电机控制方向的核心是什么?(二)

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1.2 永磁同步电机的控制原理

P3：讲完了电机原理里面最重要的俩公式，下面开始讲讲控制，先从整个控制的大架构开始。这一块经常各种东西都叫算法，都叫策略，都叫架构，都叫技术，所以对于新人很容易混淆。我之前没看到一个非常清晰的命名法，所以在参与写一篇文章时，就整理了下面这个框图：



·永磁电机控制技术架构（PMSM Control Technology Architecture）：确定整个控制系统的输入量和输出量，以及内部的控制逻辑的整个技术架构。在永磁电机的众多控制技术中，变压变频控制技术占有绝对的性能优势，主要有以下三种：基于电机稳态模型的开环的恒压频比控制技术（Constant Vlotage per Frequency，V/F）；基于永磁电机动态模型的闭环的矢量控制技术（Field-Orientation Control，FOC）和直接转矩控制技术（Direct Torque Control，DTC）。三种电机控制技术的性能比较如下表所示。



·V/F：是以维持定子电压与频率比值恒定的方式，确保电机磁链恒定来实现电机控制的方法。V/F具有简单有效、参数鲁棒性高等优势，是当前最常用的感应电机调速方法。然而，V/F属于开环控制，转速和磁链的漂移将直接影响系统的控制精度、动态响应和带载能力，导致启动时带载能力较差，转矩脉动大，调速范围较窄。因此，其应用范围被限制在了对控制性能要求不高的应用场合，而基于动态模型的两种控制策略则成为了实现电机高动态控制性能的首选。

·FOC：F. Blaschke提出的间接磁场定向技术和转子磁场定向技术是今天普遍应用的FOC系统的基本思想。FOC的主要特点是利用坐标变换将电机的动态数学模型建立在两相旋转坐标系下，在转子磁链恒定的情况下实现了转矩电流和励磁电流的解耦控制，使得交流电机的控制方式等效为一台他励的直流电机的控制方式。FOC中的关键技术为磁场定向技术，转子位置的获取是都是关键的一步，也衍生出了多种位置观测方法。FOC可以实现平滑启动，转矩脉动小且调速范围宽，电机影响可以通过精确标定和参数观测来处理，适用于高动态响应指标的工作机械和恶劣的工作环境等。

·DTC：DTC的控制思想是M. Depenbrock首次提出的，去除了FOC系统的电流环，不需要进行复杂的坐标变换，在两相静止坐标下采用双位式Bangbang控制产生PWM调制信号。DTC具有结构简单、动态响应速度快、受电机参数摄动影响较小以及鲁棒性强等优点，适用于快速动态响应、宽调速等应用环境。但DTC的不足之处也较明显，如电流和电磁转矩存在脉动、低速区问题、以及需要高采样频率等，很多学者将SVM与DTC结合可以降低转速和电流的纹波。

·电流控制策略（Current Control Strategy）：确定从位置/转速/转矩指令到电流指令转化的部分的策略。因为电机控制的核心一般都是要转化成转矩的控制，所以如何产生电流指令就是这个策略的核心。（在V/F里面，因为不控电流，所以没有这个模块）。这部分其实就是对电机原理里面的第二个公式-转矩公式在控制上的对应。目前永磁电机电流控制策略包括Id=0、最大转矩电流比（Maximum Torque Per Ampere，MTPA）、最大转矩电压比（Maximum Torque Per Volt，MTPV）、弱磁控制（Flux Weakening Control，FWC）以及单位功率因数控制cosϕ=1等，其性能比较如下表所示。



·Id=0：基于Id=0的控制策略具有算法简单、计算量小等优点，且没有去磁效应，普遍适用于小功率伺服系统。但其功率因数偏低，对于内置式永磁同步电机，该方法没有利用电机的磁阻转矩，影响了电机的转矩性能。

·MTPA：MTPA控制策略充分利用了电机的磁阻转矩，使得电机的最大转矩输出能力大大提升。在输出转矩相同的情况下，该方法的定子电流最小，降低了铜耗，提高了效率。但是该控制策略较复杂，且对电机参数摄动的鲁棒性不强。

·MTPV：MTPV控制充分利用了电压极限圆的限制情况和直流侧电压，最大限度的利用了逆变器容量，保证了电机最大转矩的输出，使系统响应更加迅速，但是，该控制策略算法复杂。

·FWC：FWC在永磁电机中通过增加直轴去磁电流，使得电机的合成磁链减小，保证电压平衡，同时提高了调速范围。然而，电机的参数摄动对该控制策略影响很大，鲁棒性较低。

·cosϕ=1：基于cosϕ=1的控制策略通过控制永磁电机的交、直轴电流分量，使得永磁电机功率因数恒为1，没有无功功率的输出，充分利用了电机和逆变器容量，但其最大电磁转矩有所降低。

·控制算法/控制方法（Control Algrothrim）：确定电压与电流之间转化的方法，电机原理里面讲了，电机的输入量是电压，而影响转矩的是电流，那么就需要把电流转化成电压然后控制整个电机，这个模块就是做这个事情的，其实也就是对电机原理里面的第一个公式-电压公式在控制上的对应。这个事儿的核心其实就是通过一种数学控制模型来构建电压方程这个一阶系统，这个可以参考之前的文章。

在PI双闭环中，为什么外环的输出能直接作为内环的期望值？

具体的学术控制方法有很多，工业上电动汽车用PMSM驱动系统多采用PI算法，国内外学者经过不断探索已经将先进的控制方法引入其中，各控制方法的优势与不足如下表所示。



·PID控制：工业上电动汽车用电机驱动系统多采用经典的PI或者PID控制方法，其算法简单、调速方便、适用性强且易于实现。但是，PI控制方法的动静态性能不及其他先进的控制方法，尤其表现在转矩跟踪精度和响应速度、转矩脉动的抑制、控制器对电机参数摄动的鲁棒性等方面。

·自适应控制（Adaptive Control，AC）：是指通过在线调整控制器参数来应对系统不确定性的控制方法，因而鲁棒性较强，其中最主流的自适应控制方法为模型参考自适应控制（Model Reference Adaptive Control ，MRAC）。MRAC系统由参考模型、可调系统和自适应机构三部分组成，但参考模型和可调系统的设计却依赖电机的精确模型，受电机参数摄动影响较严重。

·H∞控制：H∞控制方法作为一种最典型的鲁棒控制方法（Robust Control，RC），主旨思想是使得控制器对模型的不确定性灵敏度最小，来保持系统的控制性能。其鲁棒性和抗扰性都较强，但是求解过程较为复杂。

·自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control，ADRC）：利用扰动观测器对系统的不确定性进行估计，进而将其引入控制信号之中对不确定性进行补偿，因而具有较强的抗扰性。不足之处是观测器设计参数较多，且逼近过程存在延迟，存在一定程度的稳态误差，影响电机系统的控制精度。

·模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）：设计简单、动态响应快，其当前控制动作是在每一个采样瞬间，通过求解一个有限时域开环最优控制问题。控制方法较为复杂，虽与具体的模型无关，但是其实现则与模型有关，也是一种依赖电机模型参数的控制方法。

·神经网络控制（Neural Network Control，NNC）：参数整定方便、较强的自学习能力，受电机参数的影响小，可以实现平滑启动，转矩脉动较小，调速范围较宽，鲁棒性较高，但是结构较复杂，需要在线迭代运算，实时性较差，适用于可离线辨识电机参数的应用领域。

·模糊控制（Fuzzy Logic Control，FLC）：结构简单，具有良好的鲁棒性，对电机启动的冲击性较小，但在实际应用中其设计依赖于经验和专家知识，在交流伺服电机系统电流调节器、速度调节器设计中获得较好的应用。

·滑模控制（Sliding-Mode Control，SMC）：设计简单、容易实现，且对系统内部参数摄动的敏感度低，对满足外部扰动具有不变性，具有较高的控制精度。电机控制系统中的SMC具有调速范围宽、鲁棒性强等优点，适用于运行轨迹不确定的非线性系统的控制场合，但转矩脉动较高。抖振、奇异性、非匹配不确定性等问题一直以来制约了SMC的应用，先进的SMC算法已经从减小切换增益、降低切换频率以及平滑切换函数等角度，实现了抖振的抑制甚至将其消除。

·PWM调制方法（Modulation Method）：通过前面的控制算法找出需要施加的电压之后，还需要把这个模拟量的电压变成数字量的开关信号，这个调制的方法就是PWM调制方法在众多PWM调制方法中，目前较为主流的有正弦脉冲宽度调制技术（SPWM），空间矢量调制技术（SVPWM）、六步电压法（Six Step Voltage，SSV）和非连续脉冲宽度调试技术（DPWM），其性能比较如下表所示。



·六步电压调制/方波电压调制（SSV）：可通过控制空间电压矢量来调节功率因数角，进而对磁通和转矩进行控制，能够在直流母线电压恒定的条件下，增加逆变器的输入电压。但该算法将导致幅值较高的5、7次谐波。

·正弦PWM调制（SPWM）：从电机系统的供电电源立场出发，重点解决了三相对称正弦波电压频率和电压调节的问题，但是其谐波含量较大会导致电流畸变，影响控制性能。

·空间矢量PWM调制（SVPWM）：从电机立场出发，使电机得到幅值恒定的圆形磁场，与SPWM相比，谐波成分所占比重较小，电流波形畸变程度也更低，旋转磁场更接近圆形，大大提高了直流母线电压的利用率。

·非连续PWM调制（DPWM）：从电控立场出发，使电控减少总的开关次数，与SVPWM相比，谐波更大，但是开关损耗明显变小，一般常用DPWM1，随便放俩图，这里不展开了。（未完待续）





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