「2019-7」【每周分享】一文带你揭开电机的世界。

常见的正弦波控制方法有电压正弦波控制（sinusoidalpulse width modulation，简称 spwm）、磁场定向控制（field-oriented control，简称 foc，也称矢量控制，vector control）和直接转矩控制（direct torquecontrol，简称 dtc）。

foc 方式被广泛应用，接下来我们主要介绍 foc 的控制思想。

要理解 foc 的控制思想，我们得再复习一下直流有刷电机。直流有刷电机能转起来是因为磁场和电流互相作用产生了力（转矩），转矩的大小由磁场和电流决定，而定子（永磁体）产生的磁场是固定的。所以只要控制电流就可以控制转矩量，速度也就能控制了。

而无刷电机的设计强行增加了游戏难度。它的电流不仅产生了转矩（称作转矩电流），还磁化了定子中的磁通材料并产生磁场（称作励磁电流）。这两个量耦合在一起，使得整个控制系统非线性、高阶、又具有强耦合性（也就是很难控制的意思）。

所以，要想控制速度，我们必须将转矩电流和励磁电流彼此分离，单独控制。foc 利用了坐标旋转变换的方式，分解了定子三相电流。将电流分解后，就可以得到励磁电流分量和转矩电流分量，分别控制这两个量，就可以控制转矩了。转矩大了，力大了，速度就上去了。

foc 方式的转矩脉动极小，所以转动非常平稳，也降低了噪声。好东西当然也有缺点，就是算法复杂，成本高昂。坐标旋转变换中涉及clarke 变换和 Park 变换，各种高频率的数学变换对微处理器的要求很高。

转子位置的检测

终于终于，速度能控制了，但这时候的电机就像一个蒙着眼睛跑步的人，知道自己跑快或跑慢，但假设要精确到 3 米/秒，还是做不到。

这时，我们就需要一个教练在旁边看着，看到他跑了 2 米/秒，就让他再跑快一点。而在电机里，我们只要检测转子的位置，就能清楚地得知电机的转速，进而控制它跑快点还是跑慢点（这也叫速度闭环）。

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2019-4-10 12:18 上传

而且，转子的位置直接影响电子换相，电调就是通过读取转子的位置来决定什么时候换相的。

如何检测转子位置呢？根据电调是否有传感器，分为有感检测和无感检测。有感检测相对简单，利用编码器、霍尔传感器等传感器就可以检测转子的位置。

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2019-4-10 12:18 上传

无感检测不需要在电机内部添加传感器，成本低、应用广，常用的有反电动势法。

反电动势法

转子转动过程中，旋转的转子会在定子上产生反电动势，我们通过这个反电动势的变化情况，也可以判断转子的位置。

foc 对转子位置精度要求比较高，所以无感 foc 驱动设计也是一个难点。传统方法有高频信号注入法、滑模变结构控制方法、模型参考自适应方法等。随着人工智能的发展，神经网络、模糊控制、专家系统等智能算法也被用来检测转子的位置。智能算法的自适应能力强、鲁棒性好，但目前依然处于研究阶段。

总结和应用

最后，我们做一个小总结：无刷电机没有电刷换向器结构，不需要定期维护，寿命较长。在驱动原理上，无刷电机的驱动又分为方波驱动和正弦波驱动，前者原理简单、成本较低，后者算法较复杂，但可以有效地抑制转矩脉动，使电机转动更平稳。

在实际的应用中，我们可以根据实际需求，综合考虑各方面因素，去选择合适的电机方案和驱动方案。

直流有刷电机成本较低，机械磨损大，可以用作机器人的轮式底盘结构；无刷电机的一大优点是换向的时候不会产生电火花，所以广泛用于特种机器人上。

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火星探索 · 2019-4-20 11:24:46

Dior 发表于 2019-4-16 00:16
可否转换成pdf提供下载呢:'(

PDF已经上传

火星探索 · 2019-4-20 11:23:37

Dior 发表于 2019-4-16 00:16
可否转换成pdf提供下载呢:'(

我尝试一下

回复 · 2022-6-8 11:10:04

感谢分享!

AstrocatD. · 2022-6-1 10:50:37

学习了

A Dead Wood · 2020-1-11 17:21:16

学习了感谢

djiuser_L2JxfAD · 2020-1-8 17:04:05

感谢分享

You蓝 · 2019-11-8 20:54:22

很棒的，赞

聪明小可爱pc · 2019-11-3 09:50:47

还不错，深入浅出，但是控制算法没有讲的很透彻。

默呢mone · 2019-7-29 15:43:02

感谢，学到了

DavidCX · 2019-7-22 09:31:46

好文章，很详细

michaelzhong009 · 2019-6-8 04:34:52

学习了，感谢，感谢

瓦力 · 2019-6-6 14:51:30

感谢,非常感谢

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