永磁同步电机控制策略

电压空间矢量SVPWM技术的基本原理： 电压矢量与磁链矢量的关系: 当用三相平衡的正弦电压向交 流电机供电时，电动机的定子磁链空间矢量幅值恒定，并 以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁 场(磁链圆)。因此如果有一种方法，使得逆变电路能向交流 电动机提供可变频、并能保证电动机形成定子磁链圆，就 可以实现交流电动机的变频调速。 电压空间矢量是按照电压所加在绕组上的空间位置来定的。
当前永磁同步伺服系统的控制策略主要有： 磁场定向（矢量）控制 直接转矩控制 自适应控制 滑模变结构控制 调压调频（VVVF）控制 PID控制 线性化控制 模糊控制和神经网络控制以及多种控制策 略的复合控制
矢量控制也称做磁场定向控制(FOC),其基本思路是:通过坐标 变 换实现模 拟直流电机的控制方法来对永磁同步电机进行 控制,其实 现步骤如下： 一、根据磁势和功率不变的原则通过正交变换,将三相静止坐标变 换成二相静止坐标，也就是 Clarke 变换，将三相的电流先转变到 静止坐标系，再通过旋转变换将二相静止坐标变成二相旋转坐标， 也就是 Park 变换，Park 变换中定子电流矢量被分解成按转子磁场 定向的 2 个直流分量 id、iq(其中 id 为励磁电流分量,iq 为转矩电流 分量)。 二、通过控制器对其速度电流环进行控制,控制 id 就相当于控制 磁通,而控制 iq 就相当于控制转矩。iq 调节参考量是由速度控制器 给出，经过电流环调节后得出其 d,q 轴上的电压分量即 ud 和 uq。. 三、控制量 ud 和 uq 通过 Park 逆变换。 四、根据SVPWM 空间矢量合成方法实现矢量控制量输出，达到 矢量控制的目的
三相逆变器输出的相电压矢量 [U A T a b c ] 的关系为 量[
U B UC ]
T
与开关状态矢
U A 2 −1 −1 a U = 1 U −1 2 −1 b B 3 DC U C −1 −1 2 c
永磁同步电机直接转矩控制法
直接转矩控制方法就是维持定子总磁链恒定，通过 在定子坐标系下实时计算和控制定子磁链和转矩， 利用磁连和转矩的直接跟踪，来实现系统的高动态 性能。
直接转矩控制与矢量控制相比较： （1）直接转矩控制是在静止两相坐标系下，计算并控制交流电机的 转矩，打破传统的矢量控制要模仿直流电机的解耦控制思想，不必为 了将交流电机等效转化为了将交流电机等效转化为直流电机而对电机 模型进行的简化，避免了许多复杂计算。 （2）直接转矩控制采用的是钉子磁链磁场定向，只要知道定子电阻 就可利用反电动势积分法将定子磁链观测出来。不像矢量控制采用转 子磁链磁场定向，而观测转子磁链时，转子的电阻和电感极易受到外 界的影响，导致控制性能不稳定。 （3）直接转矩控制采用空间电压矢量概念分析三相交流电机的数学 模型，特别是利用钉子电压空间矢量计算和控制其他各个物理量，使 问题得到简化，他不考虑定子电流波形是否为正弦波，也不管电机内 部磁场运动速度是否均匀，只关心转矩的响应速度和转矩的控制效果。 （4）对转矩和磁链直接控制，它摒弃了解耦的思想，不需要任何电 流调节器，PWM信号发生器，只是通过测定电机定子电压和电流， 借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并通过两点式调节器 把转矩检测值与给定值进行滞环比较，由滞环调节器来控制转矩波动。 控制效果取决于转矩的实际情况。
此图是一个电压型PWM逆变器。利用这种逆变器功率开 关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保 证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，就可以产生谐波较 少的、且直流电源利用率较高的输出。
SVPWM 是通过三相交流逆变桥的 6 个开关的不同导通模 式产生不同的电压基本矢量，通过矢量合成，来合成任意 矢量（在实际允许范围内），通过导通时间的不同大小， 来确定矢量的大小，这也就是 PWM 调制的原理。上图是 一个典型的电压源型 PWM 逆变器模型。令 a=0,表示在第 一组桥臂中：上桥臂截止，下桥臂导通，a=1,表示第一组 桥臂中：上桥臂导通，下桥臂截止，同理定义 b,c 对应于 第二组桥臂和第三组桥臂中上下桥臂的导通关系，因为实 际的工作状态不允许逆变的同一组桥臂同时导通，V(a,b,c) 有 8 种导通状态即 V (000), V (001), V (010), V (011), V (100), V(101), V (110), V(111)。
上面的图为区域I中以三相调制方法形成的 SVPWM波形图。采用三相调制具有更低的 谐波，在系统中，采用了这种调制方式。
总结：永磁同步电机的矢量控制原理本质 上就是围绕着如何建立一个旋转的空间磁 场。电机转动实质上就是空间磁场的转动 。
矢量控制永磁同步电机的死区效应
采用SVPWM的电压源逆变器中，同一桥臂的上F两个开关 器件施加互补的驱动信号，由于功率器件的开通时间往往小于 关断时间，容易发生同桥臂两只开关管同时导通的短路故障， 为了防止这种短路故障的发生，逆变器控制必须引入一段封锁 时间，此时上下桥臂均将驱动信号封锁以保证同桥臂上一只开 关管可靠关断后另一只开关管才能开通，这段时间被称为开关 时滞，亦称为死区时间。受功率开关器件的这种固有存储时间 的影响，逆变器呈现非理想化特性。 死区时间的存在使得实际输出电压和给定电压之间存在着偏 差，引起了负载相电流的畸变，主要是零电流的钳位现象，电 机的转矩也将受影响而产生波动，甚至导致机电稳定性问题。
如果向量如图所示位置则：
V = V1 + V 2 T2 V = V (110)T1 + V (100)T2 + V (000)T0 T0 T = T1 + T2 + T0 T
T1
：V(110)状态的导通时间 ：V(100)状态的导通时间 ：零向量的导通时间 ：采样周期
从一个空间电压矢量旋转到另一个矢量的过程中， 应当遵循功率器件的开关状态变化最小的原则，即 应只使一个功率器件的开关状态发生变化，这样可 以尽量减少开关损耗。在零矢量的插入上，有两种 方法处理，下图所示为在区域1中以两相调制方法 形成的SVPWM波形图。
三相电压源逆变器的8个电压空间矢量
SVPWM 通过这六个基本向量和零向量来合 成我们所需的向量，可见这六个向量把向 量空间分为六部分，在不同区间内，向量 都可使用它邻近的两个基本向量来进行合 成，可以使用 PWM 的概念通过占空比来调 节基本的大小，通过在采样周期内导通时 间的控制来近似被调制向量在该方向上的 大小。
电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系
这是一个特殊的坐标系，它有三个轴,互相间隔120 度，分别代表三个相。三相定子相电压Ua, Ub, Uc, 分别施加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量 Ua, Ub, Uc,它们的方向始终在各相的轴线上，大小 则随着时间按正弦规律变化。因此，三个相电压空 间矢量相加所形成的一个合成电压空间矢量是一个 以电源角频率ω 速度旋转的空间矢量:
u = u A + uB + uC
同样的，也可以定义电流和磁链的空间矢 量I和 ψ 。因此有
dψ u=RI + dt 当转速不是很低的时候，定子电阻R的压降相对较小 R
dψ u≈ dt
ψ ≈ ∫ udt ψ = ψ m e jωt
π j ( jωt + ) d (ψ m e jωt ) 2 u= = jωψ m e jωt = ωψ m e dt
Park变换与逆变换
1 ia i = 2 − 1 b 3 2 ic − 1 2
iα cos θ i = β − sin θ
0 3 iα iβ 2 3 − 2
可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量[U AB T a b c ] 的关系为: 与开关状态矢量[
U BC U CA ]Fra Baidu bibliotek
T
U AB 1 −1 0 a U = U 0 1 −1 b DC BC U CA −1 0 1 c
永磁同步电机直接转矩控制结构图
在上图的结构框图中，工作的原理是，转速参考值 与施测电机转速 的差值通过PI调解器得到电磁转矩参 考值 ，转子永磁体产生的磁链作为磁链参考值 ，讲 磁链和转矩的观测值与参考值分别在磁链，转矩滞环 比较器中比较，得到磁链和转矩的控制信号。由磁链 和转巨额的控制信号以及当前磁链的位置确定当前逆 变器的开关状态，并选择合适的空间电压矢量，经过 PWM输出后驱动逆变器工作。
该式说明，当磁链幅值 ψ m一定时，u的大小与 ω 成正比，或者说供电电压与频率f成正比。 其方向是磁链轨迹方向的切线方向。当磁链矢 量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁 链圆的切线方向运动 2π 弧度，其运动轨迹与 磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问 题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问 题来讨论。
矢量控制原理图
永磁同步电机矢量控制系统结构框图
坐标变换图 abc三相定子电流，经过claeke变换为αβ 坐标系，在经过park变换为dq坐标
Clarke变换与逆变换
1 1 − 2 iα 2 i = 3 3 β 0 2
1 − ia 2 ib 3 − ic 2
id cos θ i = q − sin θ
sin θ iα cos θ iβ
sin θ id cos θ iq
SVPWM产生原理
SVPWM 是空间电压矢量 PWM 波产生，它 具有电压利用率高、低谐波成分、开关次 数少和功率管功耗小等特点。同时， SVPWM 还能很好的结合矢量控制算法，为 矢量控制得实现提供很好的途径，以最大 限度的发挥设备的性能。因此被越来越多 的变频设备所采用。