伺服電機內部的轉子是永磁體，由驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在這個磁場的作用下旋轉。同時，電機的編碼器將信號反饋給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值的比較來調整轉子的旋轉角度。伺服電機的精度取決于編碼器的精度(行數)

關于交流電機矢量控制技術的論文和各種文章很多。然而，困難的公式和坐標經常被用來描述它們。如果沒有扎實的數學、控制等理論基礎，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，講述了電機構造、靜態坐標和旋轉坐標的變化、矢量控制、伺服控制等電機驅動技術。

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

經過一百年的發展，電機技術已經形成了如上的各種分類。電機用磁鐵屬于稀有金屬，產量主要分布在國內。近年來，由于稀土材料的高騰效應，行業正在積極研究如何減少稀土的使用，保持性能，降低產品成本，這是企業和工程師們永恒的話題。如今，同步電機在實際應用中得到廣泛應用。

安裝磁鐵的同步電機零件主要分為SPM(表面磁鐵)和IPM(內部磁鐵):

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

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

言歸正傳，說說交流電機的控制。

通用電機驅動變頻器如上圖。我們可以看到，IGBT的輸出和電機的輸入是三相(電壓和電流的UVW)，而電機內部的磁鐵只有S極和N極。同時，三相UVW屬于靜止坐標，而電機運行時屬于旋轉坐標，所以要想控制電機，需要用兩相的旋轉坐標來交換三相的靜止坐標。

我們先往下看矢量控制的結構圖：

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

根據PI控制器的計算結果，可以得到dq兩相的電壓指令值。旋轉坐標的dq指令值通過逆Park變換得到靜止坐標的 ，然后通過逆Clark變換得到三相電壓驅動指令來控制空間矢量脈寬調制的輸出。

另外，D軸對應勵磁產生的轉矩，Q軸對應永磁體產生的轉矩。在SPM電機的控制中，我們可以將D軸的命令值設置為0。但是在IPM電機控制中，D軸和Q軸都要用，所以速度環中要輸出兩個命令。

下面使用正向克拉克變換和帕克變換來計算如何進行坐標變換：

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　　Clark變換

　　我們設定U和α軸一致，并假設k為三相與二相的矢量振幅比系數。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

　　旋轉坐標與靜止坐標的逆變換同上述一樣，這里就省略了。

　　上面我們聊了坐標變換與矢量控制結構，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而提高電力效率和電機轉矩的效率。下面我們再來了解下包括矢量控制在內的伺服控制結構。

　　上述結構可以簡化為以下：位置控制環，速度控制環，矢量（電流）控制環。

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

　　1.交流感應伺服電機的矢量控制

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

　　下圖所示三相異步交流電機在空間上產生一個角速度為ω0的旋轉磁場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，使其也產生角速度為ω0的旋轉磁場Φ，則可以認為圖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 ，則將產生位置固定的磁場Φ，如果再使繞組以角速度ω0旋轉，則所建立的磁場也是旋轉磁場，其幅值和轉速也與圖a一樣。

　　三相A、B、C系統變換到兩相α、β系統

　　這種變換是將三相交流電機變為等效的二相交流電機。上圖a所示的三相異步電機的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當通以三相平衡交流電流 iA， iB， iC 時，在定子上產生以同步角速度ω0旋轉的磁場矢量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 ，使其產生的旋轉磁場的幅值和角速度也分別Φ和ω0，則可以認為上圖a、b中的兩套繞組是等效的。

　　應用三相/二相的數學變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場。則產生的空間旋轉磁場與三相A、B、C繞組產生的旋轉磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標軸重合，其磁勢為

　　按照磁勢與電流成正比關系，可求得對應的電流值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，則轉換方式相同。這樣就將三相電機轉換為二相電機。

　　矢量旋轉變換

　　將三相電機轉化為二相電機后，還需將二相交流電機變換為等效的直流電機。若設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 ，則產生固定幅度的磁場Φ，在定子上以角速度ω0旋轉。這樣就可看成是直流電機了。將二相交流電機轉化為直流電機的變換，實質就是矢量向標量的轉換，是靜止的直角坐標系向旋轉的直角坐標系之間的轉換。這里，就是把iα 和 iβ 轉化為 id 和 iq ，轉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。轉換公式為

　　直角坐標與極坐標的變換

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

　　采用矢量變換的感應電機具有和直流電機一樣的控制特點，而且結構簡單、可靠，電機容量不受限制，與同等直流電機相比機械慣量小。

　　采用矢量變換的感應電機具有和直流電機一樣的控制特點，而且結構簡單、可靠，電機容量不受限制，與同等直流電機相比機械慣量小。

　　2. 交流同步電機的矢量控制

　　基本原理

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