BLDC电机控制和矢量控制的理解

最近打算重新温故一下电机的理论知识，翻阅了大量大神关于矢量控制的解释，所以这里做一个小小的总结，如果不足或者错误的地方还请见谅！

1、BLDC电机控制

无刷电机主要由旋转的永磁体(转子)和三组均匀分布的线圈(定子)组成，定子固定在外部。电流通过线圈产生磁场，三组磁场相互叠加形成矢量磁场。通过分别控制三组线圈上的电流，定子可以产生任何方向和大小的磁场。同时，力矩可以通过定子和转子磁场之间的相互吸引和排斥来自由控制。图1为BLDC六步控制换向图。

对于转子旋转的任意角度，定子都存在着一个最优化的磁场方向，能产生最大的力矩；同样，定子也能产生一个无力矩输出的磁场方向。简单地说，如果定子产生的磁场与转子永磁体的磁场方向一致，电机就不会输出任何扭矩。在这种情况下，两个磁场仍然有相互作用力，但由于力的方向与转子旋转轴的方向相同，两个磁场只对轴承产生压力，而不产生任何旋转力。另一方面，如果定子产生的磁场方向正交于转子的磁场方向，这就会产生一个力让转子产生转动，而且这也就是产生最大力矩的位置。定子产生的任何方向和大小的磁场都可以分解成平行和垂直于转子磁场的两个重量。这样，正交磁场产生旋转力，平行磁场产生轴承压力。因此，无刷电机的高效驱动功能是减少平行磁场，最大限度地发挥正交磁场。我们控制线圈电流，而不是定子磁场。因为我们可以很容易地检测电机的电流，而磁场（实际磁通量）很难获得。

流经三组线圈的电流直接在无刷电机中产生定子磁场。三组线圈产生的磁场也有120度的角度差，因为这三组线圈是线圈产生的磁场也有120度角差。这三个磁场相互叠加，产生定子磁场。 为了建模通过定子线圈产生的磁场，我们引入了空间电流矢量的概念。固定线圈的空间电流矢量具有固定的磁场方向，这完全取决于线圈的磁通量和流经线圈的电流的相互作用。这样，我们就可以用空间电流矢量来表示定子的磁场，即三组线圈产生的电流矢量的空间叠加。解释空间电流矢量的直观方法之一是，我们可以假设定子仅由一组线圈组成，通过这组线圈的电流产生的磁场与前三组线圈产生的叠加磁场一致。 和定子磁场一样，定子的空间电流矢量也可以分解成两个垂直和平行于转子磁体轴的分量。垂直方向的电流分量产生磁场正交于转子的磁场，产生旋转扭矩。与转子磁轴方向平行的电流分量产生的磁场与转子磁场一致，不会产生任何扭矩。因此，一个好的控制算法需要最小化平行于转子磁轴的电流重量，因为这个电流重量只会产生多余的热量，加剧轴承的磨损。我们需要控制线圈的电流，以使垂直于转子磁轴方向的电流分量达到最大。由此产生的电机扭矩与该电流重量的大小成比例。

为了有效地获得连续稳定的扭矩，我们需要一个理想的连续稳定的磁场来产生稳定的定子空间电流矢量，磁场需要实时跟随转子的旋转，并永远垂直于其磁场。从转子的旋转方式来看，定子的空间电流矢量应该是数值的稳定值。因此，在电机旋转过程中，定子的空间电流矢量应该表示一个环。由于定子的电流矢量是由三组线圈产生的电流重量叠加而成，三组线圈在物理结构上相互间隔120度，因此电机的电流矢量应该是三组理想状态下的弦波信号叠加而成。同时，这三组弦波信号之间也有120度的相位角。

为了最大限度地减少与转子磁场相同方向的定子电流矢量（零）和垂直磁场，定子线圈中的弦波电流需要随转子的旋转角度实时调整相位。因此，梯形波换相和弦波换相延伸。控制结构图如下。

这里用了一个PI控制电路控制电流。比较实际测量的电流和需求电流，得到偏差信号。这个偏差信号通过积分和放大产生一个输出偏差，用于减少误差。这个由PI控制电路产生的纠偏值随后通过PWM然后提供输出桥。该过程的目的是确保任何线圈中的电流保持稳定。换相与电流控制部分无关。霍尔传感器在电机中产生的位置信号仅用于选择与线圈对应的输出桥，而其他桥保持无电流。电流感应电路主要用于实时检测通电线圈的电流，并将信号反馈给电流控制电路。

梯形换相的缺陷:在这种换相方式下，电流矢量只能表示六个不连续的方向，不能表示任何30度内的电流变化。这使得电机的扭矩以6倍于电机旋转频率的状态产生15%(1-cos(30)波动。由于线圈上的一些电流不能对电机产生扭矩，这种电流矢量不准确也会造成效率损失。更重要的是，电机每转一圈产生的六个电流通道的切换会产生噪声，使得电机在低速下的精度难以控制，在高速下影响可能较小，在低速下影响明显。

与无刷电机相比，梯形波式更换不能实现平稳准确的控制，特别是在低速运行时。弦波换相可以解决这些问题。

无刷电机的弦波控制模式主要是通过同时控制三组线圈的电流，使其在电机旋转过程中以弦波的形式平稳变化。实时控制三组线圈的电流，达到与转子磁场方向垂直的恒定尺寸矢量。与梯形波式换相相比，这种换相方式可以消除力矩的波动和换相时的电流跳动。其控制结构图类似于梯形波换相结构图。在旋转过程中，为了使电机的电流更接近光滑的弦波形式，我们需要使用高精度传感器来准确测量转子的旋转位置。霍尔信号只能进行粗糙的测量，能满足这种高精度要求，所以我们需要使用编码器或类似的设备来满足我们的要求。由于三组线圈的电流必须组合成一组稳定的电机旋转矢量电流，三组线圈相互保持120度角，三组电流必须以弦波形式，相位差为120度。位置编码器主要用于提供两个弦波信号，间隔120度。这两个信号将与扭矩控制信号叠加成放大的弦波信号，以获得对电机的控制扭矩。两个电流信号通过相位叠加形成电机旋转的电流矢量。两个电机线圈的电流信号将被输入到一对PI控制器里。由于第三路线圈电流是另外两路的负叠加，我们不需要控制它。每路P-I接入控制器的输出信号PWM通过桥通过桥路输入电机线圈。第三路线圈的控制电压为另外两路线圈电压的负叠加，三路的控制电压仍保持120度的相位角。为了使实际输出的电流波形与电流控制信号准确一致，整个电流控制矢量必须像我们需要的那样平稳旋转，并保持垂直于转子磁场。

弦波换相可以获得梯形波换相无法实现的电机的平滑控制。然而，这种理想的方法只能在低速运动中起到很好的平滑作用，而对高速运动没有影响。因为当速度上升时，电流环控制器必须跟踪频率上升的弦波信号，并克服振幅和频率上升的电机反电动势。同时因为PI控制器的增益和响应频率有限，因此电流环控制的不稳定性容易导致电流相位和控制误差。速度越快，误差越大。这也导致定子电流矢量的方向不能稳定地跟随转子的旋转磁场，偏离有效的垂直方向。这也使电机输出扭矩逐渐减小，所以我们需要更多的电流来保持电机扭矩，特别是当电机负载运行时，电机电流过大，会增加电机损耗，也可能导致过流保护，这种偏差也降低了电机的工作效率。随着电机转速越快，这种情况会越来越糟。在某种情况下，电机电流的方向偏移会达到90度以上，此时电机的扭矩会降到零。如果速度高于上述状态，速度高于上述状态，电机将输出负矩，但实际上不可能存在。

通过观察结构图，我们可以发现它对电机电流的控制是对变量的控制。当电机速度不断提高时，PI当控制器达到极限带宽时，这种控制方法将失去其效用。

矢量控制可以解决这个问题，即通过直接控制相应于转子磁场平行和垂直方向的矢量电流重量来准确控制定子线圈电流。理论上看，矢量电流可分解成平行和垂直于转子磁场的两个电流分量。其中一个重量产生励磁链(id),另一个重量产生扭矩(iq),因为这两个方向的电流是静态的，PI控制器对电流的控制可以是直流是弦波信号。因此，控制器输出的线圈电流和电压是常量，而不是随时间变化的原始变量，消除了频率响应和相位漂移的限制。

在矢量控制的情况下，我们主要控制转子磁场平行和垂直方向上的电机电流和电压。这表明我们测量的电机电流必须通过PI数学计算控制器，然后将其从定子的三相静态结构转化为转子d-q通过动态结构(平行和垂直于转子磁场)clark变换和park改变，后续会根据自己的理解进行整理。同样，电机端的控制电压也需要数学计算d-q结构转化为定子的三相静态结构，反向结构park转换，然后输入PWM部分进行调制。这就是为什么要进行坐标变换。坐标变换后，我们可以将之前的交流电流和电压控制转变为直流电流和电压控制。因此，PI控制器不需要处理时变电流和电压信号，系统也不会收到PI控制器带宽和相位漂移的影响。

对比三种控制方法：矢量控制可使电机在高速和低速条件下具有良好的控制性能。弦波换相能使电机在低速下运行平稳，但在高速运行下效率大大降低。梯形波换相在电机高速运行下工作正常，高速运行时，换相带来的波动影响较小，但在低速时，换相会产生扭矩波动。

2、总结

p>        矢量控制的原理就是在永磁同步电机上设法模拟直流电机的转矩控制规律，它与前两种换相模式控制相比，多了一个坐标变换的过程，经过坐标变换，使其电流矢量分解为产生磁通的电流分量(id)和产生转矩的电流分量(iq)，这两个分量相互垂直，相互独立。这样就可以对他们进行单独调节，与直流电动机的双闭环控制系统类似。

        为什么要进行坐标变换呢？

        为了将正弦交流信息，转换为角度信息（位置）以及幅值信息(id,iq)，然后分别进行控制，由此引申出了两大变换：Clark变换和Park变换。