磁场定向控制

什么是磁场定向控制？

磁场定向控制 (FOC)，又称矢量控制，是一种控制方法，用于在多种电机类型（包括感应电机、永磁同步电机 (PMSM) 和无刷直流 (BLDC) 电机）的全转矩和转速范围内实现良好的控制能力。如果超出额定转速，则使用弱磁控制配合磁场定向控制。

以下模块图显示了一个磁场定向控制架构，包括以下组件：

• 由两个比例积分控制器组成的电流控制器
• 可选的外环速度控制器和电流参考生成器
• 克拉克变换、帕克变换和帕克逆变换，用于在静止和旋转同步坐标系之间转换
• 一个空间矢量调制器算法，用于将 vα 和 vβ 命令变换为应用于定子绕组的脉宽调制信号
• 保护函数和辅助函数，包括启动和关闭逻辑
• 可选的观测器，用来在需要无传感器控制的情况下估计转子角位置

设计磁场定向控制的电机控制工程师执行以下任务：

• 为电流回路开发具有两个 PI 控制器的控制器架构
• 为可选的转速外环和位置外环开发 PI 控制器
• 调节所有 PI 控制器的增益以满足性能要求
• 设计用于控制 PWM 的空间矢量调制器
• 如果使用无传感器控制，则设计观测器算法来估计转子位置和速度
• 设计每安培最大转矩或弱磁控制算法，以生成最佳 id_ref 和 iq_ref
• 实现在计算上高效的帕克变换、克拉克变换和帕克逆变换
• 设计故障检测和保护逻辑
• 验证和确认控制器在不同工况下的性能
• 在微控制器或 FPGA 上实现采用定点或浮点的控制器

通过使用 Simulink 进行磁场定向控制设计，在硬件测试之前，您可以使用多速率仿真来设计、调节和验证控制算法，以及检测并更正在电机整个工况范围内的误差。您可以减少原型测试工作量，并针对一些无法在硬件上测试的故障条件来验证控制算法的稳健性。

借助 Simulink 仿真，您可以：

• 对各种类型的电机进行建模，包括同步和异步三相电机。您可以创建不同保真度的模型并在模型之间切换，从简单的第一性原理集总模型到高保真、基于磁通的非线性模型。这些模型是通过从 ANSYS^® Maxwell^®、JMAG^® 和 Femtet^® 等 FEA 工具导入创建的。
• 对电流控制器、转速控制器和调制器进行建模。
• 对逆变器电力电子器件进行建模。
• 使用线性控制设计方法（例如波特图和根轨迹）及自动 PID 调节等方法来调节控制系统增益。
• 对启动、关闭和错误模式进行建模，并设计降额和保护逻辑来确保电机安全运转。
• 设计用于估计转子位置和速度的观测器算法。
• 优化 id_ref 和 iq_ref，以确保最小功率损耗、高于转子标称转速的运行以及参数化不确定性下的正确运行。
• 针对 I/O 通道设计信号调节和处理算法。
• 运行电机和控制器的闭环仿真，以测试正常和异常运行情况下的系统性能。
• 自动生成 ANSI、ISO 或处理器优化的 C 代码和 HDL，以快速进行原型构建、硬件在环测试和生产实现。