固緯電子電力電子教學(xué)小課堂 | 第三十講: PEK-190模塊——PMSM矢量控制
PTS-系列之PEK-190系列教學(xué)
PEK-190模塊 ——PMSM矢量控制
寫(xiě)在前面的話(huà)
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）是用稀土永磁體取代勵磁繞組所構成的一種新型同步電機。其結構簡(jiǎn)單、體積小、運行可靠，相對于感應電機，PMSM 效率高、功率密度大、調速范圍寬、力矩波動(dòng)小、能夠運用在高壓大容量伺服驅動(dòng)的場(chǎng)合。
固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W，額定轉速3000rpm的PMSM可滿(mǎn)足教學(xué)需求。本期基于PEK-190模塊的矢量控制策略教學(xué)為老師提供PMSM相關(guān)控制策略資料以及教學(xué)資源。
PEK-190
電機控制模組
PEK-190模組介紹：
PEK-190 為PMSM驅動(dòng)模組(Motor Drive)，模組實(shí)物照片如圖1 所示，主要為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)與PMSM組成，同時(shí)還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實(shí)驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學(xué)習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實(shí)驗。第一學(xué)習者可以在PSIM上建立模擬（連續）仿真電路，以學(xué)習電力變換器的原理、分析和功能設計；第二將電力變換器的控制器（如PI 控制器）離散化，即轉化去數字（離散）仿真部分，進(jìn)行仿真研學(xué)；第三借助DSP芯片內部所具有的A/D轉化器、數據處理和PWM信號生成功能，再次進(jìn)行數字（離散）仿真；第四通過(guò)PSIM 之 C代碼生成功能，將控制部分生成C代碼；最后將生成的C代碼下載于PEK-190的DSP之中，以備實(shí)物實(shí)驗。這樣設計的最大優(yōu)點(diǎn)方便實(shí)驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。
進(jìn)行實(shí)驗除需要PEK-190 模組外，仍需配置PEK-005A(輔助電源)和 PEK-006 (JTAG 下載器)等，并在 PTS-3000的實(shí)驗平臺上完成。
PTS-3000 實(shí)驗平臺
Motor Drive組成：
PMSM驅動(dòng)實(shí)驗系統組成如圖所示，即主要由DC電源、三相逆變電路、Motor、檢測單元模塊和DSP數據采集、處理及PWM信號模塊組成。
PMSM驅動(dòng)實(shí)驗系統
PMSM實(shí)驗方案：
一個(gè)完整的電機驅動(dòng)實(shí)驗需要以下步驟部分，即（１）電機數學(xué)物理模型分析與建立；（2）電機矢量控制策略；（3）仿真驗證。下面對實(shí)現PMSM矢量控制實(shí)驗的主要步驟及操作平臺進(jìn)行討論。
（１）電機數學(xué)物理模型分析與建立
PMSM 的研究早在1930 年已經(jīng)開(kāi)始，隨著(zhù)電磁材料技術(shù)、計算機輔助設計技術(shù)、控制技術(shù)、驅動(dòng)電路技術(shù)等基礎技術(shù)的發(fā)展，PMSM 特性得以很快的發(fā)展。PMSM 的控制技術(shù)于1971 年得到了突破性的進(jìn)展。德國西門(mén)子公司的Blaschke 等人首先提出了交流電機的矢量控制理論，后來(lái)這一理論在PMSM 領(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。
（固緯實(shí)驗模組）PMSM結構模型和等效坐標如圖所示。
PMSM 結構模型
PMSM 的等效結構坐標圖
電機定子一般由三相繞組和鐵心組成，其中三相繞組往往以星型的方式連接，其物理方程如下：
ua、ub 、uc 為三相定子繞組電壓；
Ra 、Rb 、Rc 為三相定子繞組電阻，大小均為R ；
ia 、ib 、ic 為三相定子繞組電流；
ψa ，ψb，ψc 為三相定子繞組的磁鏈；
L為三相定子繞組的自感，包括漏電感分量和主電感分量；
ψf 為轉子永磁磁鏈；
θe 為轉子軸線(xiàn)與A 相繞組軸線(xiàn)夾角的電氣角度。
在永磁同步電機數學(xué)模型研究中，經(jīng)常用到如圖5~7所示三個(gè)坐標系，它們是靜止的abc 坐標系、靜止的αβ 坐標系和旋轉的dq 坐標系。坐標系之間可以進(jìn)行相互變換，如abc坐標系到αβ 坐標系的坐標系變換稱(chēng)之為Clark 變換，αβ 坐標系到dq 坐標系的變化則是Park 變換。
abc坐標系
αβ坐標系
dq坐標系
三相交流繞組電路，假設繞組A、B、C通以時(shí)間上相差120、角速率為ω 的三相對稱(chēng)正弦電流。那么三相電流將產(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢 F1 ，它在空間成正弦分布，與交流電同頻順著(zhù)A? B ?C相序來(lái)旋轉；兩相繞組α 和β ，它們在空間上相差90。當通以時(shí)間上相差90、角速率為ω 的兩相平衡正弦電流時(shí)，也能產(chǎn)生空間上為圓形、角速度為ω 、磁動(dòng)勢為 F2 的旋轉磁場(chǎng)；在旋轉坐標系dq 中，如果在匝數相等且互相垂直的繞組d 和繞組q 中分別通以直流電流。兩相直流電流能夠產(chǎn)生合成的磁動(dòng)勢F3 。由于兩個(gè)繞組以同步角速度ω 一起旋轉，則磁動(dòng)勢F3 也會(huì )隨之成為旋轉磁動(dòng)勢。經(jīng)過(guò)坐標變換之后，即可獲得系統的微分方程如下所示：
（２）電機矢量控制策略
考慮到一般的PMSM 伺服系統的功率不大，但對于過(guò)載能力以及轉矩響應特性有比較高的要求。并且id = 0 控制方法比較簡(jiǎn)單，電機的輸出轉矩與定子電流的幅值成線(xiàn)性關(guān)系，且無(wú)去磁效應。因此，采用如圖所示的PMSM矢量控制策略。
id = 0 的控制方案要求，在電機運行過(guò)程中，系統通過(guò)不斷檢測電機轉子角位置，進(jìn)而改變定子合成電流矢量is 的大小和方向，使is 的直軸分量滿(mǎn)足id = 0，交軸分量iq = is。（這樣一來(lái)，電機定子電流所形成的電樞磁場(chǎng)將一直與電機轉子軸垂直，實(shí)際交軸電流也與設定的定子合成電流值相等，）即所有的電流都用來(lái)使電機輸出電磁轉矩，逆變器也無(wú)需為電機提供無(wú)功勵磁電流。此種方案下電磁轉矩輸出平穩、響應迅速，因此電機能夠很好的啟動(dòng)與制動(dòng)，調速性能較好，調速范圍也寬。
伺服系統屬于串級控制系統，由速度環(huán)和電流環(huán)組成。速度環(huán)的作用是使電機的轉速跟蹤設定轉速，能夠控制電機加減速，增強系統抗負載擾動(dòng)的能力，抑制速率波動(dòng)。電流環(huán)的作用是根據速度環(huán)給定的力矩電流值和檢測的電機相電流值，使控制器產(chǎn)生實(shí)時(shí)的空間矢量PWM 波形（的控制電壓信號），進(jìn)而通過(guò)逆變器來(lái)改變電機相電流值。
（3）仿真驗證
在PSIM軟件中結合以上分析搭建如圖所示可生成代碼的數字仿真電路，其仿真與實(shí)驗結果如圖所示。
PMSM矢量控制電路
電機轉速與給定
結 論：
當模塊在啟動(dòng)前，系統進(jìn)行了一次轉子初始位置檢測以防止電機反轉。在0.25S時(shí)系統給定轉速為1000rpm，電機能夠跟隨給定進(jìn)行正常工作，說(shuō)明基于矢量控制的PMSM實(shí)驗完成。