身较差的动态性能成为可能。
以异步电机为例。
简单的设计需要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的排列方式能够产生一种旋转磁通量。
利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感应出一股电流，然后产生转子磁通量。
就是这两种磁通量相互作用产生电磁力矩，使电机旋转。
在转子上感应出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率不同；如果相同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感应电流产生（楞次定律）。
通电频率和其产生的机械频率之间的微小差异是异步电机命名的原因。
一个三相交流电机实现转速可调操作的最简单方式是，实现一个所谓的电压/频率控制（或者叫做标量控制），其工作原理是在频率与电机通电电压之间保持恒比。
这种方法产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。
对于应用负载特性被大家了解的低成本驱动器，以及控制带宽要求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和风扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制方法。
一个MIPS 不是很高并带有合理的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可满足这种应用需求，同时编程也很简单。
这种方法无法在瞬间工作过程中保证最佳的电机特性（力矩、能效）。
而且为防止电机出现临时消磁现象，还必须限制驱动器反作用力的时间。
为了克服这些限制条件，考虑到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制策略。
磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最广泛的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂自动化。
矢量控制_精讲
矢量控制——深入讲解矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。
具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流) 和产生转矩的电流分量(转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f ＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。
基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。
早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。
无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。
实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的无速度传感器的矢量控制方式。
它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。
采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。
由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。
磁场定向技术（FOC）
磁场定向技术（FOC）
磁场定向技术（Field Oriented Control，简称FOC）是直流无刷电机和交流感应电机控制领域所采用的一种纯粹的数学变换方法，因其具有改善控制性能，降低能源消耗的潜力，现已日渐成为运动控制行业的主要关注焦点。
FOC技术优于基于霍尔传感器的无刷直流电机的标准梯形波换相技术，同时可以通过更为复杂而先进的正弦波换相技术为电机提供更为宽泛的速度范围。
对于感应电机而言，FOC技术是对标准变频驱动技术的一种重大改进。
FOC技术与磁通矢量控制技术十分接近，后者可以控制廉价的三相交流感应电机，使其获得类似于昂贵的无刷直流电机的性能，其实，许多供应商都在交替采用这两种方法。
与其他类型的伺服电机相比，比如仍旧应用于不少重要领域的有刷直流电机，无刷直流电机和交流感应电机可以提供更高的功率密度和可靠性，而且交流感应电机也更为便宜。
为充分发挥这些优势，运动控制设计人员都在采用由数字信号处理器（Digital Signal Processors，简称DSP）或专用微处理器构成的高速算法平台，力图改善性能，增进效率。
永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较
２．１ 矢量控制 ＦＯＣ［２］
控制定子磁链的幅值和旋转方向。而定子电压矢量
在 ｄ，ｑ 坐标系中，ＰＭＳＭ 电压方程通常表示为：
!# ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋Ｌｄ
ｄｉｄ ｄｔ
－ !"ｑ
" $# ｕｑ＝Ｒｓｉｑ＋Ｌｑ
ｄｉｑ ｄｔ
＋!"ｄ
（１）
式中 ｕｄ，ｕｑ— ——定子电压 ｄ，ｑ 轴分量
ｉｄ，ｉｑ—— —定子电流 ｄ，ｑ 轴分量
１引言
永磁同步电机（ＰＭＳＭ）有很多优点［１］，如转矩纹 波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强，很适 合在负载转矩变化较大的情况下使用；功率因数高， 长期使用节能效果明显，等等。因此，它在交流传动 领域的应用非常广泛，对其高性能控制策略的研究 也成为众多学者关注的焦点。
近几十年，为了满足工业发展对传动控制技术 的需要，高性能的交流传动控制策略不断出现，其 中 ， 最 具 代 表 性 的 就 是 矢 量 控 制（Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＦＯＣ）和直接转矩控制（Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＤＴＣ）。ＦＯＣ 基于转子磁场定向，而 ＤＴＣ 基于定子磁场定向。虽然这两种控制策略的控 制规则不同，但其最终目标是相同的，即无论电机或 负载参数及外界扰动如何变化，通过对电机转矩和
（Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ） ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．ＦＯＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＤＴＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ＤＴＣ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ａｓ：ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ，ｗｉｔｈ Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｐｒｉｍａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＤＴＣ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｓ ＦＯＣ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ａｒｅ ｓｏ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
矢量控制(FOC)基本原理
矢量控制(FOC)基本原理一、基本概念1.1模型等效原则交流电机三相对称的静止绕组 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F ，它在空间呈正弦分布，以同步转速ω1（即电流的角频率）顺着 A-B-C 的相序旋转。
这样的物理模型如图1-1a 所示。
然而，旋转磁动势并不一定非要三相不可，单相除外，二相、三相、四相…… 等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。
图1图1-1b 中绘出了两相静止绕组α 和 β ，它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F 。
再看图1-1c 中的两个互相垂直的绕组M 和 T ，通以直流电流M i 和T i ，产生合成磁动势F ，如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F 自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。
把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图 1-1a 一样，那么这三套绕组就等效了。
三相--两相变换（3S/2S 变换）在三相静止绕组A 、B 、C 和两相静止绕组α、β之间的变换，简称3S/2S 变换。
其电流关系为111221022A B C i i i i i αβ⎡⎤⎡⎤--⎢⎥⎡⎤⎢⎥⎢=⎢⎥⎢⎥⎢⎣⎦⎢⎥-⎣⎦⎢⎦⎣（） 两相—两相旋转变换（2S/2R 变换） 同步旋转坐标系中（M 、T 坐标系中）轴向电流分量与α、β坐标系中轴向电流分量的转换关系为cos sin 2sin cos M T i i i i αβϕϕϕϕ⎡⎤⎡⎡⎤⎤=⎢⎥⎢⎢⎥⎥-⎦⎣⎦⎣⎣⎦ （）1.2矢量控制简介矢量控制是指“定子三相电流矢量控制”。
矢量控制理论最早为解决三相异步电机的调速问题而提出。
交流矢量的直流标量化可以使三相异步电机获得和直流电机一样优越的调速性能。
将交流矢量变换为两相直流标量的过程见图2。
图2图2的上图为静止坐标系下的定子三相交流矢量图2的中图为静止坐标系下的等效两相交流矢量图2的下图为旋转坐标系下的等效两相直流标量，T i 是转矩电流，M i 是励磁电流。
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磁场定向矢量控制技术按照获得磁链的不同方式大致可分为两种:直接和间接方式。
直接方式的实现依赖于直接测量或对转子，定子，气隙磁链矢量的幅值和位置的估算。
传统的直接矢量控制策略使用检测线圈，具有抽头的定子绕组或霍尔效应传感器对磁通进行检测，但由于电机结构或散热的需要就会产生一定的限制，但随着目前高速DSP的不断面世，在一个PWM周期内，实现负载的控制及磁链估算应成为可能，所以近年来基于磁链观测器的直接方式由重新得到了人们的重视。
而间接方式则使用电动机模型，例如对于转子磁通定向控制，它利用了固有的转差关系。
与直接的方法相比，间接方式对电机参数有较高的依赖性。
多数场合使用间接策略，因为这会使硬件电路相对简单并且在低频下也具有较好的总体性能，但是由于包含了会随着温度，饱和度和频率变化而变化的电机参数，所以需要研究不同的参数自适应策略。
如果从选择的磁链矢量分类的话，磁场定向矢量控制技术一般可分为三种，即气隙磁场定向控制，定子磁场定向控制，转子磁场定向控制。
1. 气隙磁场定向控制方案。
气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的M轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的T轴分量为零。
如果保持气隙磁通M轴分量恒定，转矩直接和T轴电流成正比。
因此，通过控制T轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。
2. 定子磁场定向控制方案。
定子磁场定向的控制方法，是将旋转坐标的M 轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的T轴分量为零。
如果保持定子磁通恒定，转矩直接和T轴电流成正比，从而控制电机。
定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。
然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。
因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦。
3. 转子磁场定向控制方案。
转子磁场定向的控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，将M,T坐标系放在同步旋转磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的M坐标轴。
若忽略由反电动势引起的交叉祸合，只需检测出定子电流的M轴分量，就可以观测转子磁通幅值。
当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的T 轴分量成正比，通过控制定子电流的T轴分量就可以控制电磁转矩。
因此称定子电流的M轴分量为励磁分量，定子电流的T轴分量为转矩分量。
可由电压方程M 轴分量控制转子磁通，T轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制。
下面对它们进行简要的总结和比较：
气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器这使得它比转子磁通的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。
同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。
定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单，然而在低速时，由定子电阻压降占
端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。
定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。
转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时问常数的影响较大，降低了系统性能。
但它达到了完全的解耦控制，无需增加解耦器，并且不存在静态稳定性限制的条件，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度，故应用最为广泛。