STM32G4入门与电机控制实战-基于X-CUBE-MCSDK的无刷直流电机与永磁同步电机控制实现 课件 第六章

第六章

永磁同步电机控制技术2024年6月26日三相PMSM的结构123三相PMSM的数学模型SVPWM控制技术4三相永磁同步电机的矢量控制永磁同步电动机和无刷直流电动机的基本架构相同，但它们的驱动方式不同，在设计和控制细节上也存在差别。本章介绍了三相永磁同步电机的结构、数学模型、SVPWM控制和矢量控制原理等内容，加深对永磁同步电机控制技术的理解。3三相PMSM的结构016.1三相PMSM的结构三相PMSM的转子结构可以分为表贴式和内置式两种结构。表贴式永磁同步电机（SM-PMSM）将磁铁置于电机转子表面；内置式永磁同步电机（I-PMSM）结构将磁铁嵌入到了转子结构中。图6-1三相PMSM的转子结构示意图5三相PMSM的数学模型026.2三相PMSM的数学模型假设三相PMSM为理想电机，忽略铁芯的饱和，不计涡流和磁滞损耗，假设电流为对称的正弦波电流。

76.2三相PMSM的数学模型

四个关系式构成了三相PMSM在自然坐标系下的基本数学模型。定子磁链是转子位置角θe的函数，因此数学模型是一个比较复杂且强耦合的多变量系统。为了便于后期控制器的设计，必须选择合适的坐标变换对数学模型进行降阶和解耦变换。86.2.1三相PMSM的坐标变换注意：ST-MC-SDK中的坐标系定义和通常的坐标关系（图6-2）不同，坐标关系如图6-3所示。后续坐标变换的内容都是基于ST-MC-SDK中的坐标系定义展开。图6-2常用坐标关系图6-3ST-MC-SDK自身采用的坐标关系96.2.1三相PMSM的坐标变换

Clark变换反Clark变换

106.2.1三相PMSM的坐标变换ST-MC-SDK中采用的坐标变换为简化后的，同时忽略了零序分量，见表6-1。变换内容变换前后幅值不变从三相到两相的变换电压电流从两相到三相的变换电压电流表6-1ST-MC-SDK中电压和电流的Clark变换和反变换116.2.1三相PMSM的坐标变换（2）Park变换

Park变换反Park变换126.2.1三相PMSM的坐标变换自然坐标系ABC和同步旋转坐标系的变换

自然坐标系ABC变换到同步旋转坐标系d-q同步旋转坐标系d-q变换到自然坐标系ABC

136.2.2同步旋转坐标系（d-q坐标系）下的数学模型电压方程和电磁转矩方程

146.2.3静止坐标系α-β-0下的数学模型电压方程

广义磁链广义感应电动势

目前比较常用的三相PMSM的建模方法大多数是基于同步旋转坐标系下的数学方程。ST中采用了同步旋转坐标系和静止坐标系下的模型。156.2.4传统测量方法获取电机参数控制需要的电机参数图6-4需要准确填写的电机参数166.2.4传统测量方法获取电机参数（1）电机参数测定——极对数测试使用稳压电源（给定电压，如5V；限流，如0.5A），把电源加在电机的两相上，此时产生过流的情况，转动电机一圈，应当感觉到有阻力，稳定的位置个数即为极对数个数。也可使用示波器，旋转一圈对应完整波形个数即为极对数个数，但旋转的快慢会影响测试的准确度，所以使用电源测试的方法最为适合。图6-5极对数测试接线示意图176.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-6毫欧计186.2.4传统测量方法获取电机参数（3）电机参数测定——电感测试①使用电桥测量电感电桥直接测量电感，数据除以2，把电机旋转一圈记录最大、最小电感值一般表贴电机最大-最小<平均*15%，内置式永磁同步电机因为d轴和q轴的电感是不一样的，一般最大-最小>平均*15%图6-7RLC表计测试接线示意图196.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-8无RLC设备测试d轴电感接线示意图206.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-9无RLC设备测试q轴电感接线示意图216.2.4传统测量方法获取电机参数

图6-10测试反电动势接线示意图

6.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理（1）绕组电阻变频器向电机绕组以PWM形式注入一定的电压，测量绕组中的电流，这个电流需要让转子定位到指定的位置（为第二步做准备）当电压和电流达到稳定值后，利用欧姆定律获得绕组的电阻，绕组电压、电流波形如图6-11所示。将注入的电压值和测量的绕组电流值代入电阻计算公式，即可得出绕组电阻的值t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°Uq-tart-tart[s]Iq-fb[A]Uq-refIq-fb采样计算阻值图6-11绕组注入电压及绕组中的电流波形

236.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°t[s]iB[A]Uq-refUB[V]UBiB[A]τ[s]t[s]图6-12电机的电压及绕组中的电流波形

246.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

256.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

266.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler测量电机参数的原理

图6-13空载时转子的动力学分析和速度响应曲线

27SVPWM控制技术036.3SVPWM控制技术永磁同步电机的工作原理简单来说就是经定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子为永磁体，定子、转子两个磁场相互做用，产生转矩使电机转动，转速为同步转速。

空间矢量脉冲宽度调制（SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM）是依据逆变器空间电压（电流）矢量切换来控制逆变器的一种新颖思路和控制策略。空间矢量脉冲宽度调制技术在电压源逆变器供电情况下，是以三相对称正弦电压产生的圆形磁链为基准，通过逆变器开关状态的选择产生PWM波形，使得实际磁链逼近圆形磁链轨迹，而且可以较好的改善电源电压的利用效率。296.3.1三相电压的空间矢量表示

定子三相绕组轴线b)三相电机轴向断面与空间复平面图6-14三相电机空间矢量示意图306.3.1三相电压的空间矢量表示

316.3.2SVPWM算法的合成原理

(a)两电平三相电压源逆变器控制三相电机 (b)不同开关模式下的电压矢量图图6-15控制电路和电压矢量示意图

326.3.2SVPWM算法的合成原理

A+(A-)B+(B-)C+(C-)UANUBNUCNUAOUBOUCOOFF(ON)OFF(ON)OFF(ON)000000ON(OFF)OFF(ON)OFF(ON)UDC002UDC/3-UDC/3-UDC/3ON(OFF)ON(OFF)OFF(ON)UDCUDC0UDC/3UDC/3-2UDC/3OFF(ON)ON(OFF)OFF(ON)0UDC0-UDC/32UDC/3-UDC/3OFF(ON)ON(OFF)ON(OFF)0UDCUDC-2UDC/3UDC/3UDC/3OFF(ON)OFF(ON)ON(OFF)00UDC-UDC/3-UDC/32UDC/3ON(OFF)OFF(ON)ON(OFF)UDC0UDCUDC/3-2UDC/3UDC/3ON(OFF)ON(OFF)ON(OFF)000000表6-2电压矢量对应各功率开关的状态与电机三个端相对于参考点N、电机相电压之间的关系336.3.2SVPWM算法的合成原理

图6-17电压空间矢量图346.3.2SVPWM算法的合成原理

图6-18电压空间矢量分时合成

356.3.2SVPWM算法的合成原理

366.3.2SVPWM算法的合成原理按图6-19所示零矢量插入方式中箭头所指路径零矢量分散插入方式输出PWM，则ABC三相的PWM波形及电压矢量作用时间如图6-20所示，其中CCR为各相比较寄存器的值。图6-19零矢量插入方式图6-20I扇区ABC三相PWM波形及电压矢量作用时间376.3.3SVPWM算法的实现

扇区号IIIIIIIVVVI表6-3基本矢量作用时间计算ST-MC-SDK自带的函数库中提供了SVPWM的程序文件，其文件夹位置在xxx\MC_SDK_5.4.7\Middlewares\ST\MototrControl\MCSDK\MCLib\Any\Src中，文件名为pwm_curr_fdbk.c，函数使用时调用PWMC_SetPhaseVoltage38三相永磁同步电机的矢量控制046.4.1PMSM矢量控制基本原理磁场定向控制（FieldOrientedControl,FOC）又称矢量控制。矢量控制采用现代控制理论概念，实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速获得了可以和直流调速相媲美的动态和静态性能。在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生转矩的转矩电流分量（交轴电流Iq）和产生磁通的励磁电流分量（直轴电流Id），并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别调节，从而达到控制电机转矩的目的。406.4.1PMSM矢量控制基本原理根据双闭环运行模式，期望转速与实际转速的差值作为速度控制器的输入，经过转速环的PI调节器后，作为电流给定与采集得到经过坐标变换后的Id和Iq的插值作为电流调节器的输入，经过电流环PI调节器后，接着通过坐标变换，将控制信息给到空间矢量调制模块，输出对应的PWM脉冲控制信号，通过逆变器输出三相电压直接控制电机。速度和电流双闭环，速度环的速度控制器输出给定电流，电流环的电流控制器输出给定电压。图6-21三相PMSM矢量控制框图416.4.1PMSM矢量控制基本原理

426.4.2PMSM的电流环PI控制