降低BLDC电机FOC控制中d-q轴电流波动的深度分析与优化策略

摘要

在直流无刷电机（BLDC）的磁场定向控制（FOC）策略中，d-q轴电流的波动会直接影响电机的转矩平稳性和控制性能。本文从理论基础、波动成因、优化方法等多个维度，深入分析了d-q轴电流波动问题，并提出了一套完整的解决方案，包括改进的采样策略、滤波器设计、控制器优化和延时补偿等技术。

1. 引言

磁场定向控制（FOC）作为BLDC电机的高性能控制策略，通过将三相电流转换到旋转的d-q坐标系实现解耦控制。然而在实际应用中，d-q轴电流的波动问题普遍存在，导致转矩脉动、效率降低和噪音增加。这种波动主要来源于电流采样噪声、参数失配、延时效应和逆变器非线性等因素。

2. FOC基本原理与电流环结构

2.1 坐标变换理论

FOC控制的核心是通过Park和Clarke变换将三相静止坐标系转换为两相旋转坐标系：

Clark变换：

Park变换：

其中$\theta$为转子电角度。

2.2 电流环控制结构

d-q轴电流环通常采用PI控制器：

其中, 为d-q轴电压指令值，， i_q为电流指令值。

3. d-q轴电流波动成因分析

3.1 采样与量化误差

电流采样过程中的噪声和ADC量化误差会直接引入到反馈电流中。采样噪声主要来源于：

• 传感器自身噪声

• 电磁干扰

• ADC量化误差：