永磁同步电机力矩控制（一）：什么是力矩控制？

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永磁同步电机在汽车上的应用越来越广泛，从动力驱动到转向刹车的执行机构，都可以见到其踪影。今天想谈谈永磁同步电机的控制。

做控制的人都知道，任何电机的控制，无非三种不同的控制目标：

• 位置控制：想让电机转多少度它就转多少度

• 速度控制：想让电机转多快它就转多快

• 力矩控制：想让电机出多少力它就出多少力

但无论是哪种控制目标，无非是一个闭环还是两个闭环还是三个闭环的区别，力矩控制作为最内层的环，是必不可少的。今天就来讲讲什么是力矩控制？

要控制一个电机，首先对被控对象的了解是必须的。让我们用下面这张动图来帮助理解永磁同步电机是怎样运动起来的。定子三相上通过互差120度的交变电压以后，在定子铁芯上可以看到产生了旋转的磁场（动图中代表磁场方向的红绿颜色逆时针旋转），在这个旋转的磁场作用下，与转子磁场产生力的作用，带动转子旋转。

           

电机力矩是如何产生的呢？在前文《电机的力矩、转速和功率》，我们分析过力矩与电枢（定子）电流成正比；

那么电流是如何产生的呢？我们可以把电机的每一个绕组想象成一个在磁场中旋转的电阻+电感，如下面的等效电路：

                                                          

假设电机开环运行，当给定电机定子三相一个互差120度的电压建立起旋转磁场以后，如果这个时候没有负载，电机会飞速的转动起来（空载），直到反电势和给定电压完全相等；此时定子绕组中的电流为仍然为0，可以将定子的旋转磁场假想（虚拟/等效）成一个绕着电机轴心旋转的磁铁，假想出来的这块磁铁的南极与转子磁铁的北极轴线相重合；

当转子上有了负载以后，根据牛顿运动定理，电机的转速必然会有一个减速的过程，这就意味着上述等效电路中的反电势降低，而在给定电压不变的情况下，剩下的那些电压就会在电阻中产生电流了。在那这一段减速的过程当中还发生了什么事情呢？因为被负载拖拽了一下，转子磁铁的轴心比虚拟出来的定子磁铁轴心要之后一个角度了，这个角度就是我们所谓的“功角”。

关于电机的矢量模型，互联网上可以找到各种各样的图，但这些图要么太抽象，看了半天不知所云，没法和实物对照起来；要么不够全面，一张图里的内容有限，对实际工作指导意义不大。

因此笔者在实际工作过程中，喜欢把大量相关的矢量都揉在一起，见下图：

                                                 

最中间的小圆是转子（N极和S极），转子外围有排列互差120度的AX，BY，CZ三相定子。

静止两相坐标轴：α与定子A相重合，β比α超前90度（图中绿色坐标轴）

旋转两相坐标找：d轴与转子的N极重合，q轴比d轴超前90度（图中紫色坐标轴）

X轴：定子旋转磁动势ψs，可分解为转子磁动势ψf，id*Lq和Iq*Ld（图中红色向量）

电压矢量：三相全桥的开关组合可以表示的电压在空间的表现形式（黄色箭头）

说一千，道一万，所谓的电机的力矩控制，就是通过一定的控制算法，去寻找一些开关管的组合（图中黄色部分）来合成一个给电机定子的给定电压（图中的大红色箭头），这个电压抵消掉反电势后产生的电流所对应的力矩刚好与外部负载平衡。

永磁同步电机的力矩控制发展至今，从大的方面来说可以分为两个流派：

• 磁场定向控制FOC

• 直接转矩控制DTC

在下一篇将我将讲讲这两种算法的基本思路及异同。