第4章 永磁同步电机的矢量控制系统
4.1 永磁同步电机的控制策略及仿真
4.1.1 矢量控制(SVPWM)
矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。但是，矢量控制系统需要确定转子磁链，要进行坐标变换，运算量很大，而且还要考虑电机转子参数变动的影响，使得系统比较复杂，这是矢量控制存在的不足之处[24-26]。
矢量控制最早是在1971年由BLASHKE等人针对异步电动机提出的，其基本思想源于对直流电机的严格模拟。直流电机本身具有良好的解耦性，可以通过分别控制其电枢电流和励磁电流达到控制电机转矩的目的。在永磁同步电机矢量控制系统中，转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号，以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率。
他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度是由电刷和换向器所固定的，且通常情况下两者正交。因此，当励磁不变时，电枢电流和电磁转矩间存在着线性关系。通过调节电枢电流就可以直接控制电磁转矩的大小。另外，为使电动机在高速区能以恒功率方式运行，还可以单独调节励磁，进行弱磁控制。正是因为在很宽的运行范围内都能够提供可控转矩，所以直流电机才得以在电气传动领域中得到广泛应用。
在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度不是固定的，是随负载而变化，尤其在动态情况下，将会引起磁场间十分复杂的作用关系，因此就不能简单地通过调节定子电流来控制转矩。利用电机外部的控制系统对定子磁动势相对励磁磁动势的空间角度实施定向控制，就可以直接控制两者间的空间角度，再对定子电流的幅值进行独立的直接控制，就将永磁同步电机模拟为他励直流电动机。这实际就是对定子电流空间矢量相位和幅值的控制。
本文所采用的控制策略为矢量控制。
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4.1.2 直接转矩控制(DTC)
它通过对定子磁链定向，实现对定子磁链和转矩的直接控制。其控制思想是通过实时检测电机转矩和磁链的幅值，分别与转矩和磁链的给定值比较，由转矩和磁链调节器直接从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率开关的状态。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化处理，没有脉宽调制PWM信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得较好的动态性能。但是也存在着一些不足：如逆变器开关频率不固定；转矩、电流脉动大；实现数字化控制需要很高的采样频率等[24-29]。
4.1.3 基于空间矢量调制的直接转矩控制(SVM-DTC)
SVM-DTC控制是将矢量控制和直接转矩控制结合在一起，其理论基础还是DTC控制理论，是基于转矩角控制。根据转矩角的变化量及磁链矢量的位置，得到下一个周期的磁链的位置，从而可以得到所需的参考电压矢量，再把参考电压矢量通过SVPWM来调制，产生PWM波驱动逆变器。SVM- DTC控制中，利用磁链的变化来确定下一个位置，所以磁链的准确估计对控制系统有较大的影响，而磁链的估计有赖电机参数的稳定；另外，电磁转矩和转矩角是一种非线性关系，而实际应用中一般近似为线性，采用PI调节，这样PI参数的选择也会影响到系统的性能；最后，SVM-DTC控制的计算周期很短，计算量很大，因此对控制器要求也较高[24-29]。 4.1.4 模型参考自适应控制(MRAS)
模型参考自适应控制系统要求控制系统用一个模型来体现，模型的输出就是理想的响应，这个模型称为参考模型。系统在运行中总是力求使可调模型的动态与参考模型的动态一致。通过比较参考模型和实际过程的输出，并通过自适应控制器去调节可调模型的某些参数或产生一个辅助输入，以使得实际输出与参考模型的输出偏差尽可能的小。实际应用中，通常用于速度估计，以实现无速度传感器运行。由此可知，模型参考自适应主要取决于可调模型的精确程度，它对系统的稳定运行起着决定性的作用；另外，自适应控制律参数整定也是一个难题，对控制系统的控制精度也有着很大的影响。
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4.1.5 基于状态观测器控制
基于状态观测器控制是在现代控制理论的基础上发展起来的，在永磁同步电机数学模型的基础上构造观测器，用来观测控制系统中各个量的状态，从而提取速度等控制量。它也依赖电机模型的准确性，当低速运行或温度升高导致电机参数变化时会出现较大的误差，从而给控制带来较大的偏差。 4.1.6 智能控制
利用智能化的算法，对控制系统进行智能化的控制，如模糊控制、神经网络控制、参数自整定等等，通过一次或几次试运行后，自动将参数整定出来，实现最优化控制。智能控制虽然有着很多优点，尤其是其在多变量、非线性的电机控制系统中，然而，它的控制性能好坏有赖于控制对象，也就是说不是每个控制系统都能很好的实现控制，这需要经验；同时，其计算量较大，对控制器也有一定的要求。
4.2 永磁同步电机矢量控制的理论基础
4.2.1 永磁同步电机磁场定向矢量控制的基本原理
qβisBiqφfβ0didAαγC
图4-1 永磁同步电机矢量图
矢量控制的思想源于对直流电机控制的严格模拟，通过磁场定向将定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量和转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别加以控制，从而可获得很好的解耦控制特性。矢量控制需
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要使用坐标变换来实现，如图4-1所示。其中包含从三相坐标系A-B-C到两相坐标系α-β的变换，从两相静止坐标系α-β到两相旋转坐标系d-q的变换，相关变换关系公式见第三章。
根据矢量控制原理，在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴，按照定位的磁场矢量方向不同，目前存在四种磁场定向控制方式：转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。对于PMSM主要采用转子磁链定向方式，该方式对小容量驱动场合特别适合。根据转子磁场定向矢量控制原则，采用同转子以相同电角速度旋转的两相旋转坐标系d-q，此时永磁同步电机等效模型见图4-2所示[18-23]。
qudΨfiqβiqidifisdidudas
图4-2 d-q坐标系下电机模型
图4-2中取逆时针方向为转速的正方向。d-q坐标系随定子磁场同步旋转，d轴固定在永磁体磁链Ψf方向上，沿转速方向逆时针旋转超前d轴90度电角度为q轴。β为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线间的空间电角度，则
?id?iq???iscos????issin? (4-1) (4-2)
2Te?1.5np?[Ψfissin??0.5(Ld?Lq)issin2?] (4-3)
由式(4-3)可以看出，永磁同步电机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场相互作用所产生的电磁转矩，第二项是由凸极效应引起，并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩。对于隐极永磁同步电机，Ld?Lq第二项为零，
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不存在磁阻转矩，只存在电磁转矩。即
Te?1.5npΨfissin? (4-4)
?由于Ψf是不可调节的，因此矢量控制就是控制定子电流矢量is的幅值和它
相对Ψf的空间角度β (转矩角)。
控制β??2时，向量is与Ψf正交，我们将这种情况称为“磁场定向”。此时每安培定子电流产生的转矩值最大，即可获得最高的转矩/电流比值，电动机铜耗也最小。显然，这是一种很有吸引力的运行状态。
因此，永磁同步电机的磁场定向矢量控制就是要准确地检测出转子的空间位置(d轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流位于q轴上，那么，永磁同步电机的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能较好地控制电磁转矩。
图4-3给出了转子磁场定向的矢量控制系统原理图
ω*PIPId,qSVPWMPIα,β三相逆变器d,qα,βα,βa,b,c旋转变压器PMSM 图4-3 PMSM矢量控制的原理图
若使两相d-q坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁分量isd和转矩分量isq来控制，当转子磁链幅值保持恒定时，系统可实现对转矩与转子磁链的解耦控制。
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