伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁體，由驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在這個磁場的作用下旋轉(zhuǎn)。同時，電機(jī)的編碼器將信號反饋給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值的比較來調(diào)整轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度。伺服電機(jī)的精度取決于編碼器的精度(行數(shù))

關(guān)于交流電機(jī)矢量控制技術(shù)的論文和各種文章很多。然而，困難的公式和坐標(biāo)經(jīng)常被用來描述它們。如果沒有扎實的數(shù)學(xué)、控制等理論基礎(chǔ)，相信大家都有同感，很難理解。日都君盡可能用通俗易懂的圖解和計算，講述了電機(jī)構(gòu)造、靜態(tài)坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的變化、矢量控制、伺服控制等電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。

在談控制之前，為了更好的理解控制，我們先來看看電機(jī)的結(jié)構(gòu)。實時使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，但可以簡單理解為電機(jī)由安裝在內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和安裝在外部的定子(也有反向電機(jī))組成，其中一般放置永磁體，定子內(nèi)部一般纏繞銅線。然后插入中間軸驅(qū)動驅(qū)動對象。

經(jīng)過一百年的發(fā)展，電機(jī)技術(shù)已經(jīng)形成了如上的各種分類。電機(jī)用磁鐵屬于稀有金屬，產(chǎn)量主要分布在國內(nèi)。近年來，由于稀土材料的高騰效應(yīng)，行業(yè)正在積極研究如何減少稀土的使用，保持性能，降低產(chǎn)品成本，這是企業(yè)和工程師們永恒的話題。如今，同步電機(jī)在實際應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。

安裝磁鐵的同步電機(jī)零件主要分為SPM(表面磁鐵)和IPM(內(nèi)部磁鐵):

SPM電機(jī)由于控制簡單，很早就被工業(yè)界采用。但是，由于磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子表面，可用的功率主要來自其自身的表面磁鐵。

IPM電機(jī)今年被廣泛使用，因為它們可以通過使用磁體和磁體周圍的激勵功率產(chǎn)生高密度能量，并且它們可以通過建設(shè)努力減少稀土的使用。

言歸正傳，說說交流電機(jī)的控制。

通用電機(jī)驅(qū)動變頻器如上圖。我們可以看到，IGBT的輸出和電機(jī)的輸入是三相(電壓和電流的UVW)，而電機(jī)內(nèi)部的磁鐵只有S極和N極。同時，三相UVW屬于靜止坐標(biāo)，而電機(jī)運(yùn)行時屬于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，所以要想控制電機(jī)，需要用兩相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)來交換三相的靜止坐標(biāo)。

我們先往下看矢量控制的結(jié)構(gòu)圖：

交流電機(jī)電流采樣得到三相交流值，由克拉克變換成兩相坐標(biāo)( )，再由Park變換用旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)代替靜態(tài) 坐標(biāo)，形成反饋值，用dq的指令值計算。

根據(jù)PI控制器的計算結(jié)果，可以得到dq兩相的電壓指令值。旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的dq指令值通過逆Park變換得到靜止坐標(biāo)的 ，然后通過逆Clark變換得到三相電壓驅(qū)動指令來控制空間矢量脈寬調(diào)制的輸出。

另外，D軸對應(yīng)勵磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，Q軸對應(yīng)永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。在SPM電機(jī)的控制中，我們可以將D軸的命令值設(shè)置為0。但是在IPM電機(jī)控制中，D軸和Q軸都要用，所以速度環(huán)中要輸出兩個命令。

下面使用正向克拉克變換和帕克變換來計算如何進(jìn)行坐標(biāo)變換：

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　　Clark變換

　　我們設(shè)定U和α軸一致，并假設(shè)k為三相與二相的矢量振幅比系數(shù)。通過上面圖示我們可以得到：

　　α = k{ U - 1/2V - 1/2W}

　　β = k{ sqrt（3）/2V - sqrt（3）/2W }

　　由于三相平衡，我們可以有：

　　U + V + W = 0

　　α = U

　　帶入上式可以得到： k = 2/3

　　所以β = 1/sqrt（3）*（V-W） = 1/sqrt（3）*（U+2V）

　　Park變換

　　我們假設(shè)αβ軸與dq軸之間有著θ的角度，把αβ分解到dq軸上，再利用三角公式可以得到：

　　d = αcosθ + βsinθ

　　q = -αsinθ + βcosθ

　　旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)與靜止坐標(biāo)的逆變換同上述一樣，這里就省略了。

　　上面我們聊了坐標(biāo)變換與矢量控制結(jié)構(gòu)，矢量控制的目的是控制伺服的同時，使電流與電壓的位相一致進(jìn)而提高電力效率和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的效率。下面我們再來了解下包括矢量控制在內(nèi)的伺服控制結(jié)構(gòu)。

　　上述結(jié)構(gòu)可以簡化為以下：位置控制環(huán)，速度控制環(huán)，矢量（電流）控制環(huán)。

　　淺析了交流電機(jī)的矢量控制，實際利用變頻器的交流電機(jī)控制中，由于外亂，溫度，高頻等等因素的影響，使得電機(jī)控制算法越來越復(fù)雜，精度越來越高，但我們只要掌握了上述最基本的方法，有助于理解其他發(fā)展算法。

　　1.交流感應(yīng)伺服電機(jī)的矢量控制

　　矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機(jī)磁通Ф和電樞電流Ia，且這兩個量是獨(dú)立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（Tm=KT Ф Ia）與磁通Ф和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對其進(jìn)行控制。

　　下圖所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ。如果用圖b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替，并通以兩相在時間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ，則可以認(rèn)為圖a和圖b中的兩套繞組是等效的。若給圖c所示模型上兩個互相垂直繞組d 和 q，分別通以直流電流id 和iq ，則將產(chǎn)生位置固定的磁場Φ，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖a一樣。

　　三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)

　　這種變換是將三相交流電機(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。上圖a所示的三相異步電機(jī)的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當(dāng)通以三相平衡交流電流 iA， iB， iC 時，在定子上產(chǎn)生以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn)的磁場矢量Φ。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組代替，并通以兩相在時間上相差900的交流平衡電流 iα 和 iβ ，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別Φ和ω0，則可以認(rèn)為上圖a、b中的兩套繞組是等效的。

　　應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標(biāo)軸重合，其磁勢為

　　按照磁勢與電流成正比關(guān)系，可求得對應(yīng)的電流值iα 和 iβ 。

　　三相交流磁勢的變換

　　除磁勢的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)。

　　矢量旋轉(zhuǎn)變換

　　將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)。若設(shè)d為激磁繞組，通以激磁電id，q為電樞繞組，通以電樞電流iq ，則產(chǎn)生固定幅度的磁場Φ，在定子上以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機(jī)了。將二相交流電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的變換，實質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。這里，就是把iα 和 iβ 轉(zhuǎn)化為 id 和 iq ，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。iα 和 iβ的合成矢量是 i1，將其在Φ方向及垂直方向投影，即可求得id 和 iq 。 id 和 iq 在空間以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公式為

　　直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換

　　矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。由id和iq求i1，其公式為

　　采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小。

　　采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點(diǎn)，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小。

　　2. 交流同步電機(jī)的矢量控制

　　基本原理

　　直流電機(jī)中，無論轉(zhuǎn)子在什么位置，轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的電樞磁動勢總是和定子磁極產(chǎn)生的磁場成90°電角度。因而它的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成簡單的正比關(guān)系。交流永磁同步電機(jī)的定子有三相繞組，轉(zhuǎn)子為永久磁鐵構(gòu)成的磁極，同軸連接著轉(zhuǎn)子位置編碼器檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子各繞組的相對位置。該位置與轉(zhuǎn)子角度的正弦函數(shù)關(guān)系聯(lián)系在一起。位置編碼器和電子電路結(jié)合，使得三相繞組中流過的電流和轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)角成正弦函數(shù)關(guān)系，彼此相差120°電角度。三相電流合成的旋轉(zhuǎn)磁動勢在空間的方向總是和轉(zhuǎn)子磁場成90°電角度（超前），產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，如果能建立永久磁鐵磁場、電樞磁動勢及轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，在調(diào)速過程中，用控制電流來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制，這就是矢量控制的目的。