从降本增效到电机控制知识树

回顾永磁同步电机控制应用场景，电机控制算法的发展大体归结于四个字，降本增效。以下内容围绕这四个字，增效、降本两个方面梳理该领域相关知识，串联永磁同步电机控制技术体系。

1、 增效

增效即提高控制性能，具体落脚点在提高效率、提高转速、加快响应、减小转矩脉动四个方面。

1.1、 提高效率

永磁同步电机是把电能转化为机械能的一个设备，电流通过电机线圈产生定子磁场，定子磁场和转子永磁体磁场相互作用电机做功。

作为一个能量转换的设备，我们希望其转换效率尽可能的高，要提高效率，就让流向永磁同步电机的电流尽可能多产生转矩。
同行的前辈把电流分解为励磁电流id和转矩电流iq，我们知道了电机转子位置后，可以精准的控制用来励磁的电流和用来产生转矩的电流的大小，进而定向的控制转子磁场和定子磁场的夹角，这样的控制算法便是foc

而MTPA算法和最小损耗控制算法则解决了具体怎么分配励磁电流和转矩电流以达到每安培电流产生最大的转矩的问题，MTPA的意思便是最大转矩电流比，该算法在不考虑铁损的情况下实现了理论上的最高效率，最小损耗控制要解决的问题是考虑了铁损时如何达到最高的效率。

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Simulink永磁同步电机控制仿真：一种计算量极小的MTPA算法推导及实现

1.2、 提高转速

在一些电池供电的场景，随着电池放电母线电压逐渐降低，电机的转速下降。为了让不同电池电量下用户实际使用体验接近，或者在电机电量快要放完时依然能够输出足够的功率，希望电压较低时输出更高的转速。

电机要匀速或高速旋转，电机要做功必须产生等于或大于负载扭矩的扭矩，这就要求驱动器要提供跟转速方向一致的电流。

电机运行过程的等效电路如下图，驱动器输出电压要克服反电动势es，还要被电机内阻消耗。

所以为了让驱动器提供跟转速方向一致的电流，驱动器的输出电压必须大于电机反电势电压。

综上，提高转速可以分出两条路径，一条是提高电压利用率，这个方向上发展出了svpwm(空间矢量调制)，可以让电压利用率达到100%，结合过调制技术电压利用率甚至可达尽115%。一条是减弱电机反电势，这个方向通过弱磁技术实现。

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永磁同步电机控制笔记：中点平移法svpwm实现分析

Simulink永磁同步电机控制仿真：过调制及电流重构

1.3、 加快响应

让电机响应更快是行业内共同的目标。在机械臂应用，响应速度提升一倍就意味着作业效率提升一倍；在电动汽车，无人机领域，响应速度决定了系统的机动性能。

为了提升响应速度，工程师希望控制对象更快的从当前状态调整到目标状态。

对于环路来说，控制对象的模型参数变得重要，当模型参数已知时，本来需要通过积分抵消的误差项可以直接通过前馈的方式抵消。

其他近些年被提及较多的控制器如ADRC、MPC、LQR也是类似的作用，通过控制对象的模型计算输出起主要作用，积分抵消误差占成分较小，假定系模型参数准确，理论上可以做到一拍的时间把输出调整到目标状态，而以积分抵消误差的PI控制器要多次调整，逐渐收敛。

使用更复杂的基于模型的控制器，前提是要知道控制对象的参数，对于电流环，需要知道电阻电感磁链常数；对于速度环需要知道阻尼、负载惯量。有些参数不易直接测量，就需要参数辨识技术来配合。

对于电控系统来说，电机可能在启动前有初始速度，希望让电机从当前速度直接过渡到目标速度，而不是先等待电机停止，这时用到的便是飞车启动技术，先追踪电机当前的转速，然后初始化控制器状态，从当前状态启动电机往目标状态过度。

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永磁同步电机控制笔记：电机参数离线辨识方法

1.4、减小转矩脉动

在一些涉及载人的应用场景如电梯、电动汽车、高铁、跑步机等，转矩脉动是严重影响体验感的。导致转矩脉动的是磁场谐波，其中逆变器非线性导致6次电流谐波的出现；而电机结构如绕组分布方式、转子磁极形状导致5、7次谐波；齿槽配合导致的齿槽效应、磁路饱和也将引起转矩谐波。

为了改善转矩脉动，除了优化电机设计外，软件算法上也有重要的工作要做。

在大功率场景，逆变器非线性(死区)导致的6次谐波占比非常大，对于该问题，发展出了死区补偿算法。

对于难以通过电机设计优化解决的5、7次谐波，则通过谐波注入解决。

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Simulink永磁同步电机控制仿真：一种自适应死区补偿方法

2、降本

降本的重要性不必多说，在不牺牲产品功能性能的情况下，降本在任何地方都是政治正确的。要让产品做的便宜，对直观的降本方法是能省掉的器件就省掉。在这条路径下出现了精简电流传感器、精简位置传感器、精简电解电容三个方案。

2.1、精简电流传感器

精简电流传感器不仅省掉了电流传感器的成本，更降低了pcb布线的难度，代价则是较为复杂的软件设计。

对于常规的相线上放置采样电阻的电流采样方案，把采样电阻放到下桥臂可以大幅降低共模噪声，进而降低对运放的要求。但是带来了必须在下桥臂导通时才能采样到电流的问题。在占空比极大时，没有足够的电流采样窗口需要电流重构技术处理电流。

根据基尔霍夫电流定律，三相电流之和为0，则任意两相电流信号就可以完整反映三相相电流，甚至三个电流传感器可以省掉一个，只需要在桥臂放置两个电流传感器即可完成三相采样，只是代价是调制比受到一定限制。

又考虑到所有电流都是流经母线的，通过母线电流即可重构出三相电流。在对成本敏感但是对电压利用率不敏感的场合，单电阻采样也成了常见的选择。

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Simulink永磁同步电机控制仿真：过调制及电流重构

Simulink永磁同步电机控制仿真：单电阻采样时序及具体实现

2.2、精简位置传感器

随着软件算法的发展，无传感器控制算法已经能够胜任大多数场景，某些高性能位置估算算法已经实现了1%额定转速下额定负载工作。结合高频注入算法更是足以实现全速度域控制，足以满足几乎所有不需要位置控制的场景。并且在高速场合能够达到比低成本位置传感器更高效率的控制效果。

因为无位置传感器相关算法依赖电机参数，伴随着无位置传感器算法的发展，参数辨识算法也被广泛应用。

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永磁同步电机转子位置估算专题 —— 基波模型类位置估算概要

永磁同步电机控制笔记：电机参数离线辨识方法

2.3、精简电解电容

电解电容成本高，寿命短的特点让人诟病；为了取消电解电容，已经有多家有实力的公司在挑战使用小容量薄膜电容替代电解电容的方案。较小容量的电容使得母线电压波动更大，进而导致电机转速波动较大。但是在多年的努力后也取得了一定突破，在某些场景，精简掉电解电容的产品已经问世。

小结

距离上次更新已有月余，本篇作为春节后的第一篇更新，梳理了一下电机控制领域相关的知识树。可能还要不完善之处，欢迎读者朋友补充。