电机控制系列模块解析（第一篇）——模块全图景
本篇以磁场定向控制为引子，逐个对电机控制涉及的算法模块进行解析。
一、电机控制算法模块全图景——模块逐一概要解析
这张图片展示了电机控制系统的多个关键算法模块及其相互关系（全景图中，外围模块所在大概的位置均与此磁场定向矢量控制框图内部模块有关联）。这张图展示的是一个电机控制系统中的多个模块和算法。这些模块和算法都是为了实现磁场定向控制（Field-Oriented Control, 简称FOC）而设计的。磁场定向控制是一种先进的电机控制技术，它通过分离电机的转矩和磁链分量，从而实现对电机的精确控制。在图中，我们可以看到一些关键的模块，如位置控制、转速控制、转矩控制等。这些模块分别负责电机的位置、速度和转矩的控制。例如，位置控制模块通过PI控制器来调节电机的位置；转速控制模块同样使用PI控制器来调节电机的速度；而转矩控制模块用来实现对电机转矩的控制。此外，还有其他一些重要的算法，如弱磁控制、MTPA（最大转矩每安培）、电流环参数计算、HFI（旋转/脉振注入）等。这些算法都是为了提高电机的性能和效率而设计的。例如，弱磁控制可以降低电机的磁饱和度，从而提高电机的转矩输出；MTPA则可以通过优化电流环参考值来最大化电机的转矩输出；电流环参数计算则是为了确保电流环的稳定性和响应速度；而HFI则可以通过注入高频信号来检测电机的状态和参数。总的来说，这些模块和算法共同构成了一个完整的磁场定向控制系统，它们相互配合，实现了对电机的精确控制和高效运行。
以下是每个模块的详细解释：
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负载观测 And 转矩前馈：这一模块用于监测电机的负载变化，并将负载信息反馈给控制系统，以调整电机的输出转矩。
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速度环参数计算：该模块负责计算速度环的增益和积分时间常数等参数，以确保速度环的稳定性和响应速度。
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弱磁控制：这个模块用于控制电机的磁链，通过改变电机的励磁电流来调节磁链的强度，从而实现弱磁控制。
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MTPA（最大转矩/每安培）控制：MTPA是一种优化电机转矩的方法，通过调整电流大小来最大化电机转矩，同时保持电流在安全范围内。
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电流环参数计算：该模块负责计算电流环的增益和积分时间常数等参数，以确保电流环的稳定性和响应速度。
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HFI旋转/振幅/方波注入：HFI是一种增强电机控制性能的技术，通过向电机注入高频信号来改善其动态响应。零低速位置估计专用。
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PWM调制策略：PWM是一种常用的电力电子技术，用于控制逆变器输出的电压和频率。PWM调制策略决定了逆变器的开关模式和输出波形。调制策略较多，之后逐一解析。
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逆变器类型：多相、容错、多电平：逆变器是将直流电转换为交流电的电力电子设备。多相逆变器可以提供更高的功率密度和可靠性，容错逆变器能够在部分故障时继续工作，多电平逆变器可以降低谐波失真并提高效率。不同应用场合对其类型要求不同。
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母线电容寿命估计：这个模块用于评估母线电容的使用寿命，以及逆变器开关管结温和电机温度。
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薄膜电容、逆变器开关管结温估算：这是两个模块，前者是为了抑制薄膜电容其容值较小带来的拍频等问题，后者这个模块用于估计逆变器开关管的结温，以确保逆变器的可靠运行。
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电机温度估计：这个模块用于估计电机的温度，以防止电机过热。
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轴承载荷估计：这个模块用于监测电机轴承的负荷，以确保轴承的正常工作。
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电机退磁检测：这个模块用于检测电机的退磁现象，以防止电机性能下降。
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直流制动：这个模块用于通过施加直流电压来减慢电机的转速。
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过调制：这个模块用于增加逆变器输出电压的幅度，以提高电机的动态性能。
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欠压调节 & 过压调节：这两个模块用于调节母线电压，防止极端条件下设备频繁报故障。
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各类电压采样 Or 重构：这个模块用于测量或者计算电机的电压，并将其转换为数字信号，以便进行后续的控制和分析。
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各类电流采样 or 单电阻：这个模块用于测量电机的电流，并将其转换为数字信号，以便进行后续的控制和分析。单电阻需要配合PWM时序利用母线电流重构电机三相电流。
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位置控制：这个模块用于控制电机的位置，通过比较实际位置与期望位置之间的差异来调整电机的转速。
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转速控制：这个模块用于控制电机的转速，通过比较实际转速与期望转速之间的差异来调整电机的转矩。
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转矩控制：这个模块用于控制电机的转矩，通过比较实际转矩与期望转矩之间的差异来调整电机的电流。
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解耦控制：这个模块用于消除电机的耦合效应，使电机的转速和转矩控制更加独立。这是其一，其二是解耦 交直轴 的互相影响，偏差解耦、前馈解耦、复矢量解耦、扰动观测器解耦等算法均可以用于其二。
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死区补偿：这个模块用于补偿逆变器中的死区效应，以提高电机的控制精度。
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转速跟踪：有些地方也叫顺逆风启动，即在设备上电控制之前，电机还有一定的转速，此时对于不同类型的电机，有不同的算法来预先估计电机的转速，然后再进行启动时序。
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电动或发电功率控制：这个模块用于限制电机的输出功率，以防止电机过载和设备过压。
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转速振荡 And 转矩振荡抑制：这个模块用于抑制电机的转速和转矩振荡，以提高电机的运行稳定性。
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V/F恒压比控制：这个模块用于保持电机的电压和频率之间的恒定比例，以确保电机的稳定运行。
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I/F电流开环控制：这个模块用于控制电机的电流，通过调整电机的电压来控制电机的电流。
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转速追踪：这个模块用于追踪电机的实际转速，以便进行实时的转速控制。
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锁相环参数计算：这个模块用于计算锁相环的参数，以确保锁相环的稳定性和准确性。
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初始位置处理：这个模块用于处理电机的初始位置，通过IPD（初始位置检测）和PARK（低频强拖）技术来确定电机的初始位置。高频注入法（HFI）同样是可选择的算法之一。
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参数辨识 Rs, Ls, Flux, J：这个模块用于识别电机的参数，包括电阻Rs、电感Ls、磁通量Flux和转动惯量J，以便进行精确的电机控制。
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启动前逆变器 And 电机自检：这个模块用于在电机启动前对逆变器和电机进行自检，以确保它们的正常工作状态。
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过调制：这个模块用于增加逆变器输出电压的幅度，以提高电机的动态性能。
二、引用一点电机背景知识：
电机系统是工业领域的心脏，起到能量转换的关键作用。电机系统是电力能源的最大消耗终端。据统计，目前中国电机的保有量约为 21 亿千瓦，年耗电量 3.4 万亿千瓦时，占全社会总用电量的 64%。稀土永磁电机具有结构简单、效率高、可靠性好等优势。根据功率大小可将其分为大型电机（>2000kW）、中型电机（315-3000kW）、小型电机和小功率电机（0.12-315kW）、（<2.2kW）和微特电机（数百毫瓦-数百瓦）。中大型电机主要应用于电力、建材、造船和冶金等领域，小型电机和小功率电机则广泛应用于工业制造、电动汽车和家用电器等领域。提高电机系统运行效率是响应国家节能减排政策的必经之路。以稀土永磁电机代替传统感应电机是提高电机系统能效的方案之一。
自上世纪 70 年代以来，随着模拟和数字专用集成电路的不断问世，大功率电力电子技术和控制理论的不断进步，特别是高性能微控制器和矢量控制理论的出现，顺利地解决了交流电动机控制复杂、调速性能差等问题，基于永磁同步电动机的交流传动系统的稳态和动态性能有了质的飞跃，获得媲美甚至超过直流传动系统的性能，目前在工业自动化、工业机器人、国防、汽车、超大规模集成电路制造、载人宇宙飞船等场合得到了广泛使用。 永磁同步电动机是同步交流电动机的一种，具有体积小、功率密度高、转矩惯量比高、效率高、运行可靠性高、维护成本低、动态响应快等优点，这些优点对那些要求低损耗、高性能的传动系统具有很大的吸引力。
咱们电机控制系列模块解析第一篇就从最基础的坐标变化开始，坐标变化在电机控制和机器人控制等多个领域都有着广泛的应用，磁场定向矢量控制涉及的坐标变化是最简单易懂的。
三、起点：电机控制为什么需要坐标变换
坐标变换在多个领域都有着重要的作用，以下是一些例子：
物理学：在经典力学中，通过广义坐标变换可以简化动力学系统的描述和分析。例如，拉格朗日力学和哈密顿力学中的分析通常采用最方便的坐标系来表示物理量和方程。在电磁学中，坐标变换用于将麦克斯韦方程从一个惯性参考系转换到另一个参考系，以处理相对论效应。
计算机图形学：在3D建模、渲染和动画制作过程中，坐标变换（如平移、旋转和缩放）是基本操作，用于定位、定向和改变物体大小，实现不同视角下的观察和模拟真实世界的光照效果。在虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用中，坐标变换用于将对象从世界坐标系转换到视口坐标系，以便在显示器上正确显示。
地理信息系统(GIS)：
坐标变换在GIS中用于不同地理坐标系统之间的转换，比如从大地坐标系（如WGS84）转换到投影坐标系（如UTM），便于地图绘制、空间数据分析以及GPS数据与地图数据的融合。
机器学习与数据科学：数据预处理阶段，坐标变换可以帮助改善数据分布，使其更适应特定的模型或算法。例如，特征缩放、标准化、PCA降维等都是对原始坐标系进行变换。在深度学习中，卷积神经网络(CNNs)里的图像变换（如平移不变性和旋转不变性）涉及坐标空间的变化，有助于提高模型的鲁棒性和泛化能力。
航空航天工程：用于航天器轨道计算时，需要根据地球参考系和其他天体参考系之间进行坐标变换，以精确跟踪和预测飞行器的位置和速度。
光学与成像技术：在光学设计和图像处理中，坐标变换用于校正镜头畸变、图像配准和立体视觉中的匹配问题。
导航与制导系统：导航系统（如GPS、INS）在处理位置、速度和方向信息时，涉及到多种坐标系之间的转换，包括地心坐标系、地方坐标系和载体坐标系等。
总之，坐标变换是一种通用工具，几乎在所有依赖于空间位置描述和处理的学科和技术中都有其不可替代的应用价值。
当然了，直接转矩控制、模型预测控制、恒压频比控制等算法之后再讲，这个先不提。
坐标变换在电机控制中扮演着至关重要的角色，尤其对于交流电机（如异步电机和永磁同步电机）的矢量控制而言。以下几点解释了其重要性：
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解耦控制：交流电机的数学模型在三相静止坐标系下是非线性和强耦合的，这意味着电机中的磁场与转矩分量相互影响，不易单独控制。通过坐标变换，例如Clark变换（将三相变量转换到两相静止α-β坐标系）和Park变换（进一步将α-β坐标系转换到旋转d-q坐标系），可以将复杂的多变量系统转化为类似于直流电机的两个独立的控制变量：励磁电流（d轴分量）和转矩电流（q轴分量）。这样就可以分别对励磁和转矩进行精确控制。
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简化控制策略：在d-q坐标系下，电机模型表现为近似的线性关系，这大大简化了控制器的设计，并允许使用经典的控制理论如PI调节器等来实现高性能的控制算法。
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优化动态性能：矢量控制技术使得电机能快速响应，提供高动态性能，比如在变频驱动应用中实现精确的速度和位置控制。
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提高效率和功率因数：坐标变换后，可以独立控制励磁电流，从而实现恒定的气隙磁通，进而优化电机的功率因数，提高电机运行效率。
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适应性强：不同的坐标变换方法可以根据不同的应用需求选取合适的系数，以满足特定条件下的最优控制效果，比如恒幅值约束或恒功率约束。
综上所述，坐标变换是实现现代交流电机高性能、高精度矢量控制的关键技术之一，它极大地提升了交流电机在工业自动化、电动汽车等多个领域的应用水平。
坐标变换：通过转换视角来实现用直流变量控制交流电机。
电机控制中的坐标变换本质上是一种数学方法，用于将复杂的多变量系统简化为易于分析和控制的单变量或双变量系统。在永磁同步电机（PMSM）、感应电机等交流电机控制中，常见的坐标变换有Clarke变换和Park变换。
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Clarke变换：从三相静止坐标系（α-β-0或abc坐标系）转换到两相静止坐标系（α-β坐标系），消除了零序分量，使得控制系统能够处理与转子位置无关的两个分量，简化了系统结构。
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Park变换：在Clarke变换基础上，进一步将两相静止坐标系（α-β）变换到与转子磁场同步旋转的dq坐标系（直轴d和交轴q）。在dq坐标系下，d轴与永磁体磁场对齐，q轴与其垂直。这种变换使得电机模型在dq坐标系下表现为类似于直流电机的形式，从而可以采用类似于直流电机的矢量控制策略，实现对电机各物理量（如电压、电流、磁链）的有效解耦控制。
通过坐标变换，原本复杂的多变量交流电机控制系统被转化为在特定坐标下的独立控制通道，便于实施精确的速度控制、转矩控制以及提高系统的动态性能和稳定性。此外，这种变换也有助于功率因数校正、无传感器控制算法的实现等高级控制功能的开发，后续再讲。
下图为clark变换：
下图为park变换：
下图为park变换结果：
为了进一步理解坐标变换，这里把网上各种形式的图示都列出来：
