电机控制方向的核心是什么?(一)

有同学提问：“即将研一，看了一些论文，稍微了解了一些理论，矢量控制svpwm之类的，matlab也照着别人的模型做了一些。现在不知道干嘛，很迷茫，接下来该做些啥呢，学嵌入式？另外这个方向的最核心部分是什么，不要告诉我是做matlab仿真......感觉那个好无聊。每个专业总有些固定不变的东西，像理论部分的很多，拿来用就行，不用钻研，那电机控制要用的一直在变的那些东西有什么呢？”
我用我的一篇文章来回答这个问题吧。尤其里面的这张图非常关键，SVPWM只是其中一个必要的环节而已，并不是核心，因为SVPWM理解了之后，就不会再问了，你今天让我说SVPWM我都没法把公式说全，因为那是十几年前了解了一次代码写好再也不用动的东西了，但关于电流控制策略，关于PI调整，会伴随着你的工作经验而逐步加深理解。


还有另外一点，我觉得也非常关键，可能也是我这种老电控人的执念吧。我觉得示波器非常非常非常重要，看电流波形，记录电流波形，看那种波形上带来的信息，带来的变化，我觉得是一个美妙的事情，而从波形上分析系统当前的问题，则是一种更高级的能力，而且是不管换了哪个芯片平台，哪家公司都可以适用的能力。


紫色为直流电，绿色为交流电，动态响应5.92ms
2017年的时候，受一个技术论坛的邀请，第一次对过往做的一些新能源汽车用永磁同步电机控制算法做了一个总结，应该是业内第一个对相关工程经验做干货总结的吧，包括那时候很多供应商对于高速下位置latency的概念很多人还不懂，更不用论怎么补偿。后来有俩朋友告诉我，曾把这份材料当作他们公司内控制软件的内部培训材料。后来又在另外几个公开场合做过一些进一步的分享，也做了一些内容的更新。这一段回答知乎的问题，其实经常会用到里面的截图，这次就统一一并放出，供各位研究车用永磁同步电机控制的同仁一起探讨。
1.1 永磁同步电机的原理



P1：聊电机控制之前，先聊受控对象，也就是永磁同步电机的原理，只有了解了电机才能把控制做好。电机原理可以自行学习，与电机控制相关的有两个最最重要的公式：一个是电压方程，从电机原理上讲的是电机的电气特性，从控制系统讲的是电机的输入量-电压的特性。在考虑稳态特性时，忽略di\dt项，我们从这个方程可以看到，Vq除了与 Rs有关外，还与Ld和永磁磁链Ψm有关，而Vd与永磁磁链Ψm无关，那么在一种特殊情况下-零电流空转，就可以得出此时只产生Vq，且Vq与转速 ω和永磁磁链Ψm成正比。这个特性很关键，利用这个特性可以解决很多现实的工程问题：譬如带着转速开脉冲如何没有瞬态电流，譬如如何确定旋变角度是否准，等等。


P2：另外一个最最重要的公式，电机的转矩方程，从电机原理上讲的是电机的电磁转化输出特性，从控制系统讲的是电机的输出量-转矩的特性。这里可以看到转矩方程分为了两部分，第一部分永磁转矩，这个永磁磁链Ψm和电机的成本有关，iq与控制器的成本有关，可以简单认为是花钱的转矩；第二部分磁阻转矩，这个(Lq−Ld)与电机设计的水平有关，iqid的乘积与电机控制的水平有关，可以简单认为是花水平的转矩。永磁同步电机从结构上分为了表面贴式永磁同步电机（SPM）和内嵌式永磁同步电机（IPM），其中SPM的Ld=Lq，所以不存在第二部分磁阻转矩，因此控制上会相对容易一些，在控制转矩时，只调节iq即可。而IPM则是两部分转矩都有，所以IPM的控制难度会大一些，需要同时调节id、iq找到不同条件下最优的id、iq组合。电机转矩中磁阻转矩的占比也是评价电机设计水平和技术演进的一个指标，当前主流的车用驱动电机的磁阻转矩占比普遍在50%-60%级别，还在持续提升中，后续会逐步演化成永磁辅助同步磁阻PMaSynRM和同步磁阻SynRM，但当前还不太合适，主要是效率等指标依然不如PMSM。总体来说，磁阻转矩占比越高，磁钢用量越少，电机成本越低，但性能设计和电机控制也越难，就看水平够不够把这个钱省下来了。（未完待续）