2 永磁同步電機控制原理

2.1 從PMSM電機的數(shù)學模型出發(fā)。

分析上述方程，如果我們能夠控制 id=0

以上式中：ψf 是永磁體磁鏈，R 和 L 是定子繞組的電阻電感，we 是電機電角速度

，wm 是電機的機械角速度，p 為極對數(shù)，kt 是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，J 為轉(zhuǎn)動慣量，B 為摩擦系數(shù)，Tl 是負載系數(shù)。

從以上方程可以看出，僅控制 iq 我們就可以控制轉(zhuǎn)矩的大小，d軸電壓也僅與 iq有關，這樣極有益于我們的控制。

并且，當 id=0 時，相當于一臺典型的他勵直流電動機，定子只有交軸分量，且定子磁動勢的空間矢量正好和永磁體磁場空間矢量正交。所以為了減少損耗，完全可以將id=0，降低銅耗。

矢量控制框圖如下圖所示：

小結(jié)：

矢量控制的原理是在永磁同步電機上設法模擬直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，經(jīng)過坐標變換，使其電流矢量分解為產(chǎn)生磁通的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，兩個分量互相垂直，相互獨立。這樣就可以對它們進行單獨調(diào)節(jié)，與直流電動機的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)類似。（雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在陳伯時電力拖動控制書2.4章節(jié)有詳細的介紹，大家可以回顧一下。）

2.2 坐標變換*（參考于陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)6.6.3章節(jié)）*

2.2.1 進行坐標變換的原因

永磁同步電機中，定子磁勢Fs、轉(zhuǎn)子磁勢Fr、氣隙磁勢之間的夾角都不是90°，耦合性強，根本無法對磁場和電磁轉(zhuǎn)矩進行獨立控制

直流電機勵磁磁場垂直于電樞磁勢，二者各自獨立，互不影響

直流電機控制策略多種多樣，能夠使其應對不同場合

所以將永磁同步電機的數(shù)學模型分析后，進行坐標變換將其模擬為直流電機進行控制，會很大程度上提高電機可控性和運行效率。

2.2.2 坐標變換基本思路**

不同電機模型等效的原則：在不同坐標系所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。

如上圖中a中，電機通入三相平衡的正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢，它在空間上是呈正弦分布的，以同步轉(zhuǎn)速w1順著A-B-C的順序進行旋轉(zhuǎn)。而旋轉(zhuǎn)磁動勢，并不是只有三相繞組才可以產(chǎn)生，通入平衡的多相電流都可以產(chǎn)生想要的旋轉(zhuǎn)電磁場，其中兩相的最為簡便。只需要通入時間上互查90°的平衡交流電就可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果控制a中和b中的旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速都相同，那么即可認為二者等效。

在看c圖，兩個相互垂直的繞組M和T，其中通以電流im和it，產(chǎn)生合成磁動勢F，顯然這個磁動勢相對于M和T繞組是固定的，這個時候如果人為的將兩個繞組在內(nèi)的整個鐵芯按照以上同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，那么即可以產(chǎn)生跟三相繞組等效的旋轉(zhuǎn)磁場。如果假設有人站在這個鐵芯上看，這個電機的模型就完全與直流電機等效了。

磁動勢的等效也就代表著電流的等效，iA/iB/iB 、ia/ib 和 im/it等效，他們?nèi)吣墚a(chǎn)生相同的磁動勢，現(xiàn)在最重要的任務就是找到 以上三組電流之間準確的等效關系。

2.3 3相靜止-兩相靜止變換——3/2變換

物理基礎：各相磁動勢=有效匝數(shù) * 電流大小

如上圖所示，為方便起見，將A相與a相重合，ABC為三相靜止磁動勢矢量圖，ab為兩相靜止磁動勢矢量圖。

當兩者磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在ab軸上的投影相等。

即有以下關系式：

2.4 兩相靜止-兩相旋轉(zhuǎn)變換——2s/2r變換

如上圖所示，ab 為兩相靜止坐標系，MT 為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系;

MT坐標系以同步轉(zhuǎn)速 w1 旋轉(zhuǎn)，且 it 和 im 的長度不變（由于匝數(shù)相等約去）。

而 ab 坐標系是靜止不動的，a軸和M軸之間的夾角ψ隨著時間而改變，

由此可推算，要使二者磁動勢相等效，it 和 im 在 a 軸和 b 軸上的投影要與 ia 和 ib 等效，即可得出：

小結(jié)：

永磁同步電機系統(tǒng)是一個非線性系統(tǒng)，通過數(shù)學變換，將這個系統(tǒng)擬化成一個他勵直流電機模型來控制，會很大程度上降低控制難度，這是控制策略的核心。

而坐標變換的核心是不同坐標系產(chǎn)生磁動勢一致；通過各個坐標系之間的等量關系，計算出我們需要的變換矩陣。

有了坐標變換，有了擬化的他勵直流電機模型，我們下一步就是進行電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設計了。

編輯：hfy