STM32G4入門與電機(jī)控制實(shí)戰(zhàn)-基于X-CUBE-MCSDK的無刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)控制實(shí)現(xiàn) 課件 第六章

第六章

永磁同步電機(jī)控制技術(shù)2024年6月26日三相PMSM的結(jié)構(gòu)123三相PMSM的數(shù)學(xué)模型SVPWM控制技術(shù)4三相永磁同步電機(jī)的矢量控制永磁同步電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本架構(gòu)相同，但它們的驅(qū)動(dòng)方式不同，在設(shè)計(jì)和控制細(xì)節(jié)上也存在差別。本章介紹了三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、SVPWM控制和矢量控制原理等內(nèi)容，加深對(duì)永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的理解。3三相PMSM的結(jié)構(gòu)016.1三相PMSM的結(jié)構(gòu)三相PMSM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以分為表貼式和內(nèi)置式兩種結(jié)構(gòu)。表貼式永磁同步電機(jī)（SM-PMSM）將磁鐵置于電機(jī)轉(zhuǎn)子表面；內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（I-PMSM）結(jié)構(gòu)將磁鐵嵌入到了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中。圖6-1三相PMSM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖5三相PMSM的數(shù)學(xué)模型026.2三相PMSM的數(shù)學(xué)模型假設(shè)三相PMSM為理想電機(jī)，忽略鐵芯的飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，假設(shè)電流為對(duì)稱的正弦波電流。

76.2三相PMSM的數(shù)學(xué)模型

四個(gè)關(guān)系式構(gòu)成了三相PMSM在自然坐標(biāo)系下的基本數(shù)學(xué)模型。定子磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子位置角θe的函數(shù)，因此數(shù)學(xué)模型是一個(gè)比較復(fù)雜且強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。為了便于后期控制器的設(shè)計(jì)，必須選擇合適的坐標(biāo)變換對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降階和解耦變換。86.2.1三相PMSM的坐標(biāo)變換注意：ST-MC-SDK中的坐標(biāo)系定義和通常的坐標(biāo)關(guān)系（圖6-2）不同，坐標(biāo)關(guān)系如圖6-3所示。后續(xù)坐標(biāo)變換的內(nèi)容都是基于ST-MC-SDK中的坐標(biāo)系定義展開。圖6-2常用坐標(biāo)關(guān)系圖6-3ST-MC-SDK自身采用的坐標(biāo)關(guān)系96.2.1三相PMSM的坐標(biāo)變換

Clark變換反Clark變換

106.2.1三相PMSM的坐標(biāo)變換ST-MC-SDK中采用的坐標(biāo)變換為簡(jiǎn)化后的，同時(shí)忽略了零序分量，見表6-1。變換內(nèi)容變換前后幅值不變從三相到兩相的變換電壓電流從兩相到三相的變換電壓電流表6-1ST-MC-SDK中電壓和電流的Clark變換和反變換116.2.1三相PMSM的坐標(biāo)變換（2）Park變換

Park變換反Park變換126.2.1三相PMSM的坐標(biāo)變換自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC和同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換

自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q變換到自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC

136.2.2同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）下的數(shù)學(xué)模型電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程

146.2.3靜止坐標(biāo)系α-β-0下的數(shù)學(xué)模型電壓方程

廣義磁鏈廣義感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

目前比較常用的三相PMSM的建模方法大多數(shù)是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)方程。ST中采用了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和靜止坐標(biāo)系下的模型。156.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)控制需要的電機(jī)參數(shù)圖6-4需要準(zhǔn)確填寫的電機(jī)參數(shù)166.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)（1）電機(jī)參數(shù)測(cè)定——極對(duì)數(shù)測(cè)試使用穩(wěn)壓電源（給定電壓，如5V；限流，如0.5A），把電源加在電機(jī)的兩相上，此時(shí)產(chǎn)生過流的情況，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)一圈，應(yīng)當(dāng)感覺到有阻力，穩(wěn)定的位置個(gè)數(shù)即為極對(duì)數(shù)個(gè)數(shù)。也可使用示波器，旋轉(zhuǎn)一圈對(duì)應(yīng)完整波形個(gè)數(shù)即為極對(duì)數(shù)個(gè)數(shù)，但旋轉(zhuǎn)的快慢會(huì)影響測(cè)試的準(zhǔn)確度，所以使用電源測(cè)試的方法最為適合。圖6-5極對(duì)數(shù)測(cè)試接線示意圖176.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)

圖6-6毫歐計(jì)186.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)（3）電機(jī)參數(shù)測(cè)定——電感測(cè)試①使用電橋測(cè)量電感電橋直接測(cè)量電感，數(shù)據(jù)除以2，把電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈記錄最大、最小電感值一般表貼電機(jī)最大-最小<平均*15%，內(nèi)置式永磁同步電機(jī)因?yàn)閐軸和q軸的電感是不一樣的，一般最大-最小>平均*15%圖6-7RLC表計(jì)測(cè)試接線示意圖196.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)

圖6-8無RLC設(shè)備測(cè)試d軸電感接線示意圖206.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)

圖6-9無RLC設(shè)備測(cè)試q軸電感接線示意圖216.2.4傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取電機(jī)參數(shù)

圖6-10測(cè)試反電動(dòng)勢(shì)接線示意圖

6.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler測(cè)量電機(jī)參數(shù)的原理（1）繞組電阻變頻器向電機(jī)繞組以PWM形式注入一定的電壓，測(cè)量繞組中的電流，這個(gè)電流需要讓轉(zhuǎn)子定位到指定的位置（為第二步做準(zhǔn)備）當(dāng)電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定值后，利用歐姆定律獲得繞組的電阻，繞組電壓、電流波形如圖6-11所示。將注入的電壓值和測(cè)量的繞組電流值代入電阻計(jì)算公式，即可得出繞組電阻的值t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°Uq-tart-tart[s]Iq-fb[A]Uq-refIq-fb采樣計(jì)算阻值圖6-11繞組注入電壓及繞組中的電流波形

236.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler測(cè)量電機(jī)參數(shù)的原理

t[s]Uq-ref[V]θq-ref[°]90°t[s]iB[A]Uq-refUB[V]UBiB[A]τ[s]t[s]圖6-12電機(jī)的電壓及繞組中的電流波形

246.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler測(cè)量電機(jī)參數(shù)的原理

256.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler測(cè)量電機(jī)參數(shù)的原理

266.2.5ST-MC-SDKMotorProfiler測(cè)量電機(jī)參數(shù)的原理

圖6-13空載時(shí)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)分析和速度響應(yīng)曲線

27SVPWM控制技術(shù)036.3SVPWM控制技術(shù)永磁同步電機(jī)的工作原理簡(jiǎn)單來說就是經(jīng)定子繞組通入三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子為永磁體，定子、轉(zhuǎn)子兩個(gè)磁場(chǎng)相互做用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速。

空間矢量脈沖寬度調(diào)制（SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM）是依據(jù)逆變器空間電壓（電流）矢量切換來控制逆變器的一種新穎思路和控制策略?？臻g矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)在電壓源逆變器供電情況下，是以三相對(duì)稱正弦電壓產(chǎn)生的圓形磁鏈為基準(zhǔn)，通過逆變器開關(guān)狀態(tài)的選擇產(chǎn)生PWM波形，使得實(shí)際磁鏈逼近圓形磁鏈軌跡，而且可以較好的改善電源電壓的利用效率。296.3.1三相電壓的空間矢量表示

定子三相繞組軸線b)三相電機(jī)軸向斷面與空間復(fù)平面圖6-14三相電機(jī)空間矢量示意圖306.3.1三相電壓的空間矢量表示

316.3.2SVPWM算法的合成原理

(a)兩電平三相電壓源逆變器控制三相電機(jī) (b)不同開關(guān)模式下的電壓矢量圖圖6-15控制電路和電壓矢量示意圖

326.3.2SVPWM算法的合成原理

A+(A-)B+(B-)C+(C-)UANUBNUCNUAOUBOUCOOFF(ON)OFF(ON)OFF(ON)000000ON(OFF)OFF(ON)OFF(ON)UDC002UDC/3-UDC/3-UDC/3ON(OFF)ON(OFF)OFF(ON)UDCUDC0UDC/3UDC/3-2UDC/3OFF(ON)ON(OFF)OFF(ON)0UDC0-UDC/32UDC/3-UDC/3OFF(ON)ON(OFF)ON(OFF)0UDCUDC-2UDC/3UDC/3UDC/3OFF(ON)OFF(ON)ON(OFF)00UDC-UDC/3-UDC/32UDC/3ON(OFF)OFF(ON)ON(OFF)UDC0UDCUDC/3-2UDC/3UDC/3ON(OFF)ON(OFF)ON(OFF)000000表6-2電壓矢量對(duì)應(yīng)各功率開關(guān)的狀態(tài)與電機(jī)三個(gè)端相對(duì)于參考點(diǎn)N、電機(jī)相電壓之間的關(guān)系336.3.2SVPWM算法的合成原理

圖6-17電壓空間矢量圖346.3.2SVPWM算法的合成原理

圖6-18電壓空間矢量分時(shí)合成

356.3.2SVPWM算法的合成原理

366.3.2SVPWM算法的合成原理按圖6-19所示零矢量插入方式中箭頭所指路徑零矢量分散插入方式輸出PWM，則ABC三相的PWM波形及電壓矢量作用時(shí)間如圖6-20所示，其中CCR為各相比較寄存器的值。圖6-19零矢量插入方式圖6-20I扇區(qū)ABC三相PWM波形及電壓矢量作用時(shí)間376.3.3SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)

扇區(qū)號(hào)IIIIIIIVVVI表6-3基本矢量作用時(shí)間計(jì)算ST-MC-SDK自帶的函數(shù)庫中提供了SVPWM的程序文件，其文件夾位置在xxx\MC_SDK_5.4.7\Middlewares\ST\MototrControl\MCSDK\MCLib\Any\Src中，文件名為pwm_curr_fdbk.c，函數(shù)使用時(shí)調(diào)用PWMC_SetPhaseVoltage38三相永磁同步電機(jī)的矢量控制046.4.1PMSM矢量控制基本原理磁場(chǎng)定向控制（FieldOrientedControl,FOC）又稱矢量控制。矢量控制采用現(xiàn)代控制理論概念，實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，將交流電動(dòng)機(jī)的控制過程等效為直流電動(dòng)機(jī)的控制過程，使交流調(diào)速獲得了可以和直流調(diào)速相媲美的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量（交軸電流Iq）和產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量（直軸電流Id），并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。406.4.1PMSM矢量控制基本原理根據(jù)雙閉環(huán)運(yùn)行模式，期望轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值作為速度控制器的輸入，經(jīng)過轉(zhuǎn)速環(huán)的PI調(diào)節(jié)器后，作為電流給定與采集得到經(jīng)過坐標(biāo)變換后的Id和Iq的插值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器后，接著通過坐標(biāo)變換，將控制信息給到空間矢量調(diào)制模塊，輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈沖控制信號(hào)，通過逆變器輸出三相電壓直接控制電機(jī)。速度和電流雙閉環(huán)，速度環(huán)的速度控制器輸出給定電流，電流環(huán)的電流控制器輸出給定電壓。圖6-21三相PMSM矢量控制框圖416.4.1PMSM矢量控制基本原理

426.4.2PMSM的電流環(huán)PI控制