永磁同步電機驅動控制器和調制方式
李錦英1，2，3，付承毓1，2， 陳興龍1，2，包啟亮1 2
（1 中國科學院光電技術研究所，四川成都610209；2中國科學院光束控制重點實驗室，四川成都610209；3中國科學院研究生院，北京100049）
摘要：詳細分析了永磁同步電機( pmsm)的控制方式，建立了速度、電流雙閉環的pmsm仿真系統。為解決超調和穩態精度低的矛盾，采用了積分分離式pi控制器。分析了正弦脈寬調制( spwm)、混合脈寬調制(hpwm)和空間矢量脈寬調制(svpwm)方式的優缺點，并對它們在pmsm雙閉環系統中的應用進行了仿真。結果顯示：hpwm和svpwm比spwm具有更高的電壓利用率；hpwim同時具有spwm原理簡單及易于模擬和數字實現的優點；svpwm具有****的諧波含量，算法較復雜，但便于數字實現。
關鍵詞：永磁同步電機；積分分離式pt；正弦脈寬調制；混合脈寬調制；空間矢量脈寬調制
中圖分類號：tm 351文獻標志碼ia文章編號：1673-6540(2010)07-0028-04
0 引 言
直流電機由于電刷和換向器的存在，勵磁磁場和電樞磁動勢始終正交，通過調節電樞電流來直接控制電磁轉矩，所以其控制簡單、響應快，在高精度伺服系統中一直占有重要地位。但同時它們會產生火花，這在易燃、易爆場合是不允許的，且影響電機壽命。
隨著永磁材料、電力電子技術、控制方法的不斷進步，交流無刷電機逐漸顯示出其體積小、轉矩高、調速范圍寬、堅固耐用等優點。尤其是永磁同步電機(pmsm)，磁場和反電勢都是正弦信號，使其具有更小的紋波。在高性能應用場合，如機器人和高精度數控機床和航空航天領域中，pmsm都得到了廣泛應用。本文詳細分析了pmsm的工作原理，建立了速度、電流雙閉環系統，并就電流環的幾種調制方式作分析和比較。
1pmsm控制基本原理
任何電機調速控制的關鍵都是對轉矩的控制。電磁轉矩正比于定、轉子磁勢矢量的幅值與其夾角正弦的乘積，即：
顯然，在對pmsm控制中應使δ=90度，才能得到****的轉矩輸出。
在pmsm中，三相對稱定子中通入三相對稱正弦電流ia、ib、ic，將產生旋轉磁動勢。通過下面的矩陣變換可以將iabc變換為idq：
由逆矩陣可以實現idq到iabc的變換。
經過旋轉坐標變化，實現了對電壓、電流和磁勢等矢量的解耦控制。若取id =o，此時只需控制iq的大小即可達到控制電磁轉矩的目的，控制方式得以簡化。
2 pmsm仿真系統的建立
matlab/simulink和simpowersystems中含有豐富的模塊庫；搭建控制系統非常方便，下面利用它們來建立pmsm系統。如圖1所示。圖1中采用id=o的控制方式，建立了電流、速度雙閉環控制系統。主要包括：電流控制器acr、速度控制器asr、坐標變換模塊dq2abc/abc2dq、逆變器模塊、pmsm、測量模塊、脈寬調制(pwm)模塊等。
pmsm控制的關鍵是對電樞電流的控制。電流環要求快速性，控制器采用pi控制，并加上限幅保護環節；另外，電流環要求提高逆變器直流電壓利用率和降低電樞電流的諧波含量。這主要與pwm方式有關。
3 pwm模塊原理分析與優化
pwm技術的理論基礎是面積等效原理，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上，其效果基本相同。隨著絕緣柵雙極晶體管、智能功率模塊的發展，開關頻率可達到20 khz以上，使得pwm技術得到更加廣泛的發展和應用，其中****代表性的有正弦脈寬調制(spwml和空間矢量脈寬調制(svpwm).
spwm是一種脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的pwm技術。通過正弦波調制信號與三角波載波信號比較而獲得pwm開關信號，由它們的交點確定逆變器開關器件的通斷時刻。
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