永磁同步电机控制系列

永磁同步电机控制从理论到仿真到实验分享

研究生的生涯即将结束，在这短暂的记录一下自己关于电机的一些学习和认识，希望和大家一起共勉，我会以我大论文的框架进行基本记录，以及我三年做的simulink仿真和一些小技巧的分析。

永磁同步电机简介及控制方法

永磁同步电机介绍

永磁同步电机可按转子结构分为两大类：表贴式（SPM，Surface mounted permanent magnet）和内嵌式（IPM，Interior permanent magnet）。SPM电机将磁钢贴在转子表面，而IPM电机将磁钢置入转子内部。二者转子结构对比如图所示。

双反应理论将电机的交流量变换为直流量，并分解为d-q两个分量，以方便电机的分析和控制。永磁同步电机中，一对磁钢形成一对极，对应360度的电角度。将永磁磁链最大的位置定义为d轴，超前d轴90度的位置定义为q轴。例如两对极永磁同步电机d-q轴定义如图所示。

由于磁钢的磁导率与空气大致相等，SPMSM的转子各方向磁阻也相等，故d轴电感和q轴电感相等（Ld=Lq）。对于IPMSM，嵌在转子中的磁钢与硅钢片相比磁导率要小得多，导致d轴磁阻比q轴磁阻大，d轴电感则要比q轴电感小（Ld<Lq）。定义凸极率ξ为：
ξ=LqLd\xi=\frac{Lq}{Ld}ξ=LdLq
对于SPM电机，ξ=1；对于IPM电机，ξ>1。以凸极率的值来区别两种电机，有助于对SPM电机和IPM电机进行统一的数学分析。一般来说，凸极率越大弱磁性能越好。为了获得较大的凸极率，可以采用复杂的多层转子结构，如图所示。采用轴向叠压的磁钢结构能进一步提高凸极率，使ξ达到8以上。但由于工艺和成本的限制，大多数永磁同步电机采用一层或两层转子磁钢结构，ξ一般不大于3。

常见控制算法介绍

恒压频比控制

恒压频比控制的基本思路就是在满足变频调速的同时，改变电机输入端电压的幅值，确保其电压和频率的比值恒定。通常在基频以下运行时，可同时控制定子端电压和供电频率，确保电机气隙磁通不变，实现调速效果。而在基频以上，端电压无法随着频率持续升高，迫使端电压限制在额定电压点，从而得出磁通与频率成反比的关系，实现弱磁调速。由于该控制策略并未形成反馈闭环，因此整个控制系统结构简单、价格低廉。但其在动态扰动下性能较差，容易产生转速与电流振荡。因此，该控制方法主要应用于空气压缩机、水泵等调速范围和性能要求不高的场合。

直接转矩控制

二十世纪80年代，Depenbrock和Takahasi提出了直接转矩控制的概念[39, 40]。Denpenbrock将之称为直接自适应控制（DSC，Direct Self-Control），而Takahasi则将之称为直接转矩控制（DTC，Direct Torque Control），后者成为这种控制方法的通用名称。DTC的主要思想是通过电压直接控制转矩和定子磁链，而不进行电流控制。由于省去了电流控制，DTC的最大优点是转矩的响应速度快。DTC根据相电流和电压估算转矩和定子磁链的值，再根据转矩和磁链的误差选择合适的开关组合。永磁同步电机的直接转矩控制框图如图所示。

永磁同步电机直接转矩控制框图DTC的优势是转矩响应快，且不需要转子位置信息。但是由于磁链观测是通过对电压积分实现的，积分需要磁链初始值，而PMSM的磁链初始值又与转子初始位置相关，应此PMSM控制中需要转子的初始位置。由于电机参数误差、积分累积误差等原因，磁链和转矩的观测都很难获得准确值。此外，转矩和磁链控制都采用滞环控制器，使得直接转矩控制的转矩脉动要大于磁场定向控制。
直接转矩控制的上述缺陷，使得其应用成熟度要低于磁场定向控制。本文对弱磁控制的研究基于磁场定向控制

磁场定向控制

磁场定向控制（FOC，Field Oriented Control）由Blaschke在1970年代初提出。磁场定向控制的思想来源于直流电机。直流电机中，要保证电枢电流与励磁磁场的相位关系正确，才能获得正确的转矩，而这是通过换向器来实现的。交流电机中，磁场和电流矢量都是旋转量，那么要保证电流和磁场的相位关系正确，需要满足两个条件：一是磁场位置可知，二是电流相位可控。磁场定向控制通过编码器或旋转变压器来获得转子位置，进而获得磁场位置。利用双反应理论，将交变电流变换为电流矢量，并分解成励磁分量和转矩分量，两个分量独立可控，从而实现电流矢量幅值和相位的可控。因此，磁场定向控制也称为矢量控制（Vector Control）。磁场定向控制被广泛用于各种交流电机控制，其采用的PWM调试方法也从SPWM发展到SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation），逐渐成为成熟的高性能电机控制方法。
永磁同步电机的FOC控制框图如图所示。由于精确的位置采样，采用FOC的永磁同步电机不会出现失步现象，可以在零转速下输出最大转矩。电压电流的连续可调使FOC具有转矩脉动小，动态性能好的优点。电流调节器通常采用PI（Proportional Integral，比例积分）控制器，PI参数对控制性能有较大影响。

永磁同步电机磁场定向控制框图永磁同步电机的转矩主要由iq决定，因此通常将id固定为0，只调节iq来实现转矩和转速的控制。这种控制方法称为“id=0”控制，适用于不需要弱磁的SPM电机。对于IPM电机，需要id<0，以利用电机的磁阻转矩，减小电流。而弱磁控制时，则需要更复杂的算法来确定id和iq。

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