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科學深處是哲學，對于初學者的專研者而言，電機控制問題可以鑽到宇宙深處，痛苦不能自拔。

永磁同步電機的本質是利用磁場（定子導電線圈産生磁場 轉子永磁體産生磁場）産生電磁力（轉矩）。磁場的電磁力的大小與磁感應強度、導體内的電流、導體的長度以及電流與磁場方向間的夾角都有關系，在均勻磁場中，他們之間的關系可用公式F=BILsinθ表示。這個大家在高中物理已經很熟悉了。

當定子磁場和轉子磁場重合，即θ=0°，電機轉矩為0。

當定子磁場和轉子磁場正交，即θ=90°，電機轉矩最大。

電機控制的目的是産生轉矩，并最大程度提高轉矩，以改善電機性能。因此，如何保證電機定子磁場和轉子磁場時刻相交，是電機控制的核心。

既然要控制兩個磁場的角度，那麼首先要做的就是知道磁場的位置，即所謂的轉子位置—參考基準。（這裡面涉及到電機控制中非常重要的角度自學習，後面會有詳細的介紹）

轉子位置确定後，接下來就是就是控制定子磁場位置與轉子磁場位置成90°。定子磁場是通過控制三相交流電來實現（電生磁），那麼電機控制實際上就是對電流的控制。

如下圖所示，灰色是電機基準磁場位置，粉紅色為定子磁場位置，兩者之間的角度并不是90°，因此此刻能産生一定轉矩，但不是最大。

根據正交分解的原理，有效扭矩就是粉紅色磁場在垂直與基準磁場90°的分量所産生。這裡雖然簡單，但非常關鍵，電機控制學中Clarke和Park變換隆重登場。将轉子磁場方向定義為D軸（直軸），垂直與D軸90°的方向定義為Q軸（交軸）。也就是說任何時刻的定子磁場都可以分解為D軸磁場和Q軸磁場，其中D軸磁場不産生轉矩，隻有Q軸磁場産生轉矩。電機定向控制中的這種數學處理方式，也就是Clarke和Park變換。

前面談到定子是通過電流進行勵磁産生旋轉的磁場。如下圖所示，圖紙紅色、綠色、紫色分别代表的就是A/B/C三相電流（間隔120°），三相電流分量合成定子磁場向量總和。通過控制不同時刻三相電流，也就可以控制電機定子磁場方向了。

Clarke和Park變換的根本意義在于，不在需要直接控制三相電流，而是控制變換後的Q軸電流和D軸電流（Q-D軸電流和三相電流存在等價關系）。

有讀者可能會說：道理我都懂，但是為什麼要這麼去做呢？

一方面，是減少控制變量，同時進行更直觀的理解（Iq産生扭矩，Id不産生扭矩）；

另外一方面，電流控制是通過PID控制器來實現，而PID控制器很難控制交流信号。交流電流通過Clarke和Park變換成兩個直流電流後，通過兩個PI控制器即可（一個使Id為0，一個使Iq最大）。

整個控制流程簡單描述如下：

1. 測試三相電流，通過Clarke和Park變換将三相電流轉換成Iq和Id。

2. 獲取轉換後的Iq和Id後，與需求進行對比，得出誤差。

3. 誤差作為輸出，通過PI控制器輸出Vq和Vd(旋轉坐标系中的變量)。

4. Vq和Vd通過Clarke和Park轉化成三相電壓，對電機進行控制。

關于Clarke和Park變換暫且告一段落，還記得之前留下的測量轉子角度嗎？我們回過頭來再看下這個問題。

通過前文描述，我們知道轉子角度的位置測量是電機控制的基礎。轉子是一個旋轉零件，其絕對位置一直在變化，因此需要借助外界零件對其進行測量，而這個零件在驅動電機中常用的旋轉變壓器（在BLDC電機常用霍爾傳感器），簡稱為旋變。

旋變可以理解為一個小電機，同樣由定子和轉子總成，其輸出的感應電壓大小随轉子角位移而發生變化，電壓幅值與轉子轉角成正弦、餘弦函數關系，或保持某一比例關系，或在一定轉角範圍内與轉角成線性關系。通過對輸出信息的解碼來獲取我們所需要的“角度”。

借助前文談到的Clarke和Park變換概念，通常将電機轉子磁極産生磁場的N極中心軸線作為直軸Q軸；而超前直軸90°的位置定義為交軸D軸。

在這個時刻，旋變初始讀數為0（旋轉變壓器的正弦輸出繞組中感應電壓最小時，轉子位置就是電氣零位，輸出電壓就是零位電壓）。那麼意味着，随着轉子轉動，電機轉子D軸與電機定子A軸重合時，旋變讀數會發生變化，旋變讀數變為θ（暫不考慮方向正負）。

當電機轉子D軸與電機定子A軸夾角θ為0時，我們稱為電機零位。因為，此時電機無扭矩産生。

那麼問題來了，電機零位和旋變零位不一樣啊，這怎麼辦？

很簡單，通過标定的方式，強行将電機零位時的旋變角度進行歸零。這就是我們所說的電機角度自學習。電機零位和旋變零位的差角即為電機零位角。理論上，電機設計鎖定後，電機零位角是固定的。

電機角度自學習的好壞，直接的影響電機性能輸出。能否一直保證最大扭矩輸出，保證定子磁場和轉子磁場正交，全靠它了。

電機控制涉及到的名詞衆多：轉速、轉矩、功率、電壓、電流等。電壓産生電流，是一切控制的源頭。

控制電壓即可控制電流，控制電流即可控制磁場，控制磁場即可控制轉矩，那麼電機轉速如何控制？

轉速實際上是一個表面現象，控制轉速是通過控制轉矩來間接實現的。

對于靜止的電機，通電後提供的初始轉矩使電機産生加速度，電機轉速起來。

如果需要維持一定轉速不變，Iq和Id産生的扭矩等于轉動阻力，不再提供加速度即可。

若需要繼續提速，Iq和Id産生的轉矩大于轉動阻力，繼續提供加速度即可。減速道理是一樣的。

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