大电感和小电感的电机,FOC控制有什么区别?

fantansticma

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FOC初学者往往会提出以下几个系统性的常见问题，通过本文一一解答：

1、大电感和小电感的电机，FOC控制有什么区别？

2、高压电机和低压电机，FOC控制有什么区别？

3、大功率和小功率电机，FOC控制有什么区别？

4、PMSM和BLDC，控制上有什么区别？

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1、大电感和小电感的电机，FOC控制有什么区别？

比较常见的小电感电机，比如航模电机，吸尘器，园林工具，普遍同步电感Ld/Lq在100uH以下，甚至到了10uH。并且这一类电机，普遍是高转速，电频率在500Hz甚至1000Hz以上。

与之相对应的，是一些mH级电感的电机，这一类电机，普遍转速较低，电频率在200Hz以下居多。

从FOC的控制原理上来说，只要数学模型一致，那么FOC控制的基础原理没有什么区别。

主要的区别在于实际工程的实践。

uH级电感的电机，因为电感较小，电压加载到电机上，抵消了反电势之后，产生的相电流，变化率特别大，所以电流的谐波大。

考虑到uH级电感电频率较高，FOC往往为了保证控制的实时性会选择较高的开关频率，往往是20kHz甚至24kHz,同时较高的开关频率也能改善电流谐波和噪音。

对于mH电机，选择较低的开关频率足够了，比如滑板车一般不超过8kHz。

假设使用较低的开关频率，uH级开关频率，也能控制，只是噪音大，速度跑不高，电流谐波更大。

以下是60uH电机和5.1mH，8kHz开关频率下，150Hz电频率下的相电流仿真波形，60uH电机的相电流谐波更大：



因为uH级电机电流谐波大，所以对电流采样带来了一定困难，尤其单电阻采样下因为移相会进一步增大电流谐波，所以uH电机，不论是双电阻还是单电阻，电流采样更加需要注意。

以下是35uH电机，20kHz开关频率，1600Hz频率下，仿真的电流波形：



2、高压电机和低压电机，FOC控制有什么区别？

高压电机和低压电机的区别，在于高压电机普遍使用IGBT为主，开关频率做不高，小功率16kHz，大功率基本都是8kHz甚至4kHz.

低压电机的控制器主要使用MOSFET,开关速度快，开关损耗小，开关频率往往选择较高，比如吸尘器20kHz。

尤其第三代半导体宽紧带器件GaN的使用，低压控制器逐渐往100kHz开关频率发展。

高压控制器考虑到总体的损耗，目前使用SiC的开关频率并不高。

3、大功率和小功率电机，FOC控制有什么区别？

不同功率的电机，数学模型相同，所以FOC控制的基础理论没有区别。

实际工程主要区别，在于不同的功率，开关频率会有区别。

大功率电机控制器，为了降低损耗，往往选择更低的开关频率。

另外大功率控制器对成本不如小功率敏感，电流采样往往霍尔或者输出线采样的方式的。小功率无感控制器基本都是在下桥臂电阻的采样方式。

4、PMSM和BLDC，控制上有什么区别？

可能是教科书的缘故，陈伯时老师的《电力拖动自动控制系统》明确指出，BLDC的反电势是梯形波，使用六步换向的控制方式。PMSM反电势是正弦波，采用FOC控制方式。

随着技术进步和产业链的发展，现状已经今非昔比了。

很多BLDC反电势都是正弦波了，转矩平稳度大幅度提升。

实际来说，不论是BLDC还是PMSM，不论反电势是正弦波还是梯形波，既可以用六步换向，也可以用FOC控制，有兴趣的小伙伴可以试试。

总结以上问题，FOC重点讲究的就是数学模型，所以不论什么电机，获取模型参数，按照设计方法自整定，控制上都是通用的。

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