永磁同步电机矢量控制

前言

永磁同步电机矢量控制可用在高性能伺服电机或电动汽车上，可实现电机精准的电流转矩控制，在弱磁条件下可提高电机的转速范围，尤其适用于电动汽车驱动电机转速范围广的要求。同时可实现快速的动态响应。但缺点就是矢量控制涉及对三相电流的变换重构，加上SVPWM调制输出，在软件层面更为复杂，运算量大，同时三相电流的采样需要很高的频率才能发挥出矢量控制的优势，所以需要很高的电流控制频率。总而言之，矢量控制运算量大，需要使用主频较高的控制芯片。如果使用无感方案（即无角度传感器，使用观测器观测电机电角度）算法层面更为复杂。下面主要介绍有感方案的矢量控制。

算法核心

将采样得到的三相电流通过Clarke变换和Park变换可得到同步旋转坐标系下电机的d-q轴电流，d轴为直轴（即与电机转子主磁通方向重合的轴）也是励磁轴，通过控制d轴电流可改变励磁磁场大小，一般用来实现最大转矩-电流比控制，也可作为弱磁控制实现额定转速以上的转速控制。q轴为交轴（即与电机转子主磁通方向垂直的轴）也是转矩轴，可通过控制q轴电流改变转矩大小，简单理解电机输出转矩与q轴电流与d轴磁场成正比。但是我们能控制的是三项逆变器开关管的通断（就是我们只能控制线电压/相电压的大小），无法直接控制三相电流，所以我们需要引入反馈控制，将实际的d-q轴电流计算出来，通过PID控制器计算生成目标的d-q轴电压，再进行SVPWM调制生成控制开关管的PWM信 ，从而实现d-q轴电流的控制。至于更外环的转速控制，在id=0的控制策略下，就是通过PID控制器计算得到目标的交轴电流目标值（即iq_ref）。在不同的策略下交直轴电流的目标值获取有所不同。

电流采样

从上面的介绍不难看出，矢量控制的核心或者说前提就是三相电流的采样，关于这一部分，软件和硬件设计上都有相应需要注意的地方。硬件上，对于采样电阻的选取需要考虑到实际电机工作的电流范围，同样的后级偏置放大电路的放大倍数要与单片机的ADC采样范围相一致，另外，硬件上的滤波也十分重要，对于电流的采样，信 的质量直接影响我们控制的质量，所以需要在硬件层面就搭建低通滤波器。软件上，以使用STM32单片机开发矢量控制器为例，核心就是确定ADC执行采样的时机，对于常用的三相下桥臂采样方案，就需要在下桥导通的中间时刻进行采样，并且选择导通时间长的两相进行采样保证采样的正确（因为ADC采样是要时间的，采样窗口，如果遇到导通时间过短，来不及采样，那么就会有采样错误）。这在STM32单片机上是比较容易实现的，对于其高级定时器，可输出6路两两互补的PWM进行开关管的控制，定时器的通道四就可以用来配置成ADC触发的中断源，实现采样时机的控制。

SVWPM空间矢量脉宽调制算法

该算法的功能就是将我们的目标d-q轴电压转换为6路PWM的占空比。算法的步骤主要分：

扇区判断：通过重构的三相电流（直角坐标系下的alpha-beta轴电压）判断目标电压矢量所在扇区

矢量作用时间计算：用上述确定的扇区相邻的电压矢量进行合成目标电压矢量，确定相邻电压矢量的作用时间，再转换为三相逆变器的导通时间（即PWM占空比）

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