永磁同步电机的矢量控制策略的研究和实现

1、永磁同步电机矢量控制策略的 研究与实现 主要内容 l 基于永磁同步电机动态数学模型的控制策略 l PMSM电机的FOC控制策略 l 后续的工作 2/19 一.永磁同步电机动态数学模型的控制策略 l 电动机是电能与机械能转换的能量载体，电气传 动控制技术则通过电压、电流、频率等电气量， 实现速度、转矩、角度、位移等机械量的控制、 使得生产机械按照人们期望的方式运行。 3/19 l 相对于异步电机，永磁同步电机具有功率密 度大，功率因数高，效率高，体积小、重量轻等 特点。作为一种极具发展前景的新型电机，由于 其自身的优良性能，具有节能环保的特点，将会 赢得更为广阔的发展空间。 4/19 5/19

2、C B A C B A s C B A d d t i i i R u u u )120(cos )120(cos cos r C B A CCCBCA BCBBBA ACABAA C B A i i i LMM MLM MML 三相静止坐标系下 的定子磁链方程 其中， 为定子三相绕组的磁链， 为定子 三相绕组的自感系数， 为定子三相 绕组两两之间的互感系数，为 方向与A相绕组轴 线方向的夹角。 A C B BB L CC L AA L BA M AB M AC M CA M BC MCB M r 三相静止坐标系下的电压方程: 6/192021-7-12 定子三相绕组是对称的且互为120度，所

3、以有: BCCBCABAACAB MMMMMMM CCBBAA LLLL 由于三相绕组是星型连接，且无中线，所以有: 0 CBA iii 所以三相静止坐标系下的定子磁链方程 可表示为 )120(cos )120(cos cos )( r C B A C B A i i i ML 电压方程可表示为 )120(sin )120(sin sin d d )( rr C B A C B A s C B A i i i t ML i i i R u u u 转子电角速度 可表示为 dt d r 7/192021-7-12 电磁转矩方程可表示为 )120(sin)120(sinsin( e CBArp i

4、iinT 根据永磁同步电机在三相静止坐标系下的数 学模型公式可以看出，许多电机参数和转子位置 角度有关，而其是时变系数，所以此时系统是非 线性的。由于非线性系统的复杂性，利用坐标变 换原理简化永磁同步电机的数学模型。根据坐标 变换原理，可建立永磁同步电机在两相旋转坐标 系下的数学模型。 8/19 )( )( d d d d fdq qdqe qqq fddd de q qq qe d dd qdp qdprp LLiin iiLLninT iL iL t Riu t Riu dq轴系下的电压方程 qqq fddd iL iL )( d d d d ddfe q qqq qqe d ddd iL

5、 t i LRiu iL t i LRiu 9/192021-7-12 电磁转矩方程可表示为 )( )( dq qdqe rqdp qdprp LLiin iiLLninT 从上式可知，由于转子磁链幅值为恒定值，通过控 制永磁同步电动机定子电流的d, q轴分量便可控制永磁同 步电机的电磁转矩输出。 运动方程可表示为 re pp l n B dt d n J TT 其中，J为转动惯量，B为粘滞摩擦系数。 对于表贴式三相PMSM，定子电感满足 s LLL qd mpr n m N 30 r dt r 其中， 为电机的机械角度， rad/s；Nr为电机的转速,r/min m 10/192021-7-

6、12 11/192021-7-12 )( d d d d ddfe q qqq qqe d ddd iL t i LRiu iL t i LRiu )( )( dq qdqe rqdp qdprp LLiin iiLLninT l PMSM(Permanent synchronous motor)的控制 策略 按转子磁链定向的矢量控制系统 直接转矩控制系统 非线性控制系统 自适应控制 滑膜变结构控制 智能控制 l 在上述诸多控制策略中，只有前两种方法广泛应 用于实际的变频调速系统中。而其他的控制方法 大都停留在理论实验阶段，并没有在实际中得到 广泛应用。 12/19 二.PMSM电机的FOC控

7、制策略 13/19 定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐 标系上的电流标系上的电流 和和 ，从而调节转矩和实现，从而调节转矩和实现 弱磁控制。弱磁控制。 FOC中需要测量的量为：定子电流、中需要测量的量为：定子电流、 转子位置角转子位置角 1、工作原理 ds i qs i 14/19 n以转子磁场定向以转子磁场定向 n系统动态性能好，控制精度高系统动态性能好，控制精度高 n控制简单、具有直流电机的调速性能控制简单、具有直流电机的调速性能 n运行平稳、转矩脉动很小运行平稳、转矩脉动很小 2、FOC特点 15/19 n 控制控制 定子电流中只有交轴分量，是一

8、种转子磁链定向定子电流中只有交轴分量，是一种转子磁链定向 控制，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量控制，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量 正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。控制相对正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。控制相对 比较简单，实现起来比较容易。比较简单，实现起来比较容易。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性 能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数 控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低，电机控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低，电机 和逆变器容量不能充分利

9、用。和逆变器容量不能充分利用。 3、FOC控制方式 0 d i 16/19 n 控制控制 控制交、直轴电流分量，保持控制交、直轴电流分量，保持PMSMPMSM的功率因数为的功率因数为1 1， 在在 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈 现先增加后减小的趋势。现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输出 的最大转矩较小。的最大转矩较小。 n最大转矩最大转矩/ /电流比控制电流比控制 也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控 制）。制）。 它是

10、凸极它是凸极PMSMPMSM用的较多的一种电流控制策略。当输出用的较多的一种电流控制策略。当输出 转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的 铜耗。对于表面式永磁同步电机来说，铜耗。对于表面式永磁同步电机来说， 的控制即的控制即 为最大转矩电流比控制。为最大转矩电流比控制。 cos1 cos1 0 d i 17/19 （1 1）SVPWMSVPWM模块模块 （2 2）电流读取模块）电流读取模块 （3 3）转子速度）转子速度/ /位置反馈模块位置反馈模块 （4 4）PIDPID控制模块控制模块 （5 5）坐标变换模块）坐标变换模块 18/19 19/19 1.研究永磁同步电机矢量控制系统的工作原理、模型建立和仿真验证; 2.采用TMS320F28335数字信号处理器为控制芯片，完成永磁同步电 机矢量控制系统的软硬件设计与实现; 3.并对交流调速实验平台进行搭建和实验验证，可以实现高性能的数 字化调速算法及智能控制算法实验。 硬件部分：设计永磁同步电机矢量控制系统的控制 板电路和电源电路、系统主