PTS-系列之PEK-190系列教學

PEK-190模塊——PMSM矢量控制

寫在前面的話：

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、力矩波動小、能夠運用在高壓大容量伺服驅動的場合。

固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W，額定轉速3000rpm的PMSM可滿足教學需求。本期基于PEK-190模塊的矢量控制策略教學為老師提供PMSM相關控制策略資料以及教學資源。

PEK-190電機控制模組

PEK-190模組介紹：

PEK-190 為PMSM驅動模組(Motor Drive)，模組實物照片如圖1 所示，主要為三相全橋逆變器(Single Phase Inverter)與PMSM組成，同時還具有主要變量的檢測和DSP控制功能部分。該模組實驗目的是為使用者提供基于DSP控制的電力變換器學習平臺，即借助 PSIM 軟件完成仿真和實驗。第一學習者可以在PSIM上建立模擬（連續(xù)）仿真電路，以學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，進行仿真研學；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，再次進行數字（離散）仿真；第四通過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，以備實物實驗。這樣設計的最大優(yōu)點方便實驗者能夠快速完成DSP對變換器主電路的控制。

進行實驗除需要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的實驗平臺上完成。

PTS-3000 實驗平臺

Motor Drive組成

PMSM驅動實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驅動實驗系統

PMSM實驗方案

一個完整的電機驅動實驗需要以下步驟部分，即（１）電機數學物理模型分析與建立；（2）電機矢量控制策略；（3）仿真驗證。下面對實現PMSM矢量控制實驗的主要步驟及操作平臺進行討論。

（１）電機數學物理模型分析與建立

PMSM 的研究早在1930 年已經開始，隨著電磁材料技術、計算機輔助設計技術、控制技術、驅動電路技術等基礎技術的發(fā)展，PMSM 特性得以很快的發(fā)展。PMSM 的控制技術于1971 年得到了突破性的進展。德國西門子公司的Blaschke 等人首先提出了交流電機的矢量控制理論，后來這一理論在PMSM 領域得到了快速的發(fā)展。

（固緯實驗模組）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 為轉子軸線與A 相繞組軸線夾角的電氣角度。

在永磁同步電機數學模型研究中，經常用到如圖5~7所示三個坐標系，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。坐標系之間可以進行相互變換，如abc坐標系到αβ 坐標系的坐標系變換稱之為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通以時間上相差120、角速率為ω 的三相對稱正弦電流。那么三相電流將產生合成的磁動勢 F1 ，它在空間成正弦分布，與交流電同頻順著A? B ?C相序來旋轉；兩相繞組α 和β ，它們在空間上相差90。當通以時間上相差90、角速率為ω 的兩相平衡正弦電流時，也能產生空間上為圓形、角速度為ω 、磁動勢為 F2 的旋轉磁場；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生合成的磁動勢F3 。由于兩個繞組以同步角速度ω 一起旋轉，則磁動勢F3 也會隨之成為旋轉磁動勢。經過坐標變換之后，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 控制方法比較簡單，電機的輸出轉矩與定子電流的幅值成線性關系，且無去磁效應。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，在電機運行過程中，系統通過不斷檢測電機轉子角位置，進而改變定子合成電流矢量is 的大小和方向，使is 的直軸分量滿足id = 0，交軸分量iq = is。（這樣一來，電機定子電流所形成的電樞磁場將一直與電機轉子軸垂直，實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使電機輸出電磁轉矩，逆變器也無需為電機提供無功勵磁電流。此種方案下電磁轉矩輸出平穩(wěn)、響應迅速，因此電機能夠很好的啟動與制動，調速性能較好，調速范圍也寬。

矢量控制策略

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的能力，抑制速率波動。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，使控制器產生實時的空間矢量PWM 波形（的控制電壓信號），進而通過逆變器來改變電機相電流值。

（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：

當模塊在啟動前，系統進行了一次轉子初始位置檢測以防止電機反轉。在0.25S時系統給定轉速為1000rpm，電機能夠跟隨給定進行正常工作，說明基于矢量控制的PMSM實驗完成。