如何實現(xiàn)對永磁同步電動機的控制？

一、永磁同步電動機的工作原理

永磁同步電機通過定子產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場之間的磁力作用來實現(xiàn)動力傳遞。其定子上的齒槽通過三相交流電流來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子則通過永磁體產(chǎn)生恒定的磁場。當(dāng)定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率與轉(zhuǎn)子磁場的頻率一致時，磁力作用相互抵消，使得轉(zhuǎn)子能夠同步運轉(zhuǎn)。這種同步運轉(zhuǎn)的特性使得永磁同步電機在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二、如何實現(xiàn)對永磁同步電動機的控制？

1、矢量控制：

矢量控制是目前應(yīng)用最廣泛的永磁同步電機控制策略之一。它基于電機的數(shù)學(xué)模型和空間矢量調(diào)制技術(shù)，通過控制電機的轉(zhuǎn)子磁場和定子電流來實現(xiàn)對電機的精確控制。矢量控制可以實現(xiàn)高動態(tài)性能和高效率，適用于各種負(fù)載條件下的應(yīng)用。

FOC算法流程可以敘述如下：

（1） 首先對電機相電流進行采樣得到三相靜止坐標(biāo)系下電流分量 Ia 、Ib、Ic ;

（2） 然后對Ia、Ib、Ic進行Clark變換得到兩相靜止坐標(biāo)系下電流分量 Iα、Iβ;

（3） 然后將Iα、Iβ進行Park變換得到同步選擇坐標(biāo)系下的電流分量 Id、Iq;

（4） 將 Id、Iq與給定的Id、Iq分別進行做差計算，并將差值作為兩個電流環(huán)PI控制器的輸入（在此說明一下：一般當(dāng)采用雙閉環(huán)id=0矢量控制時，Id的值選擇為0，而Iq的輸入是速度環(huán)PI控制器的輸出，并且速度環(huán)PI控制器的輸入是傳感器測得的實際轉(zhuǎn)速n和給定參考轉(zhuǎn)速n*的差值）；

（5） 將電流環(huán)PI控制器的輸出電壓Ud 、Uq進行反Park變換得到 Uα、Uβ;

（6） 隨后將Iα、Iβ輸入到空間脈寬矢量調(diào)制技術(shù)模塊進行調(diào)制并輸出 PWM 波信號， 從而控制三相逆變器中 6 個開關(guān)管的通斷，將直流電壓逆變成無限接近正弦波的電壓信號，以此驅(qū)動永磁同步電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1.1 永磁同步電機矢量控制轉(zhuǎn)矩控制框圖

2、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）：

直接轉(zhuǎn)矩控制是利用Bang-Bang控制（滯環(huán)控制）產(chǎn)生PWM信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。其基本操作是：將磁鏈轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與磁鏈轉(zhuǎn)矩實際值的誤差傳給滯環(huán)比較器，并經(jīng)過離線運算開關(guān)表獲得合適的電機空間矢量，從而實現(xiàn)電機的調(diào)速控制.

工作原理如下：

不同于矢量控制技術(shù)，DTC利用Bang-Bang控制（滯環(huán)控制）產(chǎn)生PWM信號，對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，從而獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。DTC具有自己的特點，它在很大程度上解決了矢量控制中存在的一些問題，如計算的復(fù)雜特性，易受電動機參數(shù)變化的影響， 實際性能難以達到理論分析結(jié)果等。

DTC摒棄了傳統(tǒng)矢量控制中的解耦思想，而是將轉(zhuǎn)子磁通定向更換為定子磁通定向，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，減弱了系統(tǒng)對電機參數(shù)的依賴性，通過實時檢測電機定子電壓和電流，計算轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，并分別與轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值比較，利用所得差值來控制定子磁鏈的幅值及該矢量相對于磁鏈的夾角，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器直接輸出所需的空間電壓矢量，從而達到磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接控制的目的。

（1）搭建一個基礎(chǔ)的直接轉(zhuǎn)矩控制框架

圖2.1 永磁同步電機直接控制轉(zhuǎn)矩控制框圖

圖2.2 永磁同步電機直接控制轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖

（2）在Simulink找到所需的模塊

（3）使用Simulink搭建直接轉(zhuǎn)矩模型

（4）設(shè)置相應(yīng)參數(shù)

（5）進行仿真運行并觀察相應(yīng)數(shù)據(jù)

速度：

轉(zhuǎn)矩：

電流：

永磁同步電機的控制策略包括矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。每種控制策略都有其特點和適用范圍，選擇合適的控制策略可以實現(xiàn)對永磁同步電機的精確控制，提高電機的性能和效率。