【永磁同步电机磁场定向控制（Field Oriented Control）基本原理概述4600字】

永磁同步电机磁场定向控制（FieldOrientedControl）基本原理概述目录TOC\o"1-3"\h\u13208永磁同步电机磁场定向控制（FieldOrientedControl）基本原理概述 1168201.1永磁同步电机内部结构及工作原理 1173241.2旋转矢量坐标变换 2261891.3永磁同步电机矢量控制的电流控制方法 4154841.4驱动电路：三相逆变电路 463161.5空间矢量控制SVPWM 7238331.6SVPWM算法实现 71.1永磁同步电机内部结构及工作原理永磁同步电机PMSM（Permanentmagnetsynchronousmotor）的实物包含两部分，分别是定子与转子。定子部分位于电动机的外壳，其组成主要有端盖，硅钢片以及定子槽内的绕组，其中绕组构成三相对称。永磁同步电机旋转磁场的实现是通过给三项对称绕组通电实现的，通电要求为三相交流电，以使绕组生成空间旋转磁场，其转速与三相交流电的通电频率f和永磁同步电机的极对数P有关，电机的转速计算公式为n而PMSM的转子部分比较特殊，与其他类型的电动机所使用的通过缠绕感应绕组线圈的铁芯以提供磁场的方式不同，PMSM的转自部分包括磁扼，材料为铁心的轴承以及永磁铁等部分组成。除此之外，PMSM产生磁场的方式也有别于异步电机，在异步电机中，电机的感应电动势产生方法主要通过旋转磁场和转子的速度不同来产生磁场。而永磁同步电机其自带磁动势，这是因为其内部带有永磁铁，能够在空气间隙中产生励磁磁场。在励磁磁场的作用下，PMSM的电机转子会跟随电机外壳部分的磁场旋转进行转动，最终达到由三相交流电通电频率和极对数决定的转速n0当PMSM带动负载转矩进行转动时，除了由定子电枢通三相交流电后产生的磁动势，以及转子自身带有的磁动势。其中定子电枢产生的电势称为电枢磁动势，该磁动势会产生电枢反应，具体表现为影响电机中转子空气间隙的磁场，主要体现在影响其大小和位置，使之发生变化。因此，在PMSM的加工制作过程中，通常会将转子磁钢制作为特殊形状，如抛物线外形。这种加工手段能够令转子空气间隙之间产生的磁通密度分布发生变化，使其能够接近正弦分布。这样的处理可以令PMSM的感应电动势也趋向正弦。1.2旋转矢量坐标变换为了解决永磁同步电机通电问题，需要对电机的数学模型进行简化，在FOC中主要采取的是坐标变换的方法，通过该方法来对电机数学模型中出现的定子转子绕组耦合关系进行解耦操作。在现代交流电机速度调节理论中，以变量变换为参考坐标系中心是目前非常常见的求解手段ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>李伟亮</Author><Year>2011</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[38]</style></DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="d2sdx9ffizw0v3e2pafx99xkvtws5s50s5a2"timestamp="1614600070">29</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>李伟亮</author></authors></contributors><titles><title>基于FPGA的永磁同步电机伺服控制系统研究</title></titles><keywords><keyword>永磁同步电机</keyword><keyword>伺服控制系统</keyword><keyword>矢量控制</keyword><keyword>模块化设计</keyword><keyword>FPGA芯片</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><publisher>哈尔滨工业大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38]，由此产生了许多类型的参考坐标系便于求解问题。其中，比较常见的坐标系有，电机三相通电形成的A-B-C静止坐标系、α−β两相静止坐标系，以及d−q两相旋转坐标系。而旋转矢量坐标变换即为以上提到的三种坐标系相互转换的方法。A-B-C坐标系（即三相静止坐标系）与α−β坐标系（即两相静止坐标系）之间的转换称为Clarke变换，在变换过程中，需要确定两坐标系之间的相对位置，通常情况下α轴与A轴重合。两相静止α−β坐标系与旋转坐标系d−q之间的变换为Park变换，以上两种变换的坐标系关系如REF_Ref72082549\h图3REF_Ref72082590\h图4所示：图SEQ图\*ARABIC3Clarke变换矢量关系图SEQ图\*ARABIC4Park变换矢量关系其中θ是d−q坐标系相对于α−β坐标系旋转的角度，也可以表述为转子的旋转角度，以上两种变换的关系式如下所示：Clarke变换：IClarke逆变换：IPark变换：IPark逆变换：I1.3永磁同步电机矢量控制的电流控制方法随着新兴控制策略在工程中的应用成功案例陆续出现，电机领域中的交流伺服系统也正在沿着更优性能的方向发展ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Florent</Author><Year>2008</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[39]</style></DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="d2sdx9ffizw0v3e2pafx99xkvtws5s50s5a2"timestamp="1614600071">33</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>MorelFlorent</author><author>Jean-MarieRetif</author></authors></contributors><titles><title>Apredictivecurrentcontrolappliedtoapermanentmagnetsynchronousmachine,comparisonwithaclassicaldirecttorquecontrol</title><secondary-title>ElectricPowerSystemsResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>ElectricPowerSystemsResearch</full-title></periodical><pages>1437-1447</pages><volume>78</volume><number>8</number><keywords><keyword>torquecontrol</keyword><keyword>permanentmagnetsynchronousmachine</keyword><keyword>predictivecontrol</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39]。在伺服系统中，驱动单元的性能与算法的选择和应用息息相关，因此，选择合适的控制算法以完成控制任务对于伺服驱动系统来说至关重要ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>蒋学程</Author><Year>2011</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[40]</style></DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="d2sdx9ffizw0v3e2pafx99xkvtws5s50s5a2"timestamp="1614600071">32</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">蒋学程</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">彭侠夫</style></author><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">何栋炜</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">永磁同步电机模型自适应补偿速度控制</style></title><secondary-title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">电机与控制学报</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>电机与控制学报</full-title></periodical><pages>69-74</pages><volume>15</volume><number>10</number><keywords><keyword>永磁同步电机</keyword><keyword>标称模型</keyword><keyword>投影算法</keyword><keyword>负载干扰</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40]。在伺服系统控制问题中，需要对许多参数进行控制，如电机的速度和加速度，以及位置，电机转矩等。也有很多的控制算法供选择，如较为常见的PID控制，以及其他能够根据控制环境做调节的智能控制或自适应控制。本项目主要针对电机的相电流进行线性控制，故优先采取PID控制方法以实现FOC控制系统的控制任务，并基于此搭建FOC触觉反馈系统。1.4驱动电路：三相逆变电路三相逆变电路是PMSM中常见的驱动电路，电路的模型如REF_Ref72083314\h图5所示。图SEQ图\*ARABIC5三相逆变电路逆变电路的作用是将直流电转化为交流电，以此实现改变电流流向。由于无刷电机需要通过施加方向随时间变化的电压或电流，因此需要利用逆变电路以实现该要求。常见的逆变电路主要实现方式为半桥MOS电路，电路模型如REF_Ref72083581\h图6所示。电路由两个桥臂组成，各由一个MOS管构成，并在两桥臂之间引出一条线路，即输出线。图SEQ图\*ARABIC6半桥MOS电路通过使用三个相同的半桥电路即可搭建为三相逆变电路，将每个半桥电路中的输出线与电机的三相线进行连接，即可得到电机的驱动电路。MOS管在驱动电路中可视作由电压变化实现高速开关控制的电子元件，当不同的电平施加给MOS管的栅极后，即可对MOS管的开闭进行控制，而通过对半桥电路的开关进行控制即可实现控制电流呈现不同的通电方向。根据不同的通电方向以及MOS管的开闭，可以对电机的半桥电路状态进行编码操作，每个半桥电路根据通电情况不同可分为2种状态，当下桥关闭而上桥接通时，将其状态设置为1，相反的情况设置为0，用公式表示即为：SSS由于有三个半桥电路，每个半桥电路各有2个状态，则逆变电路共有8种不同的组合情况，对应的编码为（000-111），根据8种不同的状态，可以将逆变电路进行进一步的简化，简化后的电路如REF_Ref72084164\h图7所示。图SEQ图\*ARABIC7简化的逆变电路根据简化的逆变电路和8种不同的编码状态，可以对逆变电路中的电压节点进行求解。每个节点的电压大小如REF_Ref72084420\h表2所示。表SEQ表\*ARABIC2逆变电路各点间电压SaSbSc线电压相电压UUUUUU000U000000001U00U−−2010U0UU−2−011U0UU−11100UU002−−101UU0U1−1110UUU011−111U0000008种不同导电状态所对应的空间矢量在坐标系中的位置关系如REF_Ref72084711\h图8所示。图SEQ图\*ARABIC8ABC坐标系和αβ坐标系下的矢量表示根据REF_Ref72084711\h图8中不同电压矢量的位置关系可以看出其中6种通电状态对应的矢量将空间分割成了六个扇区，其端点构成了正六边形，但仅靠8种通电状态，或者说是6种有效的通电状态，仅能够满足正六边形的6向矢量力矩，因此为产生任意方向的矢量，需要使用SVPWM对通电状态进行进一步细分。1.5空间矢量控制SVPWMSVPWM是一种利用Park变换和Clarke变换，借助PWM生成任意方向空间电压矢量的方法，该方法在20实际80年代提出，但由于其对于系统的计算能力有一定的要求，在当时并没有被广泛推崇。而现在该算法成为了低压变频器领域中最受欢迎的方法之一ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>曾允文</Author><Year>2011</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[41]</style></DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="d2sdx9ffizw0v3e2pafx99xkvtws5s50s5a2"timestamp="1614600071">34</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">曾允文</style></author></authors></contributors><titles><title><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">变频调速</style><styleface="normal"font="default"size="100%">SVPWM</style><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">技术的原理、算法与应用</style></title></titles><keywords><keyword>变频调速</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><publisher><styleface="normal"font="default"charset="134"size="100%">机械工业出版社</style></publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]。SVPWM基于电动机的模型，将其与变频器囊括为一个整体进行分析，其最终目标是通过PWM的方法使得电机的磁场矢量尽可能地与圆形一致。该方法的主要实现方式是利用不同编码对应的不同开关状态以产生不同的电压矢量，同时通过调节每个状态的持续时间以实现接近圆形的磁场矢量。相比于传统的SPWM方法，SVPWM能够降低谐波电流，谐波分量较小，提高直流电压的利用率，同时也能够减小脉动转矩，以获得更稳定更多转矩，并且能够实现三相同时控制的效果ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张皓</Author><Year>2007</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[42]</style></DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="d2sdx9ffizw0v3e2pafx99xkvtws5s50s5a2"timestamp="1614600071">35</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>张皓</author><author>续明进</author><author>杨梅</author></authors></contributors><titles><title>高压大功率交流变频调速技术</title></titles><keywords><keyword>大功率</keyword><keyword>交流</keyword><keyword>变频调速</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><publisher>机械工业出版社</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[42]。利用不同状态的持续时间不同的手段，我们可以合成任意方向的磁场矢量。在实际应用中，常常通过Park逆变换，获得电压Vα1.6SVPWM算法实现如1.4部分对空间电压矢量的分析，根据三相逆变电路的八种开关状态可以进一步推出电路节点电压大小，如REF_Ref72084420\h表2所示，进一步将三相电压中的UaN、UbN、UcNU经过转化后，对应的电压变量如REF_Ref72095240\h表3所示：表SEQ表\*ARA