无刷 PMSM 有一个绕组定子、一个永磁转子组件和可感测转子位置的内部或外部器件。感测器件提供位置反馈以适当地调整定子基准电压的频率和振幅，从而使磁体组件保持旋转。一个内部永磁转子和外部绕组的组合提供低转子惯性、有效散热和电机尺寸减少等优势。此外，无电刷设计减少了噪声、电磁干扰 (EMI) 生成，并且不再需要对电刷进行养护。

这份文档提出了一个使用 TMS320F2837x 来控制永磁同步电机的解决方案。它实现了具有成本效益的无刷电机智能控制器设计，可增强运行效果，包括减少系统组件、降低系统成本以及提高性能。提出的控制方法取决于 FOC。这个算法保持宽速度范围内的频率，并且直接控制来自转子坐标系的磁通量，以将随瞬态相位变化的扭矩考虑在内。这份应用报告提出了正弦 PMSM 电机控制的实现方法。通过使用空间矢量调制技术来生成施加到这个电机上的正弦电压波形。当用正弦电流来驱动这个正弦反电动势 (BEMF) 电机时，出现最少量的扭矩纹波。

主要有两种三相永磁同步电机：一种电机使用由定子馈电的转子绕组，而另外一种电机使用永磁体。装配有转子绕组的电机需要电刷来获得电流源并生成转子磁通。触点由环组成，并且具有很多的换向器片。这种结构类型的缺点是需要养护和可靠性较低。

用永磁体替代常见的转子磁场绕组和磁极结构可使电机成为无刷电机。可使用任一偶数数量的磁极来构建无刷永磁电机。磁体的使用可有效利用半径空间，并且取代转子绕组，从而减少转子铜损。先进的磁体材料可在保持极高功率密度的同时大大减少电机尺寸。

图 2-1 一款具有一个永磁对极转子的三相同步电机

• 同步电机构造：永磁体被牢牢固定在旋转轴上，生成了一个恒定的转子磁通。定子绕组被三相电压接通后，可产生旋转电磁场。为了控制旋转的磁场，有必要控制定子电流。
• 根据机器的功率范围和额定速度，转子的实际结构会有所不同。永磁体适合于范围高达几千瓦的同步机器。为了获得更高的功率额定值，转子通常由支持直流电流循环的绕组组成。转子的机械结构针对所需磁极的数量和需要的磁通梯度而设计。
• 定子和转子磁通的交感产生了一个扭矩。由于定子被牢固地安装在电机架上，而转子可自由旋转，转子的旋转将产生一个有用的机械输出。
• 必须小心控制转子磁场和定子磁场间的角度以产生最大扭矩，并且实现较高的机电变换效率。为了实现这一目的，在同一速度和扭矩条件下，为了汲取最少量的电流，在关闭速度环路后需要进行微调。
• 旋转中的定子磁场的频率必须与转子永磁磁场的频率相同；否则，转子将会经历快速的正负扭矩交替。这会减少最优扭矩产出量，并且在机器部件上产生过多的机械抖动、噪声和机械应力。此外，如果转子因惯性而无法对这些摆动做出响应，那么转子在同步频率上停止转动，并且对静止转子的平均扭矩：零扭矩做出响应。这说明机器经历了一个已知的“牵出”现象。这也是为什么同步机器不能自启动的原因。
• 转子磁场与定子磁场间的角度必须等于 90º 才能获得最高的互扭矩产出量。为了产生正确的定子磁场，这个同步需要知道转子位置。
• 将不同转子相位的输出组合在一起，则可将定子磁场设定为任一方向和强度以产生相应的定子磁通。

图 3-1 转动中的定子磁通和转子磁通间的交感产生了一个导致电机转动的扭矩

为了实现更佳的动态性能，需要采用更加复杂的控制系统配置来控制 PM 电机。利用微控制器提供的数学处理能力，可实施高级控制策略，这些策略使用数学变换控制交流电机，就像控制直流电机一样，针对磁通和扭矩产生的电流进行独立控制。这种解耦的扭矩和磁化控制通常称为 FOC。

为了理解 FOC 技术的真谛，从概述分激直流 (DC) 电机开始。扭矩的定义是电枢电流与定子磁通的向量积。针对直流电机的电气研究表明，可单独调节电枢电流与定子磁通。磁场激发的强度（磁场激发电流的振幅）决定了定子磁通的值。如果磁通为常数，则通过转子绕组的电流可决定产生的扭矩大小。转子上的换向器在扭矩产生过程发挥一个非常有意思的作用。换向器与电刷接触，而这个机械构造被设计成将电路切换至机械对齐的绕组以产生最大的扭矩。这样的安排意味着，机器产生的扭矩在任何时候都非常接近于最佳情况。这里的关键点是，绕组会设法保持转子绕组产生的磁通与定子磁场/电流垂直。

图 4-1 分激直流电机模型（单独控制磁通和扭矩，流经转子绕组的电流决定产生的扭矩大小）

交流机器的关键特性与直流电机不同。磁通与扭矩产生的电流不一定是垂直的。在 PM 同步机中，转子励磁是由轴上安装的永磁体提供的，定子带有扭矩产生的电流。在感应电机中，定子带有磁通和扭矩产生的电流，其唯一的动力源是定子的相电压。磁通和扭矩产生的电流分量强耦合，这一点与直流电机不同。

同步机和异步机 FOC（也称为矢量控制）的目标是，像分别励磁的直流电机那样对它们进行控制，即对磁通和扭矩产生的电流分别进行控制。也就是说，在某种意义上，控制技术的目标是模仿对直流电机的控制。FOC 控制使我们能够解耦磁通和扭矩产生的电流，实现对它们的分别控制。为了解耦磁通和扭矩产生的电流，有必要启用若干种数学变换流程，而这是最能体现微控制器价值的地方。微控制器提供的处理能力可非常快速地启用这些数学变换流程。反过来，这意味着控制电机的整个算法可以高速率执行，从而实现了更高的动态性能。除了去耦合，现在一个电机的动态模型被用于很多数量的计算，例如转子磁通角和转子速度。这意味着，它们的效应被计算在内，并且总体控制质量更佳。

扭矩可通过多种方式定义，一种是定子电流与转子磁通的向量积，或定子磁通与转子电流的向量积，如 Equation1 中所示。

Equation1.

此表达式表明，已知定子和转子磁场垂直时，扭矩为最大值。如果我们能够始终确保满足这一条件，并且能够正确地对磁场进行定向，将减少扭矩纹波并确保实现更好的动态响应。然而，获知转子的位置是一个难题，而这一难题可以通过使用位置传感器来解决，例如递增或绝对编码器/旋转变压器。对于无法接近转子的低成本应用，可采用不同的转子位置观测器策略，这样就不需要使用位置传感器。

在 DQ 坐标系（其中 D 轴与转子磁通保持一致， Q 轴与 D 轴垂直）中，三相 PM 同步机可表示为直流电机。沿 D 轴的电流称为电流的直接分量，可影响磁场强度，Q 轴的电流称为正交电流，与 D 轴的磁通相互作用产生扭矩。简单来说，对于 PM 电机，目标是保持 D 轴电流为零，并调整 Q 轴电流的幅度，以生成所需的扭矩。定子电流的直接分量在某些磁场减弱的情况下可保持为负值，有减少转子磁通的作用，还能减少反电动势，实现更高速的运行。

FOC 可有效控制定子电流矢量。这个控制基于以下设计：即将一个三相时变系统变换为一个两坐标（d 和 q 坐标）非时变系统。这些设计形成了一个与直流电机控制结构相似的结构。场定向控制 (FOC) 机器需要两个常数作为输入基准：扭矩分量（与 q 坐标对齐）和磁通分量（与 d 坐标对齐）。FOC 完全基于这些设计，因此，此控制结构可处理即时电量。这使得在每次的工作运转过程中（稳定状态和瞬态）均可实现准确控制，并且与受限带宽数学模型无关。因此，FOC 通过以下方式解决了传统方案存在的问题：

• 轻松达到恒定基准（定子电流的扭矩分量和磁通分量）
• 轻松应用直接扭矩控制，这是因为在 (d，q) 坐标系中，扭矩的表达式如 Equation2 中所示：

Equation2.

通过将转子磁通 (φ_R) 的振幅保持在一个固定值，使扭矩和定子电流矢量 (i_Sq) 的扭矩分量之间产生了线性关系。然后，您便可以通过控制扭矩分量来控制扭矩。

交流电机的三相电压、电流和磁通可根据复杂空间矢量进行分析。对于电流，空间矢量可定义如下。假定 i_a、i_b、i_c 是定子相位内的即时电流，则复杂定子电流矢量 在 Equation3 中进行定义。

Equation3.

其中， 和 表示空间运算元。图 4-2所示为定子电流复杂空间矢量。

图 4-2 定子电流空间矢量和其以 (a，b，c) 形式表示的分量

其中，(a，b，c) 是三相位系统轴。这个电流空间矢量对三相正弦系统进行了描述。仍然需要将它变换为一个两坐标非时变系统。这个变换可拆分为两个步骤：

• (a，b，c) → (α，β)（Clarke 变换），其输出了一个两坐标时变系统
• (α，β) → (d, q)（Park 变换），其输出了一个两坐标非时变系统