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(gòu)成的一種新型同步電機。其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行可靠，相對于感應(yīng)電機，PMSM 效率高、功率密度大、調(diào)速范圍寬、力矩波動小、能夠運用在高壓大容量伺服驅(qū)動的場合。

固緯PEK-190模塊是適配額定功率400W，額定轉(zhuǎn)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(guān)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(qū)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?zāi)康氖菫槭褂谜咛峁┗贒SP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(shè)計；第二將電力變換器的控制器（如PI 控制器）離散化，即轉(zhuǎn)化去數(shù)字（離散）仿真部分，進行仿真研學；第三借助DSP芯片內(nèi)部所具有的A/D轉(zhuǎn)化器、數(shù)據(jù)處理和PWM信號生成功能，再次進行數(shù)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(shè)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(qū)動實驗系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集、處理及PWM信號模塊組成。

PMSM驅(qū)動實驗系統(tǒng)

PMSM實驗方案：

一個完整的電機驅(qū)動實驗需要以下步驟部分，即（１）電機數(shù)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(xiàn)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(shù)學物理模型分析與建立

PMSM 的研究早在1930 年已經(jīng)開始，隨著電磁材料技術(shù)、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、控制技術(shù)、驅(qū)動電路技術(shù)等基礎(chǔ)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(lǐng)域得到了快速的發(fā)展。

（固緯實驗?zāi)＝M）PMSM結(jié)構(gòu)模型和等效坐標如圖所示。

PMSM 結(jié)構(gòu)模型

PMSM 的等效結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子永磁磁鏈；

θe 為轉(zhuǎn)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(shù)學模型研究中，經(jīng)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(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)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(zhuǎn)；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(chǎn)生空間上為圓形、角速度為ω 、磁動勢為 F2 的旋轉(zhuǎn)磁場；在旋轉(zhuǎn)坐標系dq 中，如果在匝數(shù)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)生合成的磁動勢F3 。由于兩個繞組以同步角速度ω 一起旋轉(zhuǎn)，則磁動勢F3 也會隨之成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。經(jīng)過坐標變換之后，即可獲得系統(tǒng)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(tǒng)的功率不大，但對于過載能力以及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成線性關(guān)系，且無去磁效應(yīng)。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(tǒng)通過不斷檢測電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子軸垂直，實際交軸電流也與設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩輸出平穩(wěn)、響應(yīng)迅速，因此電機能夠很好的啟動與制動，調(diào)速性能較好，調(diào)速范圍也寬。

伺服系統(tǒng)屬于串級控制系統(tǒng)，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(zhuǎn)速跟蹤設(shè)定轉(zhuǎn)速，能夠控制電機加減速，增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力，抑制速率波動。電流環(huán)的作用是根據(jù)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(jié)合以上分析搭建如圖所示可生成代碼的數(shù)字仿真電路，其仿真與實驗結(jié)果如圖所示。

PMSM矢量控制電路

電機轉(zhuǎn)速與給定

結(jié)　論：

當模塊在啟動前，系統(tǒng)進行了一次轉(zhuǎn)子初始位置檢測以防止電機反轉(zhuǎn)。在0.25S時系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)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。