永磁同步電機(jī)控制系列

永磁同步電機(jī)控制從理論到仿真到實(shí)驗(yàn)分享

研究生的生涯即將結(jié)束，在這短暫的記錄一下自己關(guān)于電機(jī)的一些學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)，希望和大家一起共勉，我會(huì)以我大論文的框架進(jìn)行基本記錄，以及我三年做的simulink仿真和一些小技巧的分析。

永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介及控制方法

永磁同步電機(jī)介紹

永磁同步電機(jī)可按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分為兩大類：表貼式（SPM，Surface mounted permanent magnet）和內(nèi)嵌式（IPM，Interior permanent magnet）。SPM電機(jī)將磁鋼貼在轉(zhuǎn)子表面，而IPM電機(jī)將磁鋼置入轉(zhuǎn)子內(nèi)部。二者轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖所示。

雙反應(yīng)理論將電機(jī)的交流量變換為直流量，并分解為d-q兩個(gè)分量，以方便電機(jī)的分析和控制。永磁同步電機(jī)中，一對(duì)磁鋼形成一對(duì)極，對(duì)應(yīng)360度的電角度。將永磁磁鏈最大的位置定義為d軸，超前d軸90度的位置定義為q軸。例如兩對(duì)極永磁同步電機(jī)d-q軸定義如圖所示。

由于磁鋼的磁導(dǎo)率與空氣大致相等，SPMSM的轉(zhuǎn)子各方向磁阻也相等，故d軸電感和q軸電感相等（Ld=Lq）。對(duì)于IPMSM，嵌在轉(zhuǎn)子中的磁鋼與硅鋼片相比磁導(dǎo)率要小得多，導(dǎo)致d軸磁阻比q軸磁阻大，d軸電感則要比q軸電感小（Ld<Lq）。定義凸極率ξ為：
$$\xi =\frac{Lq}{Ld}$$
對(duì)于SPM電機(jī)，ξ=1；對(duì)于IPM電機(jī)，ξ>1。以凸極率的值來(lái)區(qū)別兩種電機(jī)，有助于對(duì)SPM電機(jī)和IPM電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)學(xué)分析。一般來(lái)說(shuō)，凸極率越大弱磁性能越好。為了獲得較大的凸極率，可以采用復(fù)雜的多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖所示。采用軸向疊壓的磁鋼結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步提高凸極率，使ξ達(dá)到8以上。但由于工藝和成本的限制，大多數(shù)永磁同步電機(jī)采用一層或兩層轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)，ξ一般不大于3。

常見(jiàn)控制算法介紹

恒壓頻比控制

恒壓頻比控制的基本思路就是在滿足變頻調(diào)速的同時(shí)，改變電機(jī)輸入端電壓的幅值，確保其電壓和頻率的比值恒定。通常在基頻以下運(yùn)行時(shí)，可同時(shí)控制定子端電壓和供電頻率，確保電機(jī)氣隙磁通不變，實(shí)現(xiàn)調(diào)速效果。而在基頻以上，端電壓無(wú)法隨著頻率持續(xù)升高，迫使端電壓限制在額定電壓點(diǎn)，從而得出磁通與頻率成反比的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。由于該控制策略并未形成反饋閉環(huán)，因此整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。但其在動(dòng)態(tài)擾動(dòng)下性能較差，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)速與電流振蕩。因此，該控制方法主要應(yīng)用于空氣壓縮機(jī)、水泵等調(diào)速范圍和性能要求不高的場(chǎng)合。

直接轉(zhuǎn)矩控制

二十世紀(jì)80年代，Depenbrock和Takahasi提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的概念[39, 40]。Denpenbrock將之稱為直接自適應(yīng)控制（DSC，Direct Self-Control），而Takahasi則將之稱為直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC，Direct Torque Control），后者成為這種控制方法的通用名稱。DTC的主要思想是通過(guò)電壓直接控制轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈，而不進(jìn)行電流控制。由于省去了電流控制，DTC的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度快。DTC根據(jù)相電流和電壓估算轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的值，再根據(jù)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的誤差選擇合適的開(kāi)關(guān)組合。永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖所示。

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖DTC的優(yōu)勢(shì)是轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，且不需要轉(zhuǎn)子位置信息。但是由于磁鏈觀測(cè)是通過(guò)對(duì)電壓積分實(shí)現(xiàn)的，積分需要磁鏈初始值，而PMSM的磁鏈初始值又與轉(zhuǎn)子初始位置相關(guān)，應(yīng)此PMSM控制中需要轉(zhuǎn)子的初始位置。由于電機(jī)參數(shù)誤差、積分累積誤差等原因，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的觀測(cè)都很難獲得準(zhǔn)確值。此外，轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制都采用滯環(huán)控制器，使得直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要大于磁場(chǎng)定向控制。
直接轉(zhuǎn)矩控制的上述缺陷，使得其應(yīng)用成熟度要低于磁場(chǎng)定向控制。本文對(duì)弱磁控制的研究基于磁場(chǎng)定向控制

磁場(chǎng)定向控制

磁場(chǎng)定向控制（FOC，Field Oriented Control）由Blaschke在1970年代初提出。磁場(chǎng)定向控制的思想來(lái)源于直流電機(jī)。直流電機(jī)中，要保證電樞電流與勵(lì)磁磁場(chǎng)的相位關(guān)系正確，才能獲得正確的轉(zhuǎn)矩，而這是通過(guò)換向器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。交流電機(jī)中，磁場(chǎng)和電流矢量都是旋轉(zhuǎn)量，那么要保證電流和磁場(chǎng)的相位關(guān)系正確，需要滿足兩個(gè)條件：一是磁場(chǎng)位置可知，二是電流相位可控。磁場(chǎng)定向控制通過(guò)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置，進(jìn)而獲得磁場(chǎng)位置。利用雙反應(yīng)理論，將交變電流變換為電流矢量，并分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，兩個(gè)分量獨(dú)立可控，從而實(shí)現(xiàn)電流矢量幅值和相位的可控。因此，磁場(chǎng)定向控制也稱為矢量控制（Vector Control）。磁場(chǎng)定向控制被廣泛用于各種交流電機(jī)控制，其采用的PWM調(diào)試方法也從SPWM發(fā)展到SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation），逐漸成為成熟的高性能電機(jī)控制方法。
永磁同步電機(jī)的FOC控制框圖如圖所示。由于精確的位置采樣，采用FOC的永磁同步電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)失步現(xiàn)象，可以在零轉(zhuǎn)速下輸出最大轉(zhuǎn)矩。電壓電流的連續(xù)可調(diào)使FOC具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)。電流調(diào)節(jié)器通常采用PI（Proportional Integral，比例積分）控制器，PI參數(shù)對(duì)控制性能有較大影響。

永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制框圖永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要由iq決定，因此通常將id固定為0，只調(diào)節(jié)iq來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。這種控制方法稱為“id=0”控制，適用于不需要弱磁的SPM電機(jī)。對(duì)于IPM電機(jī)，需要id<0，以利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，減小電流。而弱磁控制時(shí)，則需要更復(fù)雜的算法來(lái)確定id和iq。

總結(jié)

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