电机控制常见面试问题（二十）

一.整流电路绕组接法

为了引出直流的输出，一定要在整流变压器的二次侧引出零线，所以二次侧绕组必须接成星形

一次绕组必须要接成三角形

二.电机为什么需要转速器

​一、转速器的核心功能
​调速控制

通过改变电机的供电参数（如变频器调节频率），实现无级调速，适应不同工况需求。
例如：变频器（VFD）通过PWM技术调节交流电机转速，取代传统机械调速方式。
​转矩控制

在需要高动态响应的场景（如起重机、电动汽车驱动），精确控制输出转矩以避免过载或失速。
​闭环反馈与稳定

结合编码器、霍尔传感器等反馈装置，实时监测电机转速并修正控制信号，确保系统稳定运行。
​节能优化

根据负载变化自动调整输出功率，降低能耗（如风机、水泵的变频节能）。
​二、典型应用领域
​工业自动化

​传送带与生产线：通过调节电机转速匹配生产节奏。
​数控机床：主轴电机的高精度速度控制确保加工质量。
​机器人关节：伺服电机的速度与位置协同控制实现灵活运动。
​家用电器

​洗衣机/空调：变频技术调节压缩机或风扇转速，平衡性能与能耗。
​电风扇/抽油烟机：无级调速满足不同风量需求。
​新能源汽车

​驱动电机控制：永磁同步电机（PMSM）的矢量控制技术实现高效动力输出。
​能量回收：制动时通过转速调节实现再生制动，延长续航里程。
​新能源发电

​风力发电机组：变桨距控制与转速调节结合，最大化风能捕获效率。
​光伏水泵：根据日照强度调节水泵转速，实现离网智能灌溉。
​特种设备

​无人机电机：无刷电机配合电子调速器（ESC）实现快速响应与悬停控制。
​医疗设备：MRI扫描仪中梯度电机的精密转速控制。
​三、关键技术挑战
​动态响应与抗干扰

高速动态场景下需抑制电流波动和电磁干扰（EMI），例如伺服系统中的前馈补偿算法。
​多模式控制策略

兼顾速度、位置、转矩的混合控制（如FOC+PID复合控制），适应复杂工况。
​高精度反馈技术

高分辨率编码器（如23位绝对值编码器）或无感矢量控制技术（Sensorless FOC）的应用。
​宽调速范围与低速稳定性

在弱磁控制或超低速场景（如机床微米级进给）中保持转矩输出能力。
​能效优化算法

基于负载预测的模型预测控制（MPC）或模糊PID算法，提升系统整体效率。

三.电机转矩产生原理

四.电机控制中载波频率大小的确定

载波频率（以下简称载频）的选择至少要考虑以下因素：
1.基波频率
基波频率就是电机运行最高转速时对应的电频率，比如4对极电机3000rpm时，基波频率就是200Hz；计算公式是：
而载波频率是开关管开通关断的频率，电力电子器件高速开关的特性使得我们可以用载波频率把基波频率的波形细节都“描点”出来。载波频率越高，在一个基波周期内，“描点”的数量就越多，就越能把基波频率的细节还原出来，控制效果就越好。通常，在实际操作过程，至少要取载波频率是基波频率的10倍以上。如基波频率是200Hz，则载波频率就需要2KHz以上，即使这样，200Hz时才描10个点，也就是360度电频率周期中每间隔36度要描绘和控制出一个点，对控制环路要求已经很高了。如果能尽量提高载波频率的话，应该尽量提高。

2.谐波电流
谐波电流就是将非正弦周期性电流函数按傅立叶级数展开时，其频率为原周期电流频率整数倍的各正弦分量的统称。提高载频是有利于降低谐波电流的

4.软件实现
从上面的分析来看，在硬件条件允许的情况下提高载波频率是有利于提高控制效果的，但是也并不是可以无限制的提高，从软件角度出发至少有三个约束条件。

MCU晶振频率
想要执行FOC控制算法，一般都要求晶振频率在40MHz以上（只考虑通用MCU，不考虑使用FPGA或是专用芯片的情况），同样的晶振频率，如果载波频率越高，就意味着PWM的分辨率越低。PWM通常采用先上升后下降中心对齐计数的方式，载频越高，能统计的“数”就越小。假设是40MHz的晶振，16KHz的载频，可以计1250个数；20KHz的载频，只能计1000个数；那么PWM中每一位的分辨率就下降了。

FOC程序执行时间
通常来说需要在一个PWM周期内将FOC程序全部执行完一遍，衡量FOC程序执行时间占整个PWM周期比重的指标就是CPU load。载频越高，PWM周期越短，CPU load的负担就越重。CPU load不能设置为100%，必须留出一定的余量，否则程序就有可能出现某一部分无法执行的情况，产生未知错误。
如果遇到低电感电机，同时又必须采用单电阻采样算法FOC执行时间长的情况，该怎么办呢？这时可以采用提高载波频率，每2个PWM周期算次FOC程序的方法，这样即可以保证电机谐波电流不大，也有足够的算力来完成一次完整的FOC计算。

电流环带宽
载频越高，能够实现电流环的控制带宽越高；载频越低，能够实现电流环的控制带宽越低。

5.电磁噪音
现在电机产品对噪音的要求越来越高，都希望能做到低噪音同时高马力输出，但这两者有时就是矛盾的。噪音中有一部分来源于电磁噪音，大多数人人耳可以听到的声音频率范围是2KHz—20KHz, 而通常所选的载波频率就在这个范围。所以，有时为了降低噪音，就需要提高载波频率到20KHz以上，以减小电磁噪音对电机整体噪音的影响。

6.温升
温升也是电机控制器很难处理的一部分内容，其中以功率模块发热器件最为明显。功率模块运行过程中损耗包括开关损耗和导通损耗，损耗越大，则发热量越大；而开关损耗就与载波频率密切相关。载波频率越小，开关损耗就越小，发热量就越小；载波频率越大，开关损耗就越大，发热量就越大。

6 硬件实现
载波频率受到硬件限制。

总结：
这六大因素描述下来，有没有发现载波频率的选择就像受到制约的一个正六边形，照顾了这个角的因素，但另一个对面的角就无法照顾到了。

五.开关周期 Tpwm

开关周期 Tpwm 是PWM波当前更新和下一次更新脉冲之间的时间间隔，由于Tpwm的更新需要调制波和载波进行对比，因此也成为载波周期。这个时间就需要回到SVPWM的原理上面来理解了，我们是如何发出PWM的呢？看下面这张图，通过正弦的调制波和三角波进行比较，然后在载波和调制波相交的点电平跳变，从而生成矩形PWM波。那么我们可以变换的思考一下这个问题，改一改，下面整张图一个正弦波，12个载波，由于是上下降型的载波，所以PWM跳变了24次。我们脑中想一下，那如果这个载波只有6个呢，是不是只能跳变12次了，再减减，如果只有3个呢，是不是只能跳变6次了，所以当 Tpwm越小时，实际上就有更多的跳变次数，而更多的跳变次数产生的矩形波，经过傅里叶分解之后，他的低次谐波更小，主要是高次谐波，系统稳定性也更强一些。

高频PWM（小Tpwm）将谐波能量推到更高频段，远离系统敏感频段（如基波频率），从而降低低频谐波的负面影响，提升系统稳定性。​