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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。
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——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（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。
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。
矢量控制技术的原理与实现矢量控制技术是一种使电动机能够稳定而高效地工作的控制方法。
它通过对电机的电流和磁场进行调节，实现对电机的精确控制。
本文将介绍矢量控制技术的原理和实现方法。
一、矢量控制技术的原理矢量控制技术是基于电机的空间矢量旋转理论而发展起来的。
其核心原理可以概括为以下两点：1. 空间矢量理论空间矢量理论是矢量控制技术的基础，它描述了电机在磁场空间中的运动和变化。
根据磁场空间的磁链和电磁力矩的理论特性，利用数学模型和矢量分析方法，可以准确地计算和控制电机的运动。
2. 矢量控制算法矢量控制技术通过矢量控制算法来实现对电机的精确控制。
该算法基于电机的电流和转矩方程，通过对电流和磁链的调节来控制电机的转矩和速度。
二、矢量控制技术的实现方法矢量控制技术的实现方法主要包括以下几个方面：1. 电流控制矢量控制技术首先需要对电机的电流进行控制。
通过电流控制器对电机的电流进行调节，使其能够按照预定的矢量轨迹运动。
电流控制器可以采用PID调节器、模糊控制器等，根据具体情况选择最合适的控制器。
2. 磁场定向矢量控制技术还需要对电机的磁场进行定向。
通过对电机的磁场进行定向，可以使电机产生特定方向的磁链，从而实现对电机的精确控制。
磁场定向可以通过空间矢量理论和矢量控制算法来实现。
3. 磁链调节矢量控制技术还需要对电机的磁链进行调节。
通过调节电机的磁链，可以实现电机的转矩和速度的控制。
磁链调节可以通过控制电机的电流和电压来实现，也可以通过改变电机的磁场分布来实现。
4. 动态反馈矢量控制技术还需要实时地对电机进行动态反馈。
通过传感器对电机的状态进行实时监测，可以及时发现和修正电机的运行状态，保证电机能够稳定而高效地工作。
常用的传感器包括位置传感器、速度传感器、电流传感器等。
总结：矢量控制技术是一种非常先进且有效的电机控制方法。
通过对电机的电流和磁场进行精确调节，可以实现对电机的精确控制和高效运行。
矢量控制技术的实现方法主要包括电流控制、磁场定向、磁链调节和动态反馈等方面。
三种磁场定向矢量控制技术的比较磁场定向矢量控制技术是一种利用磁场控制机械运动的新技术，其应用范围广泛，包括磁悬浮列车、磁共振成像、磁力驱动机械装置等领域。
本文将介绍三种磁场定向矢量控制技术：PID算法控制、模糊控制和神经网络控制，并对其进行比较分析。
1. PID算法控制PID算法控制是磁场定向矢量控制技术中最常用的一种。
PID算法通过对磁场定向矢量的大小和方向进行控制，来实现机械运动的精确控制。
PID控制器由三个部分组成：比例部分、积分部分和微分部分。
比例部分控制机械的位置，积分部分控制机械位置的变化率，微分部分控制机械位置变化率的变化率。
PID算法控制具有响应速度快、控制精度高、易于实现等优点。
2. 模糊控制模糊控制是一种以模糊逻辑为基础的控制方法，其特点是通过定义一系列模糊规则来实现机械运动的控制。
模糊控制可以适应各种不确定因素，能够有效地处理机械系统中的误差和干扰，具有很好的鲁棒性。
同时，模糊控制能够处理复杂系统，并且不需要过多的数学模型，因此能够快速实现机械运动的控制。
3. 神经网络控制神经网络控制是一种利用神经网络方法，通过对输入信号进行加权和处理，得到输出信号，来实现机械运动的控制。
神经网络控制具有非线性、自适应、强鲁棒性的特点，能够处理复杂系统和多变量系统。
神经网络控制需要大量的训练数据和时间，在实际应用中需要对系统进行控制分析和建模。
4. 比较分析三种磁场定向矢量控制技术各有优劣，具体比较如下：1.控制精度方面：PID算法控制精度最高，模糊控制次之，神经网络控制较差。
2.响应速度方面：PID算法控制响应速度最快，神经网络控制次之，模糊控制最慢。
3.鲁棒性方面：模糊控制和神经网络控制具有良好的鲁棒性，PID控制较差。
4.实现难度方面：PID算法控制易于实现，模糊控制稍显复杂，神经网络控制非常复杂。
综合考虑，根据具体应用场景选择合适的磁场定向矢量控制技术是非常重要的。
在控制精度要求较高的场合，建议使用PID算法控制；在对控制精度要求相对较低，但需要处理不确定因素的场合，建议使用模糊控制；在对非线性系统进行控制，处理复杂系统的场合，建议使用神经网络控制。
(一) PMSM 的数学模型交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统;永磁同步电机的三相绕组分布在定子上,永磁体安装在转子上;在永磁同步电机运行过程中,定子与转子始终处于相对运动状态,永磁体与绕组,绕组与绕组之间相互影响,电磁关系十分复杂,再加上磁路饱和等非线性因素,要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的;为了简化永磁同步电机的数学模型,我们通常做如下假设：1) 忽略电机的磁路饱和,认为磁路是线性的；2) 不考虑涡流和磁滞损耗；3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时,气隙中只产生正弦分布的磁势,忽略气隙中的高次谐波；4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件；5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响;永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成,在两相旋转坐标系下的数学模型如下：l 电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示:其中,Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链;若要获得三相静止坐标系下的电压方程,则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,如下式所示;2d/q 轴磁链方程：其中,ψf 为永磁体产生的磁链,为常数,0f r e ωψ=,而c r pωω=是机械角速度,p 为同步电机的极对数,ωc 为电角速度,e0为空载反电动势,其值为每项绕组反电动倍;3转矩方程：把它带入上式可得:对于上式,前一项是定子电流和永磁体产生的转矩,称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩,称为磁阻转矩,若Ld=Lq,则不存在磁阻转矩,此时,转矩方程为：这里,t k 为转矩常数,32t f k p ψ=; 4机械运动方程：其中,m ω是电机转速,L T 是负载转矩,J 是总转动惯量包括电机惯量和负载惯量,B 是摩擦系数;(二) 直线电机原理永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变,相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开,然后将电机展开成直线,由定子演变而来的一侧称为初级,转子演变而来的一侧称为次级;由此得到了直线电机的定子和动子,图1为其转变过程;直线电机不仅在结构上是旋转电机的演变,在工作原理上也与旋转电机类似;在旋转的三相绕组中通入三相正弦交流电后,在旋转电机的气隙中产生旋转气隙磁场,旋转磁场的转速又叫同步转速为：60(/min)s f n r p= 1-1 其中,f —交流电源频率,p —电机的极对数;如果用v 表示气隙磁场的线速度,则有：22(/)60s p v n f mm s ττ== 1-2 其中,τ为极距;当旋转电机展开成直线电机形式以后,如果不考虑铁芯两端开断引起的纵向边端效应,此气隙磁场沿直线运动方向呈正弦分布,当三相交流电随时间变化时,气隙磁场由原来的圆周方向运动变为沿直线方向运动,次级产生的磁场和初级的磁场相互作用从而产生电磁推力;在直线电机当中我们把运动的部分称为动子,对应于旋转电机的转子;这个原理和旋转电机相似,二者的差异是：直线电机的磁场是平移的,而不是旋转的,因此称为行波磁场;这时直线电机的同步速度为v=2f τ,旋转电机改变电流方向后,电机的旋转方向发生改变,同样的方法可以使得直线电机做往复运动;图1永磁直线同步电机的演变过程 图2 直线电机的基本工作原理对永磁同步直线电机,初级由硅钢片沿横向叠压而成,次级也是由硅钢片叠压而成,并且在次级上安装有永磁体;根据初级,次级长度不同,可以分为短初级-长次级结构和长初级-短次级的结构;对于运动部分可以是电机的初级,也可以是电机的次级,要根据实际的情况来确定;基本结构如图3所示,永磁同步直线电机的速度等于电机的同步速度：2s v v f τ== 1-3图3 PMLSM 的基本结构(三) 矢量控制磁场定向控制技术矢量控制技术是磁场定向控制技术是应用于永磁同步伺服电机的电流力矩控制,使得其可以类似于直流电机中的电流力矩控制;矢量控制技术是通过坐标变换实现的;坐标变换需要坐标系,变化整个过程给出三个坐标系：1) 静止坐标系a,b,c ：定子三相绕组的轴线分别在此坐标系的a,b,c 三轴上；2) 静止坐标系α,β：在a,b,c 平面上的静止坐标系,且α轴与a 轴重合,β轴绕α轴逆时针旋转90度；3) 旋转坐标系d,q:以电源角频率旋转的坐标系;矢量控制技术对电流的控制实际上是对合成定子电流矢量s i的控制,但是对合成定子电流矢量s i的控制的控制存在以下三个方面的问题：1)s i是时变量,如何转换为时不变量2)如何保证定子磁势和转子磁势之间始终保持垂直3)s i是虚拟量,力矩T的控制最终还是要落实到三相电流的控制上,如何实现这个转换s i从静止坐标系a,b,c看是以电源角频率旋转的,而从旋转坐标系d,q上看是静止的,也就是从时变量转化为时不变量,交流量转化为直流量;所以,通过Clarke和Park坐标变换即3/2变换,实现了对励磁电流id和转矩电流iq的解耦;在旋转坐标系d,q中,s i已经成为了一个标量;令s i在q轴上即让id=0,使转子的磁极在d轴上;这样,在旋转坐标系d,q中,我们就可以象直流电机一样,通过控制电流来改变电机的转矩;且解决了以上三个问题中的前两个;但是,id、iq不是真实的物理量,电机的力矩控制最终还是由定子绕组电流ia、ib、ic或者定子绕组电压ua、ub、uc实现,这就需要进行Clarke和Park坐标逆变换;且解决了以上三个问题中的第三个;力矩回路控制的实现：1)图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入,ic可由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出;2)clarke变换的输出iα,iβ,与由编码器测出的转角Θ作为park变换的输入,其输出id与iq作为电流反馈量与指令电流idref及iqref比较,产生的误差在力矩回路中经PI运算后输出电压值ud,uq;3)再经逆park逆变换将这ud,uq变换成坐标系中的电压u α,uβ;4)SVPWM算法将uα,uβ转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流;(四)电流环控制交流伺服系统反馈分为电流反馈、速度反馈和位置反馈三个部分;其中电流环的控制是为了保证定子电流对矢量控制指令的准确快速跟踪;电流环是内环,SVPWM控制算法的实现主要集中在电流环上,电流环性能指标的好坏,特别是动态特性,将全面影响速度、位置环;PI调节器不同于P调节器的特点:1)P调节器的输出量总是正比于其输入量;2)而PI调节器输出量的稳态值与输入无关, 而是由它后面环节的需要决定的;后面需要PI调节器提供多么大的输出值, 它就能提供多少, 直到饱和为止;电流环常采用PI控制器,目的是把P控制器不为0 的静态偏差变为0;电流环控制器的作用有以下几个方面：3)内环；在外环调速的过程中,它的作用是使电流紧跟其给定电流值即外环调节器的输出；4)对电网电压波动起及时抗干扰作用；5)在转速动态过程中起动、升降速中,保证获得电机允许的最大电流-即加速了动态过程；6)过载或者赌转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用;电流环的控制指标主要是以跟随性能为主的;在稳态上,要求无静差；在动态上,不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调,以保证电流电流在动态过程中不超过允许值;双闭环电机调速过程中所希望达到的目标：1)起动过程中: 只有电流负反馈, 没有转速负反馈;2)达到稳态后: 转速负反馈起主导作用; 电流负反馈仅为电流随动子系统;双闭环电机具体工作过程：根据检测模块得到的速度值和电流值实现电机转速控制;当测量的实际转速低于设定转速时,速度调节器的积分作用使速度环输出增加,即电流给定上升,并通过电流环调节使PWM占空比增加,电动机电流增加,从而使电机获得加速转矩,电机转速上升；当测量的实际转速高于设定转速时,转速调节器速度环的输出减小,电流给定下降,并通过电流环调节使PWM占空比减小,电机电流下降,从而使电机因电磁转矩的减小而减速;当转速调节器处于饱和状态时,速度环输出达到限幅值,电流环即以最大限制电流实现电机加速,使电机以最大加速度加速;电流环的主要影响因素有：电流调节器参数、反电动势、电流调节器零点漂移;电流调节器的参数中,比例参数Kp越大,动态响应速度越快,同时超调也大,因此,在调节过程中应该根据动态性能指标来选择Kp；而积分系数Ti越大,电流响应稳态精度就越高;(五)弱磁控制所谓弱磁控制和强磁控制是指通过对电动机或发电机的励磁电流进行的控制;“弱磁”就是励磁电流小于额定励磁电流；“强磁”则是比额定励磁电流大的励磁电流;强磁控制又称为强励控制,主要用在发电机短路保护或欠电压保护方面;当发电机端电压接近于0或下降太多,此时需要通过强行励磁,可使发电机的端电压升高,输出电流增大,触发保护装置动作跳闸,实现保护;弱磁控制则主要是电动机进行弱磁调速用,发电机弱磁控制则主要是指由直流发电机-直流电动机构成的G-M拖动系统,为了得到软的或下坠的机械特性时才使用;(六)电流传感器霍尔传感器是一种磁传感器;用它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用;霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础,是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器;霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用;霍尔效应：如图1所示,在半导体薄片两端通以控制电流I ,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B 的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为U H 的霍尔电压,它们之间的关系为：dIB k U H 式中d 为薄片的厚度,k 称为霍尔系数,它的大小与薄片的材料有关;电流传感器：由于通电螺线管内部存在磁场,其大小与导线中的电流成正比,故可以利用霍尔传感器测量出磁场,从而确定导线中电流的大小;利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器;其优点是不与被测电路发生电接触,不影响被测电路,不消耗被测电源的功率,特别适合于大电流传感;霍尔电流传感器工作原理如图6所示,标准圆环铁芯有一个缺口,将霍尔传感器插入缺口中,圆环上绕有线圈,当电流通过线圈时产生磁场,则霍尔传感器有信号输出;。
矢量控制与V/F控制详解
一、矢量控制
1、矢量控制简介
矢量控制是一种电机的磁场定向控制方法:以异步电动机的矢量控制为例:它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的.一般的感应电机转子电流不易测量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流.然后，有一些坐标变换，首先通过3/2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度.最后再经过2/3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能。
综合以上:矢量控制无非就四个知识:等效电路、磁链方程、转矩方程、坐标变换(包括静止和旋转)。
矢量控制可以根据客户的需要微调电机，可以做伺服电机用。
不是以电机效率为最高追求，而是以工程要求，时刻跟踪反馈控制。
2、矢量控制详解
矢量控制概念：矢量控制目的是设法将交流电机等效为直流电机，从而获得较高的调速性能。
矢量控制方法就是将交流三相异步电机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，这样即可等效于直流电机。
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。
矢量控制特点：变频器矢量控制，按照是否需要转速反馈环节，一般分为无反馈矢量控制和有反馈矢量控制。
1）无反馈矢量控制。
无反馈矢量控制方式优点是：
a）、使用方便，用户不需要增加任何附加器件。
第七章磁场定向矢量控制系统判断题1.不同电机模型彼此等效的的原则是在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致。
√2.矢量控制系统可以分为电压型和电流型，现代牵引传动系统中，电流型矢量控制系统应用最为普遍。
⨯3.低速情况下，采用电压模型法观测转子磁链性能比采用电流模型法好。
⨯4.转子磁链准确的检测与计算是进行矢量变换控制的前提。
√5.直接矢量控制系统是转速和磁链闭环控制的矢量控制系统。
√6.CRH2型动车组在低速时采用异步调制，高速时采用分段同步调制，弱磁控制采用单脉冲控制。
√7.间接矢量控制系统是转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统。
√8.转子磁链观测模型中电流模型比较适用于微机数字控制。
⨯9.在电传动系统中，电机是实现机电能量转换的主体。
√10.转子系统与静止系统之间的变换是一种旋转变换，而不是静止的三相/两相变换。
√11.矢量控制是以定子磁链的矢量来定向的。
⨯12.电机转子时间常数会随着转子绕组温度而变化。
√13.德国的BR152电力机车采用的是间接矢量控制方式。
⨯14.一般情况下，我们希望电动机工作在额定满磁场的状态。
√15.直接转矩控制方式比矢量控制方式具有更优良的动、静态性能。
√选择题1.我国CRH2型动车组采用的控制策略是______（B）A. 恒压频比控制策略B. 转子磁场定向间接矢量控制策略C. 转子磁场定向直接矢量控制策略D. 直接转矩控制策略2.下面几种异步电机控制方式中，属于智能控制的是______（C）A. 恒压频比控制B. 直接转矩控制C. 人工神经网络控制D. 矢量控制3.下面几种转子磁链观测的方法中，哪一种是在两相旋转坐标系上实现的（D）A. 电压模型法B. 电流模型法C. 电压—电流模型法D. 根据指令电流和转速检测值计算磁链法4.在电压—电流转子磁链观测模型中，没有用到的信号是______（B）A. 定子电流信号B. 转子电流信号C. 定子电压信号D. 转速信号5.下列车型中，采用间接矢量控制的是______ （A）A. CRH2型动车组B. 德国BR152电力机车C. 奥地利1012电力机车D. CRH3型动车组6.在电力牵引交流传动电力机车和高速动车组上，异步牵引电动机控制方法经历了几个发展过程。
(一) PMS Ｍ的数学模型交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。
永磁同步电机的三相绕组分布在定子上,永磁体安装在转子上。
在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态,永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响,电磁关系十分复杂,再加上磁路饱和等非线性因素,要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。
为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设:1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的;2) 不考虑涡流和磁滞损耗；3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波；4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件;5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。
永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成,在两相旋转坐标系下的数学模型如下:(ｌ）电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示：d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ⎧=+-⎪⎪⎨⎪=++⎪⎩其中，R ｓ为定子电阻;u ｄ、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压;i ｄ、iq 分别为ｄ、q 轴上对应的两相电流;Ｌd 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωｃ为电角速度;ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。
若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,如下式所示。
cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ⎛⎫ ⎪-⎛⎫⎪⎛⎫ ⎪⎪=--- ⎪ ⎪⎪⎝⎭ ⎪⎪⎝⎭ ⎪+-+⎝⎭（2)d/ｑ轴磁链方程： d d d f q q qL i L i ψψψ=+⎧⎪⎨=⎪⎩ 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度,ｐ为同步电机的极对数，ωc 为电角速度,e0为空载反电动势，其值为每项绕倍.(３）转矩方程:32e d q q d T p i i ψψ⎡⎤=-⎣⎦ 把它带入上式可得：3()233()22e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψψ⎡⎤=+-⎣⎦=+- 对于上式,前一项是定子电流和永磁体产生的转矩,称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩,称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩,此时,转矩方程为：32e f q t q T p i k i ψ== 这里,t k 为转矩常数，32t f k p ψ=. (4)机械运动方程: m e m L d T J B T dtωω=++ 其中,m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量（包括电机惯量和负载惯量）,B 是摩擦系数.(二) 直线电机原理永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开,然后将电机展开成直线,由定子演变而来的一侧称为初级,转子演变而来的一侧称为次级。
转子磁链定向矢量控制策略转子磁场定向的矢量控制方式目前应用较普遍。
将转子磁链的方向定义为m 轴的方向，垂直于m 轴的方向定义为t 轴方向。
这时，将以转子磁场进行定向时的m 轴也称为d 轴，t 轴称为q 轴。
在异步电机运行过程中假如保持励磁电流恒定，则输出的转矩仅与转矩电流成正比。
它的优点是解耦了磁链与转矩，使得控制上较为接近于直流电机的控制，实现了人们最初的设想。
矢量控制的磁链取得方法有间接或直接，也称间接磁场定向和直接磁场定向，它们的区别在于：①间接磁场定向间接磁场定向的矢量控制是根据异步电机的数学模型，及各个坐标系下的电机方程，通过计算得到其固有关系式，引入电机参数进行计算，估计磁链的幅值与相角，其缺点是受电机参数的准确性影响较大，且在电机运行过程中，电机参数发生变化需要进行相应的调整，其优点是不需要受到特殊硬件检测设备的制约，节约成本，提高应用性。
②直接磁场定向直接磁场定向的矢量控制是运用直接方式，获取磁链的位置、幅值，需安装磁链传感器，而在一些场合，安装磁链传感器很难做到。
随着DSP 不断更新升级，使在较短时间内完成运算估算磁链已越来越可行，因此直接磁链观测器越来越多地受到人们重视。
其缺点是对仪器的精度要求很高，优点是基本不受转子时间常数影响。
如果观测的精度足够高，那么进行矢量控制的准确度就会极为简便。
1.三相异步电动机动态数学模型在以转子磁场定向的同步旋转坐标系dq 轴下，异步电动机的动态数学模型为 （1） 电压方程为sd sd s s e sm e m sq sq e s s s e m m rd rd m s m r r s rq rq s m m s r r r u i R L p L L p L u i L R L p L L p u i L p L R L p L u i L L p L R ωωωωωωωω+--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥+⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-+-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦(1-1) 式中，u sd 、u sq 、u rd 、u rq 、i sd 、i sq 、i rd 、i rq 分别为定子电压、转子电压、定子电流、转子电流、在dq 轴上的分量；ωs 为转差角速度，即ωs =ωe -ωr ；ωe 为同步角速度；ωr 为转子角速度。
无刷直流电机矢量控制技术一、引言无刷直流电机（BLDC）在工业生产和家用电器中都有广泛应用，而矢量控制技术是BLDC控制的重要方法之一。
本文将详细介绍无刷直流电机矢量控制技术的原理、实现方法以及应用场景。
二、无刷直流电机简介无刷直流电机是一种基于永磁体和交变电源的转子驱动器，其结构与传统的有刷直流电机不同。
BLDC具有高效、低噪音、长寿命等优点，在许多领域都有广泛应用。
三、矢量控制原理矢量控制是一种高级的BLDC控制方法，它充分利用了BLDC结构中的永磁体，通过对永磁体和转子位置进行精确测量和计算，实现对转子位置和速度的精确控制。
1. 空间矢量理论空间矢量理论是BLDC矢量控制中最基本的理论之一。
它将三相交流信号表示成一个旋转向量，在不同时间点上旋转不同角度，从而实现对BLDC驱动器输出信号的精确调节。
2. 磁场定向控制磁场定向控制是BLDC矢量控制中的另一个重要理论。
它通过对BLDC中的永磁体和转子位置进行精确测量和计算，实现对转子位置和速度的精确控制。
四、矢量控制实现方法BLDC矢量控制有多种实现方法，其中最常见的是基于DSP芯片的数字式矢量控制。
下面将介绍数字式矢量控制的实现方法。
1. 传感器信号采集数字式矢量控制需要采集BLDC驱动器中的多个信号，包括电流、电压、角度等。
这些信号需要通过传感器进行采集，并通过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。
2. 控制算法设计数字式矢量控制需要设计一套高效稳定的控制算法，以实现对BLDC 驱动器输出信号的精确调节。
这些算法包括PID算法、FOC算法等。
3. DSP芯片编程DSP芯片是数字式矢量控制中最重要的组成部分之一。
它需要编写相应的程序代码，以实现对BLDC驱动器输出信号的精确调节。
五、应用场景BLDC矢量控制技术在许多领域都有广泛应用，包括工业生产、家用电器、电动车等。
下面将介绍BLDC矢量控制在电动车中的应用。
1. 电动车驱动系统BLDC矢量控制技术可以应用于电动车驱动系统中，通过对BLDC驱动器输出信号的精确调节，实现对电动车速度和转向的精确控制。
矢量控制(FOC)基本原理2014.05.15duquqiubai1234@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 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⎡⎤⎡⎡⎤⎤=⎢⎥⎢⎢⎥⎥-⎦⎣⎦⎣⎣⎦ （）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。
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。
