永磁同步電機控制系列

永磁同步電機控制從理論到仿真到實驗分享

研究生的生涯即將結束，在這短暫的記錄一下自己關于電機的一些學習和認識，希望和大家一起共勉，我會以我大論文的框架進行基本記錄，以及我三年做的simulink仿真和一些小技巧的分析。

永磁同步電機簡介及控制方法

永磁同步電機介紹

永磁同步電機可按轉子結構分為兩大類：表貼式（SPM，Surface mounted permanent magnet）和內嵌式（IPM，Interior permanent magnet）。SPM電機將磁鋼貼在轉子表面，而IPM電機將磁鋼置入轉子內部。二者轉子結構對比如圖所示。

雙反應理論將電機的交流量變換為直流量，并分解為d-q兩個分量，以方便電機的分析和控制。永磁同步電機中，一對磁鋼形成一對極，對應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。例如兩對極永磁同步電機d-q軸定義如圖所示。

由于磁鋼的磁導率與空氣大致相等，SPMSM的轉子各方向磁阻也相等，故d軸電感和q軸電感相等（Ld=Lq）。對于IPMSM，嵌在轉子中的磁鋼與硅鋼片相比磁導率要小得多，導致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：
$$\xi =\frac{Lq}{Ld}$$
對于SPM電機，ξ=1；對于IPM電機，ξ>1。以凸極率的值來區別兩種電機，有助于對SPM電機和IPM電機進行統一的數學分析。一般來說，凸極率越大弱磁性能越好。為了獲得較大的凸極率，可以采用復雜的多層轉子結構，如圖所示。采用軸向疊壓的磁鋼結構能進一步提高凸極率，使ξ達到8以上。但由于工藝和成本的限制，大多數永磁同步電機采用一層或兩層轉子磁鋼結構，ξ一般不大于3。

常見控制算法介紹

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速的同時，改變電機輸入端電壓的幅值，確保其電壓和頻率的比值恒定。通常在基頻以下運行時，可同時控制定子端電壓和供電頻率，確保電機氣隙磁通不變，實現調速效果。而在基頻以上，端電壓無法隨著頻率持續升高，迫使端電壓限制在額定電壓點，從而得出磁通與頻率成反比的關系，實現弱磁調速。由于該控制策略并未形成反饋閉環，因此整個控制系統結構簡單、價格低廉。但其在動態擾動下性能較差，容易產生轉速與電流振蕩。因此，該控制方法主要應用于空氣壓縮機、水泵等調速范圍和性能要求不高的場合。

直接轉矩控制

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

永磁同步電機直接轉矩控制框圖DTC的優勢是轉矩響應快，且不需要轉子位置信息。但是由于磁鏈觀測是通過對電壓積分實現的，積分需要磁鏈初始值，而PMSM的磁鏈初始值又與轉子初始位置相關，應此PMSM控制中需要轉子的初始位置。由于電機參數誤差、積分累積誤差等原因，磁鏈和轉矩的觀測都很難獲得準確值。此外，轉矩和磁鏈控制都采用滯環控制器，使得直接轉矩控制的轉矩脈動要大于磁場定向控制。
直接轉矩控制的上述缺陷，使得其應用成熟度要低于磁場定向控制。本文對弱磁控制的研究基于磁場定向控制

磁場定向控制

磁場定向控制（FOC，Field Oriented Control）由Blaschke在1970年代初提出。磁場定向控制的思想來源于直流電機。直流電機中，要保證電樞電流與勵磁磁場的相位關系正確，才能獲得正確的轉矩，而這是通過換向器來實現的。交流電機中，磁場和電流矢量都是旋轉量，那么要保證電流和磁場的相位關系正確，需要滿足兩個條件：一是磁場位置可知，二是電流相位可控。磁場定向控制通過編碼器或旋轉變壓器來獲得轉子位置，進而獲得磁場位置。利用雙反應理論，將交變電流變換為電流矢量，并分解成勵磁分量和轉矩分量，兩個分量獨立可控，從而實現電流矢量幅值和相位的可控。因此，磁場定向控制也稱為矢量控制（Vector Control）。磁場定向控制被廣泛用于各種交流電機控制，其采用的PWM調試方法也從SPWM發展到SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation），逐漸成為成熟的高性能電機控制方法。
永磁同步電機的FOC控制框圖如圖所示。由于精確的位置采樣，采用FOC的永磁同步電機不會出現失步現象，可以在零轉速下輸出最大轉矩。電壓電流的連續可調使FOC具有轉矩脈動小，動態性能好的優點。電流調節器通常采用PI（Proportional Integral，比例積分）控制器，PI參數對控制性能有較大影響。

永磁同步電機磁場定向控制框圖永磁同步電機的轉矩主要由iq決定，因此通常將id固定為0，只調節iq來實現轉矩和轉速的控制。這種控制方法稱為“id=0”控制，適用于不需要弱磁的SPM電機。對于IPM電機，需要id<0，以利用電機的磁阻轉矩，減小電流。而弱磁控制時，則需要更復雜的算法來確定id和iq。

總結

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