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1背景知识

本文提及的永磁同步电机为三相。Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)，永磁同步电机。

11永磁同步电机的基本结构

永磁同步电机主要由定子和转子构成。定子包括三相绕组及铁心，电枢绕组常以Y型连接。转子结构有外转子结构，内转子结构。

永磁同步电机的模式如Figure 1[^1] 所示。

Figure 1 永磁同步电机模型及坐标示意图

12几种常见坐标系 ABC ɑβ dq

永磁同步电机的模型及坐标示意图如Figure 2所示。

Figure 2 永磁同步电机模型及坐标示意图

为什么要针对永磁同步电机建立坐标系呢？是为了更精确的调速调频，为了研究精确的控制算法。
Figure 1中电机定子的三相绕组两两之间夹角为120°。

  • abc坐标系

Figure 3 A-B-C坐标系

  • alpha-beta坐标系

Figure 4 ɑ-β坐标系

如Figure 3和Figure 4所示，A-B-C坐标系和ɑ-β坐标系都是依据定子的三相绕组建立的，它们与永磁同步电机相对静止。

  • dq坐标系

Figure 5 d-q坐标系

而Figure 5所示的d-q坐标系是两相旋转坐标系，是基于转子建立的。d轴沿转子的磁极轴线，d轴与A轴的所夹锐角定义为角度θ，所以d-q坐标系与永磁同步电机相对转动。

为了将交流电流和电压波形转换为直流信号，常连续采用Clarke变换和Park变换去实现^2。

  • 将三相系统的时域分量（A-B-C坐标系）转换为正交静止坐标系（ɑ-β坐标系），称为Clarke变换。
  • 将正交静止坐标系的两个分量转换为一个正交旋转坐标系，称为Park变换。

13几种常见的控制方法 VVVF FOC DTC

永磁同步电机的控制策略主要有：

  • 恒压频比控制又称变压变频控制，Variable Voltage Variable Frequency (VVVF)；
  • 磁场定向矢量控制，Field Oriented Control (FOC)；
  • 直接转矩控制，Direct Torque Control (DTC)。

三种控制方法都是为了获得好的调速控制性能。

  • VVVF的原理是利用**”V/F=定值“**的原理，用开环控制的方法控制电机^3。
    根据电磁感应原理，气隙磁通在定子绕组每相绕组中的感应电动势E_m可以表示为：

    E_m=4.44*F_s*N_s*K_ns*ɸ_m

    其中，F_s为定子频率，N_s为定子每相绕组串联匝数，K_ns为基波绕组系数，ɸ_m为气隙磁通有效值。
    F_s,N_s,K_ns为常值，则E_m与Fs成正比。 可以粗略理解为，VVVF的基本控制原则是控制气隙磁通有效值ɸ_m恒定不变。

  • FOC是用坐标变换将三相交流电的控制，转换为 产生转矩的q轴电流 和 产生磁场的d轴电流 的控制，实现转矩和励磁的独立控制^3。 从Figure 2可知，

  • DTC是通过直接控制定子磁链来直接控制电机的电磁转矩。这种方法不需要转子位置信息和电机的转子参数，省去了复杂的旋转坐标变换。对于永磁同步电机来说，使用这种方法必须已知转子的初始位置。

14空间脉宽调制技术 SVPWM

空间脉宽调制法，Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM)。这种技术可以控制三相逆变桥的六个IGBT元件瞬时开关的状态，产生特定的脉宽调制波，可以使电机获得理想圆形磁链轨迹，输出理想的正弦电流波形。

Reference:

[^1]: Zhao, Xiaokun, Baoquan Kou, Changchuang Huang, and Lu Zhang. 2022. "Optimization Design and Performance Analysis of a Reverse-Salient Permanent Magnet Synchronous Motor" Machines 10, no. 3: 204. https://doi.org/10.3390/machines10030204

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