永磁同步电动机PMSM电流控制

1、永磁同步电动机PMSM电流控制1引言由于结构简单、体积小、重量轻、低速性能好，永磁同步电动机(PMSM)在机器人、数控机床、航空航天、办公自动化等高性能伺服驱动领域受到了广泛关注。在永磁同步电动机交流伺服系统中， 控制一般分成两步进行： 一是位置或转速控制； 二是电磁转矩或定子电 流的控制。由于电机位置或转速的控制归根结底是通过电磁转矩或定子电流的控制实现的， 因此电磁转矩或定子电流控制的好坏直接决定了系统伺服性能的优劣2，并成为交流伺服系统的重要组成部分。对于永磁同步电动机交流伺服系统，一般采用矢量控制方法或直接转矩控制方法。矢量控制可通过一系列的矢量变换，使转子磁链与定子磁链正交，电磁转矩

2、控制性能好， 调速范围宽，但转子参数的变化对控制性能有较大的影响。直接转矩控制则直接对电机的转矩进行反馈控制，从而可以抑制磁链变化对转矩的影响，近似实现转矩与磁链的解耦，控制结构简单，动态响应好，但电机转矩脉动大，低速性能较差3-4。正是由于传统控制方法具有一定的局限性，人们开始探讨永磁同步电动机的新型控制策略，并试图把现代控制理论的成果应用到永磁同步电动机的控制中，以解决永磁同步电动机数学模型的非线性和强耦合问题。到目前为止，已有多种控制方法被应用到永磁同步电动机中，如自适应控制、滑模变结构控制、非线性控制、智能控制等。但有的控制算法过于复杂， 导致实现困难或实时性极差；有的控制算法则过分依

3、赖于电机的精确数学模型5，鲁棒性较为此，本文从 PMSM电磁转矩与三相电流幅值之间的关系出发，研究了一种简易的电 流控制方法。该方法仅用一个电流幅值控制器， 即可实现三相电流以及电磁转矩的间接控制， 且不需复杂的坐标变换，简化了系统控制结构， 提高了系统的实时性。 本文以下部分是这样安排的：第二部分对 PMSM的数学模型进行了简单介绍；第三部分则给出了 PMSM的简易电流控制方法；第四部分则对电流幅值反馈信号如何提取进行了研究；第五部分则以某PMSM为例，对本文的方法进行了实验验证；第六部分给出了本文的结论。2、PMSM工作原理为方便起见，对 PMSM做如下假设：假设1:定子三相绕组对称， Y

4、型连接；假设2:磁路是线性的，不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；假设3:定子相绕组的感应电动势为正弦波，定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布的 磁势，忽略磁场高次谐波的影响。在以上假设下，可写出 PMSM在三相静止坐标系中的电压平衡方程为：UalIra001ia!Ida/dt 1Ub0rb0ib+d 屮 b/dtUc 一0 0 I 一d 屮 c / dt 一其中，ra、rb、rc是绕组电阻，ra=rb=rc； Ua、Ub、Uc是定子电枢绕组端电压；幅、収、%是三相磁链，且j1ia!COSBe1ib+cos但e 2兀 / 3)1丄_jcos(8e + 2兀 /3)fM其中，L为定子绕组自感，由

5、式(2)可见，气隙磁链由两部分组成:是由转子磁链产生的。电磁转矩为：eaia ebib ecicTe :为定子绕组间互感； 畑为转子磁链；Be为转子电角度。 一部分是定子电流在绕组电感上产生的，另一部分其中,(03是电机转速，ea、eb、ec分别是是定子绕组切割转子磁场所产生的各相反电势,ea = Esin 入eb =Esin(卞一2二 /3)(4)ec 二 Esin(i 2二 /3)其中，E是反电势幅值。3、简易电流控制方法为使PMSM获得较好的转矩控制性能，根据式(4)的反电势，其三相电流应具备如下形式：'ia=lsi n8eib “sinUe -2二/3)i Isi门厲 2二/3

6、)将式(4)、式(5)代入式(3)，可得到电磁转矩为：Te =3E/2 I =3/2 Kel其中，Ke是反电势系数，I是相电流幅值。可见，在相电流与反电势同相的前提下，控 制相电流的幅值I就可以控制电磁转矩的大小。因此，PMSM电磁转矩的控制可以转化为相 电流幅值的控制，控制系统的结构图如图 1所示。与传统矢量控制方法相比，该方案有以下 特点：(1) 电流环只需一个电流控制器，系统结构简化；(2) 根据位置传感器生成三相电流相位给定，保证各相电流与相反电势同相。 无需复杂的坐标变换，简化了控制算法。图1控制系统结构原理图4、反馈信号提取与处理为实现相电流幅值的反馈控制，需获得相电流幅值信息。由

7、式（5）可知，对于PMSM来说，绕组三相电流是在空间互差120i2$ i： =3/2 I2 因此，瞬时相电流幅值表示为：iQQI2/3 （ia ib ic）（8）5、实验结果与分析为验证本文电流控制方法的有效性， 在此针对一台5对极PMSM，采用TMS320F2812， 搭建了图1所示的实验平台。在不同的电流幅值给定下，可以得到实验结果如图2至图5所示。当电流幅值给定为 0.21A时，三相电流如图2所示，相电流幅值误差如图 3所示。由图 2、图3可以看出，三相电流较好的跟踪了三相给定，形成在空间互差120。电角度的正弦波。相电流幅值与期望幅值接近，幅值误差很小，从而保证了电磁转矩的平稳性。s

8、- S KJ用H图2三相电流实验波形（I=0.21A）图3相电流幅值误差曲线（I=0.21A）当相电流幅值给定为 1.1A时，三相电流如图 4所示，相电流幅值误差如图 5所示。与 图2、图3类似，图4、图5同样实现了较好的电流控制效果，电流幅值误差保持在5%以内，达到了控制的基本要求。粵IWMZ35图4三相电流实验波形（l=1.1A ）nsan mm iso zam sutitie piq图5相电流幅值误差曲线(I=1.1A )6、结论本文从永磁同步电动机电磁转矩与相电流幅值之间的关系出发，研究了一种简易的电流控制方法。该方法仅用一个电流幅值控制器，即可实现三相电流及电磁转矩的间接控制。单电流

9、控制器不仅简化了系统控制结构、提高了系统可靠性，同时还提高了系统的实时性，为PMSM控制提供了一种新的思路。参考文献1 敖然，肖岚永磁同步电机伺服系统电流环的研究J.电力电子技术，2008, 42(1): 57-592 Sun D, Mills JK. A discrete approach to inner current loop control design of PMAC motor control systemsC. In: Proceedings of American Control Conference, 2001,2156 -2160.3 Cho K Y, Bae J D, Chung S K, Youn M J. Torque harmonics minimization in permanent magnet synchronous motor with back EMF estimationJ. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 1994, 141(6): 323-330.4 Caricchi F, Capponi FG, Crescimbini F, Solero L. Sinusoidal brushless drive with low-cost lin ear Hall ef