电机控制策略简介
在 淘宝店买了一个直流无刷电机，电机主要参数与结构如下图所示。之前就对电机控制的原理很感兴趣，正好可以通过这个电机的例程好好学习一下。在学习电机控制原理之前，首先了解一下电动机。
电动机是一个集电、磁、机械、力、热等能量于一体的复杂物理实体，电动机的研究是一个多物理域内的研究工作 [1]。从组成材料上来说，电动机包含导磁材料（如构成磁路的硅钢片）、导电材料（主要是铜、铝等材料）、绝缘材料（如直流电动机换向片之间的云母、漆包线的外层漆、线圈与铁心之间放置的环氧）等。从运动形式上来说，有静止式的电动机——变压器，还有运动式的电动机，后者又可以分为旋转运动与直线运动的电动机。从结构上来说，电动机包含有定子与转子两大部分。有的电动机定子在外侧，转子在内侧；而有的电动机则正相反。有的电动机定、转子只有一套，而有的电动机定子或者转子则有两套。
1 电动机类型
电动机种类繁多，分类方法也是多种多样，按照电动机工作时所需的是直流电还是交流电分为直流电动机和交流电动机。
直流电动机根据励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同可分为：他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机以及采用两套励磁绕组的复励直流电动机。电动机的励磁源可以是电励磁，也可以是永磁体励磁，近年来出现了两者的混合励磁。
交流电动机大体上可以分为交流异步电动机与交流同步电动机。前者负载运行时，电动机转子速度与定子绕组产生的旋转磁场速度不相等，又称为感应电动机，有笼型转子式交流异步电动机与绕组转子式交流异步电动机。两者的不同之处在于转子的结构，后者通过改变转子回路参数可以获得较好的起动与调速特性。交流同步电动机按转子结构的不同可以分为凸极式和隐极式电动机，按照励磁方式的不同则可以分为电励磁、永磁式同步电动机和近年来出现的混合励磁同步电动机。
随着现代电子技术的发展出现了一些结构与传统电动机结构大不相同的新型电动机，如步进电动机（Stepper Motor）、开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor，SRM）等。这些电动机在工作时必须配以相应的电子装置从而构成电子式的电动机，例如配备有位置传感器以及电子换向器的无刷直流电动机（Brushless Direct Current Motor，BLDC电机）。从内部运行规律来说，BLDC电机属于交流同步电动机。
2 电动机应用概述
在20世纪70年代以前，由于交流电动机调速系统复杂，调速性能又无法与直流电动机调速系统相比，因而一直存在这样的格局：直流电动机在电气牵引、生产加工等调速领域占据霸主地位；交流电动机通常用于基本上无需调速的场合中，例如各种风机、水力发电等。但是交流电动机自身优点众多：结构简单，重量轻，体积小，基本无需维护，单机的速度与功率都可以做得很大，所以当交流电动机现代控制理论、电力电子技术、微型处理器及微型控制器技术发展起来后，从20世纪后期开始便出现了电气传动交流化的浪潮。目前交流电气传动已经占有统治地位。
以电动客车为例，它对调速性能有较高的要求。早期的电动客车采用直流传动系统。当交流电动机矢量控制系统发展起来后，采用磁场定向矢量控制技术的交流异步电动机调速系统具有了良好的调速性能，加上电动机本身的优点，因而迅速在电动客车上取得了应用。而目前永磁同步电动机有更高的效率、更大的功率体积比，所以采用高性能控制技术的永磁同步电动机在电动客车上的应用成为了近年来的研究热点之一。
下图为PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）及逆变器系统的效率Map图，可以看出，在较大的区域内，电动机传动系统都可以保持较高的工作效率。
3 电动机控制策略
直流电动机的控制方法较简单且成熟，其中调节电枢回路电阻最为简单，但是它属于有级调速，并且耗能较多。后来发展到调节电枢电压调速，电动机的调速性能好，属于无级调速，但是需要较为复杂与昂贵的调压装置，其中可以采用的调压装置有旋转式变流机组、晶闸管相控整流系统、直流PWM斩波系统等；当电动机运行在额定电压且需要进一步提高速度就需要采用削弱主磁场的方式进行弱磁调速。
传统电励磁同步电动机可以通过励磁电流的调节使电动机工作在过励磁和欠励磁的状态，从而可以改变电动机与外界的无功功率交换，用以调节功率因数，同时可以进行弱磁升速的控制；而永磁同步电动机（PMSM）气隙磁场的调节只能通过定子电流中通入额外的去磁电流以抵消转子永磁体在气隙中产生的磁场从而进行弱磁升速。
BLDC电机的定子绕组采用电流源逆变器供电，通过循环切换逆变器主开关定子绕组中通过以周期根部的直流电流。因为定子线圈中反电动势为正弦波，而定子电流为直流，所以存在较大的转矩脉动。
| BLDC电机 | PMSM电机 | |
|---|---|---|
| 电源电压 | 梯形波 | 正弦波 |
| 转矩脉动 | 脉动大 | 脉动小 |
| 制动效率 | 效率低 | 效率高 |
| 运行噪音 | 噪音大 | 噪音小 |
| 控制方法 | 简单，位置换相 | 复杂，矢量变换 |
交流电动机的控制性能在FOC（Field Orientation Vector Control）控制技术问世后才得到了质的飞跃。FOC控制提倡的是励磁电流与转矩电流的解耦控制，从而使磁场控制与转矩控制得到兼顾，克服了交流电动机自身耦合的不足。直接转矩控制技术 [2]（Direct Torque Control，DTC）也是基于磁场与转矩分别独立控制的思想，但采用的是比较巧妙的技术——具有继电器特性的砰-砰控制 [3]和电压矢量查询表。
交流电动机是一个非线性、强耦合、高阶、多变量的复杂对象，实际运行工况非常复杂，诸多电动机参数都会发生着一定程度的变化（受温度的影响，电阻会发生变化；受到磁场饱和的影响，定子、转子电感会发生变化；如果使用永磁体励磁，那么温度也会影响磁钢的特性与励磁的强弱），从而影响着交流电动机的实际控制性能。随着自动控制技术的发展，参数辨识技术、自适应控制技术、基于神经网络和模糊控制等先进的控制算法逐步融入到电动机控制技术中，以提高调速系统的快速性、稳定性和鲁棒性。
4 电机系统研究方法
在数字计算机出现后，各种仿真软件得到了广泛应用，除了MATLAB外，还有PSIM、SABER、PSCAD、PSPICE等软件都可以对交流电动机进行数字仿真。下图为MATLAB/SIMULINK环境下的PMSM仿真框图：
计算机仿真可以以较低的成本帮助我们实现对电动机运行过程的深入分析，而实际调速系统仍需要哦各种数字控制器实时控制，如微处理器、单片机、高速数字信号处理器 [4]（Digital Signal Processor，DSP）等。另外，因为数字控制器开发难度较大，成本较高，不利于初学者上手。于是出现了dSPACE半实物系统仿真：采用MATLAB实时控制系统的算法建模，然后将其导入到dSPACE硬件平台中，接下来利用dSPACE系统提供的接口实现逆变器和交流电动机的控制。
参考
- ^《永磁同步电动机变频调速系统及其控制》
- ^直接转矩控制技术 https://baike.baidu.com/item/%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E8%BD%AC%E7%9F%A9%E6%8E%A7%E5%88%B6/9561040?fr=aladdin
- ^砰-砰控制 https://baike.baidu.com/item/%E7%A0%B0-%E7%A0%B0%E6%8E%A7%E5%88%B6/8194776?fr=aladdin
- ^DSP https://baike.baidu.com/item/DSP%E6%8A%80%E6%9C%AF/6610350?fr=aladdin
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