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三相PMSM矢量控制的基本原理是什么？

无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）的区别在哪？
SPWM控制是什么？
三相PMSM矢量控制技术包括哪几部分？

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杨丽

2021-7-27 16:59:53
一、 内容
本期学习的内容，主要是结合《现代永磁同步控制原理及MATLAB仿真》一书与网上材料，对三相PMSM坐标变换原理，三相电斥源逆变器 PWM 技术的基本原理以及三相 PMSM 矢量控制的基本原理进行学习。
一、 知识点
1.无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）的区别，可认为是设计理念中控制方式分别为方波和正弦波控制的不同而区分的。而三相 PMSM 的基本数学模型的建立，是为了更好的了解PMSM控制算法。在三相 PMSM 的基本数学模型坐标变换中，通常包括静止坐标变换（Clark变换）和同步旋转坐标变换（Park 变换），其坐标关系下图所示，其中 ABC 为自然坐标系，α-β为静止坐标系，d-q为同步旋转坐标系。

对于静止坐标系和同步旋转坐标系而言，两者之间相差 90°电角度，且若忽略零序分量的影响，Clark变换和Park 变换间可通过一个旋转变换相互转换。
2. 常规的SPWM控制是将三角载波和对称的三相正弦调制波作比较，且生成PWM 波形，这实际上是一种相电压控制方式。而两电平空间矢量调制（SVPWM）控制策略是依据变流器空间电压（电流）矢量切换来控制变流器的控制策略，它相比于SPWM有更好的控制性能，对于典型的两电平三相电压源逆变器威廉希尔官方网站 ，其原理图如下图所示。其中，定义开关Sa、Sb、Sc、Sa’、Sb’和Sc’表示 6 个功率开关器件的开关状态，上、下桥臂的开断情况表示如下：
①当Sa、Sb或Sc为1时，逆变器威廉希尔官方网站 上桥臂的开关器件开通，其下桥臂的开关器件关断（即Sa’、Sb’或Sc’为 O）；
②当Sa、Sb或Sc为0时，上桥臂的开关器件关断而下桥臂的开关器件开通（即Sa’、Sb’或Sc’为 1）。

又因为同一桥臂上下开关器件不能同时导通，则上述的逆变器三路逆变桥的开 关组态一共有8种。则8个电压空间矢量表达式为：
Uout=2Udc（Sa+Sbej2Π/3+Sce-j2Π/3）/3
另外，交流侧相电压 VAN 、VBN 和 VCN 与开关函数之间的关系为：
VAN= Udc（2Sa-Sb-Sc）/3
VBN= Udc（2Sb-Sa-Sc）/3
VCN= Udc（2Sc-Sa-Sb）/3
在 8 种组合电压空间矢量中，包括6个非零矢量 U1（001 ）、 U2 （010）、U3（011 ）、U4（ 100）、U5（ 101 ）、U6（110），以及两个零矢量 U0 （OOO）、U7（1ll）， 将 8 种组合的基本空间电压矢量映射至如下图所示的复平面中，即可得到该图所示的电压空间矢量图。它们将复平面分成了 6个区，称之为扇区。

3.对于三相PMSM矢量控制技术而言，通常包括转速控制环、电流控制环和PWM 控制算法3个主要部分。对于旋转坐标系下的电流控制，目前常用的是滞环电流控制和PI电流控制两种控制方式。下面就针对滞环电流控制和PI电流控制的基本原理做一个介绍。
三相PMSM的滞环电流控制框图如下图所示，在电压源逆变器中，滞环电流控制提供了一种控制瞬态电流输出的方法。其基本思想是将电流给定信号与检测到的逆变器实际输出电流信号相比较，若实际电流值大于给定值，则通过改变逆变器的开关状态使之减小，反之增大。这样，实际电流围绕给定电流波形作锯齿状变化，并将偏差限制在一定范围内。

因此，采用滞环电流控制的逆变器系统包括转速控制环和一个采用滞环控制的电流闭环，这将加快动态调节和抑制环内扰动，而且这种电流控制方法简单。
而对于PI电流控制的基本原理，当id=O时，其控制方法的三相PMSM矢量控制框图如下图所示，从图中可以看出三相PMSM矢量控制主要包括3个部分：转速环PI调节、电流环PI调节器和SVPWM算法。

由此，可以很清晰的看出，对于一个PI电流控制的系统来说，调节转速环PI调节器的参数与电流环 PI 调节器的参数，是提高整个系统的可靠性与稳定性的关键。
三、总结
本期的学习内容，主要是学习理论性知识，了解了PMSM坐标变换、SPWM算法和SVPWM算法的优劣，初步认识到三相PMSM矢量控制的基本原理。下一期的学习任务，首先过一遍正弦波部分的硬件原理图，找出其与方波部分的不同，在比较里学习，然后慢慢开始看程序，结合程序学习如何调节PI参数。
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