永磁同步电机矢量控制（七）——基于id=0的矢量控制的动态解耦策略

恰饭一下：
已经过了工作的年纪，在这里稍微出一下自己做的一套永磁同步电机的教程，
为了解决电机控制入门难的问题，我将自己从一知半解到现在的学习记录整理成十个部分学习教程，从基础的矢量控制，到应用性较强的MTPA、弱磁控制等，最后深入到无速度传感器的控制，足够大家从基础到深入整个过程的学习。每个部分以精心制作的Simulink电机控制仿真模型为核心，配以辅助理解文档方便大家进行学习，尽可能详细对过程中很小的但容易卡住的问题进行解释。每个部分资料全都基于一个电机参数，是一个系统的学习教程，我有信心大家拿到这份教程，认真学习，一定能够走进电机控制的大门，并且掌握它。联系方式在文章末尾，加好友就有福利哦~欢迎Q我
永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）

3: 恰饭一下，也做了一套较为详细教程放在置顶了，请大家查看^_^

1 永磁同步电机在dq坐标系上的数学模型（为什么要解耦）（参考论文在文章最下面）

将三相静止坐标系下的PMSM的数学模型经过CLARK 和 PARK 变换之后，得到以下dq坐标系上的数学模型。

如果将这个数学模型转换为一张图来表示，就会很清楚的看到其中的耦合关系。

$\omega$

由永磁同步电机的电压方程和数学模型可以看出，d轴电压 Ud 不仅受 d轴电流 id 的影响，还受q轴电流 iq的影响，这说明永磁同步电机 d轴电压和 q轴电压存在一种耦合关系。我们可以将公式中的 $\omega L_{q}i_{q}$ 和 $\omega L_{d}i_{d}$ 视作耦合项，由于耦合项的影响，我们的Ud 和 Uq 是无法实现独立控制的。我们必须想办法解决这个问题。

另外是实际控制中，这种耦合会对控制器的性能产生比较大的危害，从公式里面可以看出转速 $\omega$ 的值越大这个耦合项就越大，这说明电机的速度越高，这个耦合项对电机的控制器性能的影响就越大，这是非常严重的，我们必须要消除它。

2 解耦的策略（怎么解耦）

此文章中我只介绍一种简单的解耦策略，多种的解耦方法的论文我会附在文章的末尾

从公式上可以看出，永磁同步电机耦合的影响是可以通过id=0的控制策略和前馈补偿的方式抵消掉的，总而言之，只要消除

ud 表达式后面 iq 的影响和 uq 表达式后面 id 的影响，就可以达到解耦的目的。

2.1 id=0的控制策略对解耦的贡献

首先我们讨论 id=0 对解耦的作用，矢量控制 id =0 控制的本质是实现 dq轴的电流静态解耦，

d轴的阻尼绕组是会产生磁通的，与永磁体的磁通共同构成电机的磁场。id变化的同时，总的磁通变化，这是一层耦合关系。

id=0 时，磁通完全由永磁体来提供。直轴的电流为0，这就使得电机没有直轴的电枢反应，即直轴是不贡献转矩的。电机的所有的电流全部用来产生电磁转矩，这与一台他励直流电动机就等效，只用控制 iq 的值就可以控制电机的转矩了，这就很自然的实现了电机的静态解耦。

当 id =0 后，电机的电压方程

$u_{d}=-\omega L_{q}i_{q}$

$u_{q}=R_{s}i_{q}+L_{q}i_{q}*\tfrac{d\phi _{f}}{dt}+\omega \phi _{f}$

2.2 电流前馈解耦对解耦的贡献

永磁同步电机耦合的影响可以通过前馈补偿的方式抵消掉，在d轴控制器和q轴控制器的输出端，分别引入与永磁同步电机dq轴电压方程中耦合项相等的信号作为耦合补偿，即可实现电流控制器的解耦控制。因此也成为电压前馈解耦。解耦的控制框图如图所示。

反应到公式来表示就是

$u_{d0}=u_{d}-\omega L_{q}i_{q}$

$u_{q0}=u_{q}+\omega L_{d}i_{d}+\omega \varphi _{f}$

在搭建仿真的时候，电流调节器的输出端加上以上两个后缀，即可实现反馈解耦。

我自己是通过编程来实现的。

3 实验结果对比

3.1 id=0 控制仿真实验结果（下左为转速波形和 iq 的波形，右为 id 的波形）

3.2 电流反馈解耦控制仿真结果（下左为转速波形和 iq 的波形，右为 id 的波形）

3 波形具体分析

3.1 iq波形解耦前后对比（左为解耦前 iq波形，后解耦后 iq波形）

对比前后 iq 的波形，明显解耦后的 iq 比解耦前的相应速度要快，且平稳度要更好，这将意味着电磁转矩也更加稳定，所以电机的阶跃响应的速度提升。此次仿真的电机是一台隐极的电机，如果是凸极的电机效果将更明显。

3.1 id波形解耦前后对比（左为解耦前 id波形，后解耦后 id波形）

对比前后 id 的波形可以看出，在电机启动阶段，id 的幅值明显得到了反馈的校正，幅值明显比解耦前要小，解耦后最大值才0.5安，尤其在高速时，这种效果将更加明显。（此处这个尖峰还未弄清楚原因，如有了解的可以在下面留言，感谢感谢）

小结

永磁同步电机在运行过程中，交直轴电压之间存在耦合的现象，即d轴的参数变化会引起q轴的参数变化，这将不利于我们的控制。而电流前馈解耦就是从电机模型出发，使电压在经过PI控制器整定之后的输出，得到一个跟耦合量相同的前馈补偿，补偿可以将耦合项抵消，从而实现了解耦。

从实验的效果来看，解耦后的电机阶跃响应的速度更快，且电流的波形更加稳定，这将有益于整个系统的性能。

需要文章资料与仿真模型的同学请博客私信我，请勿评论留下个人信息，避免信息外泄，私信看到就会发过去。

整理不易，希望大家帮忙点个赞呀，谢谢啦~^_^

最近太忙了都没能看看博客，因此留下链接大家自取吧，里面有书籍有仿真波形也存好了，还有一些教程笔记。链接：https://pan.baidu.com/s/1MbrO5TH45CdmfaBp-gWf8A
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系列文章链接：

永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）

永磁同步电机矢量控制（一）——数学模型
永磁同步电机矢量控制（二）——控制原理与坐标变换推导

永磁同步电机矢量控制（三）——电流环转速环 PI 参数整定
永磁同步电机矢量控制（四）——simulink仿真搭建
永磁同步电机矢量控制（五）——波形记录及其分析
永磁同步电机矢量控制（六）——MTPA最大转矩电流比控制
永磁同步电机矢量控制（八）——弱磁控制(超前角弱磁)
永磁同步电机矢量控制（九）——三闭环位置控制系统
永磁同步电机矢量控制（十）——PMSM最优效率（最小损耗）控制策略