前言：  

 最近无意间看到，有人为这份资料写了千字长文《高阶干货—一文搞懂永磁同步电机核心控制策略（千字长文）》，特此引用完善这份资料的介绍。

原文出处：新能源控制系统及MBD开发

电机的核心算法在于电流与电压的控制从而影响磁的控制，在整个链路中，有各种各样的方式方法，目标均是如何优化控制方法及最高效率，废话不多说，开整！红色字体是目录与小结，小结干货最多，建议收藏备用。

因内容较多，首先整理目录如下，千字长文，逐个开始介绍：

 1、永磁同步电机原理

2、永磁同步电机控制原理

3、控制方法—最大转矩/电流控制  

4、控制方法—弱磁/最大功率控制

5、控制参数设计—扭矩查表法

6、控制参数设计—电压闭环查表法

7、控制参数设计—电感/磁链参数估计

8、控制参数设计—   磁链闭环查表法

9、控制参数设计小结  

10、控制参数补偿—传感器补偿

永磁同步电机原理：  

 电机控制定义:空间对称分布的三相定子绕组中通入时间对称的三相交流电流，在气隙中产生旋转的磁场，其转速等于交流电流的频率除以电机的极对数， 同时旋转磁场吸引转子上的永磁体产生力矩。

基于模型开发的MBD新能源汽车MCU控制策略+设计文档。

 表贴式永磁同步电机特点：

 永磁磁阻同步电机特点：

 永磁同步电机控制原理: 

 整体架构如上图所示，需要了解的可以百度，各个东西的含义。

控制方法—最大转矩/电流控制 ：

 永磁同步电机的最大转矩/电流控制（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）是一种优化控制策略，其目标是在满足输出转矩要求的条件下，使得电机定子电流最小。

 这种控制策略能够最大限度地利用电机的磁阻转矩，提高单位电流的转矩输出能力，从而在输出相同转矩时减小定子电流，降低电机的铜耗，提升系统的整体效率。以下是对最大转矩/电流控制的详细定义和说明：

 定义：     最大转矩/电流控制，简称MTPA，是指在恒转矩运行区域，电机在输出给定转矩的条件下，通过调整定子电流的d轴和q轴分量（对于永磁同步电机，d轴通常与永磁体磁场方向重合，q轴与d轴垂直），使得定子电流达到最小。这种控制方法也被称为单位电流输出最大转矩的控制。

  实现原理：    

  电磁转矩方程：最大转矩/电流控制的实现基于电机的电磁转矩方程。通过满足定子电流的条件极值，导出最优的d轴和q轴电流分量。

电流分解：在矢量控制框架下，定子电流被分解为与磁链同方向的励磁分量（d轴电流）和与磁链正交的转矩分量（q轴电流）。通过调整这两个分量的比例，可以实现最大转矩/电流控制。

 控制算法：   实现MTPA的控制算法有多种，包括直接公式计算法、曲线拟合法、查表法、搜索法、高频信号注入法以及参数辨识法等。其中，虚拟信号注入式MTPA控制方法因其能够避免实际高频信号注入引起的转矩脉动问题。

小结：

 在矢量控制中，对于每一个给定T，Id,Iq都有无穷多组选择，这些不同选择构成了恒转矩曲线，恒转矩上距离坐标原点最近的点，表明产生该扭矩时，所需最小的电流矢量。MTPA控制策略可将电机，逆变器以及整个系统的损耗降至最低，提高电机效率。

 控制方法–弱磁/最大功率控制 ：

 弱磁控制定义：   

 弱磁控制是一种通过减小电机气隙磁通，使电机在高速运行时端电压保持恒定的控制方法。在永磁同步电机中，由于永磁体的磁势无法直接调节，因此通常通过调节定子电流中的d轴去磁电流分量来实现弱磁效果。

 弱磁控制原理：   

 在永磁同步电机中，弱磁控制的目的是在保持输出电压恒定的前提下，通过调节定子电流的d轴和q轴分量来减小气隙磁通，从而降低反电动势，使电机能够在更高的转速下运行。这种控制方法的核心在于利用电机的去磁电枢反应，通过增加d轴去磁电流来减小永磁体产生的磁通。

 最大功率定义：   

 最大功率控制是指在弱磁运行时，通过调整电机的控制参数（如定子电流矢量），使电机在某一确定转速下输出最大功率的控制方法。

 最大功率控制原理：   

 在永磁同步电机的弱磁运行区间，电机的电压极限椭圆会随转速的升高而逐渐缩小。最大功率控制的目标是找到电压极限椭圆上的一点，该点对应的电流矢量能够使电机在该转速下输出最大功率。这通常需要通过复杂的算法和实时控制来实现。

 小结：   

 弱磁控制和最大功率控制往往需要结合使用。通过合理的控制策略，可以实现永磁同步电机在宽调速范围内的稳定运行和高效能量利用。

 与此同时PMSM的弱磁控制主要是在满足电压极限椭圆和电流极限圆的基础上，调整id，iq,控制电流矢量  轨迹，避免电流调节器饱和，从而使PMSM由恒转矩调速平稳，快速地过度到弱磁工作模式。

 控制参数设计—扭矩查表法： 

  查表法（单张表）   

在特定电压下，在台架上对电机进行标定，测试不同转速不同力矩下的Id和Iq表格，并制作成全转速、全力矩下的二维表格烧写到软件中；

根据不同的转速和转矩直接查询Id和Iq的值；

将查表得到的Id和Iq值送入电流环进行闭环控制；

  优缺点   

 基于电机实际标定数据，精度比较高；

 动态响应好，无需做额外的弱磁控制；

无法应对电压的波动，在低压状态下，易发生饱和；

无法应对电机一致性偏差引起的性能差异，鲁棒性差；

电机效率较低

  优化方法：  

重新引入一个电压参数进入查表程序中，根据电压的波动适当的调整查表值。

  查表法（多张表）   

在电压1下在台架上对电机进行标定，类似于单张表的方法，得到一张二维表格；

依次在电压2至N下重复电压1的操作，形成N张Id和Iq表格；

将这N张表格烧写至程序中，根据转速，力矩和电压查询对应的Id和Iq值；

 使用查表得到的电流值参与电流环控制；

  优缺点   

根据电机实际数据标定，精度高，电机效率高；

动态响应好，控制简单；

能够很好的处理电压波动的问题，

标定量比较大，比较费时；

对芯片的存储空间要求比较高；

无法应对电机一致性差引起的性能下降问题；

 控制参数设计—电压闭环查表法 ：

在一定电压下，根据控制算法1，标定得到全转速的Id,Iq,MAP表， 将交直轴电压求摸Vs= (根号)𝑉𝑑2 + 𝑉𝑞2;

建立一个PI，将Vs与M*Vdc/ （根号）3做差值（𝑀为电压利用率），通过PI产生一个∆𝐼𝑑;

将此∆𝐼𝑑与D轴电流指令流Id_ref叠加，增大弱磁，进而影响Vs,形成闭环；

建立一个输入Id与T，输出为Iq的二维表格，调整Id的同时，也调整Iq,可以确保输出等力矩；

电压闭环只在Vs较大的时候启用，其他时刻仍然采用查表法；

  优缺点：   

不依赖于电机参数，控制效果好，电机性能不一致时能够调节输出性能，鲁棒性好；

控制参数设计—电感/磁链参数估计 ：

• 在固定电压固定转速下，测试所有的Id,Iq组合的性能，记录当时的Vd,Vq和T；
• 根据定子电阻信息，稳态电压方程和记录的Vd,Vq和T数据，得出Id和Iq对应的电感/磁链表格；
• 将转速、力矩、直流电压三个输入条件带入Id和Iq的理论计算公式，电感Ld和Lq或者磁
• 链𝜔𝑑 和𝜔𝑞 作为参数输入，计算当前状态下的𝐼𝑑和Iq指令；

  优缺点   

• 基于实际标定的电感/磁链数据，精确度很高；
• 能够应对各种工况下的控制电流适应性问题；
• 电感/磁链表格可以用于转矩估算以及电压解耦的环节，提高这两个环节的性能；

 控制参数设计— 磁链闭环查表法 ：

• 在固定电压固定转速下，测试所有的Id和Iq组合的性能，记录当时的Vd、Vq和T；
• 根据Vd,Vq求出Vs  除以speed,得到磁链信息；
• 将Id和Iq对应的转矩/磁链二维表格转化为转矩和磁链对应的Id和转矩和磁链对应的Iq表格。
• 将当前的 MVdc/(3speed)作为表格的一个输入，转矩作为表格的另外一个输入，查出当前状态下的Id和Iq。

  优缺点   

 能够适应电压不同导致的电机参数非线性的问题，能够很好地调节电机的性能；

 控制参数设计小结 ：

• 弱磁控制的核心是在有限的直流电压限制及电压利用率之内，尽可能输出更大的转矩和 功率；
• 各种弱磁算法的目的是为了找出一个合理的Id/Iq指令组合，用于控制，实现预期的性能目标；
• 单张表格/多张表方法是最简单的方法，也是使用最多的方法；
• 单张表/电压闭环是一种性价比比较好的方法，简单又实用，
• 基于电感/磁链查表的算法，能够在此参数基础上拓展很多别的算法，实用性很强；
• 一般查表和电压闭环结合起来实用，既能够得到很好的性能又能够克服电机参数不一致的特性，控制性能更优 。

 控制补偿—传感器补偿 ：

在永磁同步电机（PMSM）控制器中补偿主要针对电机控制过程中可能出现的误差和失真，包括但不限于电流采样补偿、转速采样补偿、死区补偿以及采样电流偏置误差补偿等。以下将详细介绍这些补偿原因及其实施方法。

  电流采样补偿  

 补偿原因：   电流采样是电机控制中的关键环节，但由于传感器精度、电路噪声等因素，实际采样的电流值可能存在误差。这些误差会影响电机的控制精度和性能。

 实施方法：   

 自动标定法：通过上位机控制恒流源及MCU实现自动标定，上位机设定和检测MCU及恒流源反馈状态，发送对应电流指令，MCU根据电流指令及AD模块采样值计算不同电流下的电流采样系数，并进行补偿。这种方法可以提高电流采样的精确度和效率（参考文章4）。

 软件算法补偿：   利用先进的算法（如卡尔曼滤波、扩展状态观测器等）对采样电流进行滤波和校正，以减小噪声和误差的影响。

转速采样补偿    

 补偿原因：   转速是电机控制中的重要参数，但转速传感器（如编码器）可能存在测量误差，且信号传输过程中也可能引入噪声。

 实施方法：    PI调节器：通过PI调节器对实际转速和给定转速的差值进行调节，以得到更准确的转速控制信号。  

 滤波处理：   对转速信号进行滤波处理，以消除噪声和干扰。

  死区补偿    

 补偿原因：   在电机驱动电路中，为了防止上下桥臂直通，通常会设置死区时间。但死区时间会导致输出电压失真，影响电机的控制性能。

 实施方法：   

 基于电流极性的补偿：根据电流极性对输出的脉宽进行增加或减少一个死区时间的补偿。这种方法需要准确判断电流方向，并据此调整补偿量（参考文章2）。

 软件算法补偿：   通过复杂的算法模型，对死区时间造成的电压失真进行精确计算和补偿。

  采样电流偏置误差补偿    

 补偿原因：   采样电流偏置误差（CMOE）通常表现为直流偏置，它会在dq电流中引入一次谐波，影响电机的控制精度和稳定性。

 实施方法：   

 PI调节器补偿：传统的PI调节器可以用于提取和补偿直流偏置，但其效果可能受限于滤波性能和参数失配。

 扩展状态观测器（ESO）补偿：   采用ESO替代PI调节器，可以有效抑制提取电流中的交流分量，更精准地提取和补偿直流偏置误差。同时，通过自适应带宽调整，可以确保在不同转速下都具有较好的补偿效果。

  小结：   

• 电流ADC采样， 在FOC控制中，电流精度至关重要，我们一般需要对电流信号进行AD采样转化，所以对ADC的采样精度以及时间要求很高。
• 电流ADC采样尽可能要和位置采样同时发生，两段程序要尽量在执行时间上靠近；
• ADC采样要避开PWM切换的时间点，减少PWM切换时对ADC信号的干扰；
• 三相电流（若有三相）的ADC采样要尽可能同步采样；
• 在芯片支持的情况下，可以考虑多次采样，取其平均值；
• 位置延时，矢量控制是根据角度进行实时运算，由于PWM控制存在周期延时，当前周期的 PWM信号只能在下一个周期才能生效，控制电压命令对应下个控制周期电压的平均值。
• 对于反PARK变换，在转子位置上增加一个角度偏移量,𝜃𝑛𝑒𝑤=𝜃𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑣𝑒𝑟  +  K*speed;
• K可以通过理论计算得出， 一般按照1.5倍的PWM周期补偿

模型分享：

资料内容 ： Simulink模型+设计文档

某主机厂量产材料，基于MBD开发的电动汽车主驱电机控制器模型及开发材料，量产模型及代码 ，有需求文件，算法说明，接口文件，软件架构说明。

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