STM32 电机教程 16 - PMSM电机磁场定向控制原理

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STM32 电机教程 16 - PMSM电机磁场定向控制原理

前言

磁场定向控制又称矢量控制（FOC）, 本质上为控制定子电流的幅度和相位，使之产生的磁场和转子的磁场正交，以产生最大的扭矩.

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PMSM 的磁场定向控制

磁场定向控制（ Field Oriented Control， FOC）表示这样一种方法：将其中一个磁通（转子、定子或气隙）视为所有其他量的参考坐标系，其目的是将定子电流解耦为用于产生转矩的分量和用于产生磁通的分量。这种解耦保证了复杂三相电机的控制方式与采用单独励磁的直流电机一样简单。这意味着电枢电流负责产生转矩，而励磁电流负责产生磁通。在本文档中，将转子磁通视为参考坐标系。PMSM 的气隙磁通是平滑的，反电动势（ Back Electromotive Force， BEMF）是正弦曲线。提出的控制方案已开发用于表面贴装式永磁同步电机。

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下图所示为表面贴装电机，与内置式 PMSM 相比，该电机具有低转矩纹波和低成本的优点

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表面安装永磁型 PMSM（ SPM）中 FOC 的特殊性在于定子（对应于电枢反应磁通）的 d 轴电流参考idref设置为零。转子中的磁体产生转子磁链 ψm，这一点与交流感应电机（ AC Induction Motor， ACIM）不同，后者需要正 idref 来生成磁化电流，从而产生转子磁链。气隙磁通是定子和转子磁链的总和。在 PMSM 中，转子磁链由永磁体产生，定子磁链（电枢反应磁链）由定子电流产生。在 FOC 中，如果低于额定速度，则不会产生定子磁链，因为“id”设置为零，因此气隙磁通仅等于 ψm。如果高于额定速度，“id”设置为负值，定子磁链与 ψm 相对，进而会减弱气隙磁通。FOC 可使用速度传感器或无速度传感器方法实现。

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对于高精度控制应用，首选有传感器的控制。在有传感器的 FOC 实现中，使用编码器或解析器确定转子位置和机械速度。本应用笔记介绍了本文档中基于编码器的实现。

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PMSM 有传感器 FOC 的框图

控制过程总结如下：

• 测量三相定子电流。对于具有平衡三相绕组的电机，只需测量两个电流即可。第三个电流可使用以下公式计算得出
公式计算得出：

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将三相电流转换到静止双轴系统。该转换通过测量的 ia、 ib 和 ic 值提供 iα 和 iβ 变量。从定子的角度来看，值 iα 和 iβ 是随时间变化的正交电流值。

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使用在控制环最后一次迭代时测量的变换角度旋转静止双轴坐标系，以与转子磁通对准。该转换通过iα 和 iβ 提供 id 和 iq 变量。值 id 和 iq 是变换到旋转坐标系的正交电流。对于稳态条件， id 和 iq 恒定。

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电流参考值的说明如下：

– id 参考：控制转子磁通

– iq 参考：控制电机转矩输出

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将误差信号馈入到 PI 控制器。控制器的输出提供 vd 和 vq，它们是将施加到电机上的电压向量。

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新的变换角度通过编码器脉冲输入测得。这一新角度将指导 FOC 算法确定放置下一个电压向量的位置。

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使用新的角度将来自 PI 控制器的 vd 和 vq 输出值旋转回静止参考坐标系。该计算可提供下一个正交电压值 vα 和 vβ。

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vα 和 vβ 值用于计算生成所需电压向量所用的全新 PWM 占空比值

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• 在每个离散 PWM 周期后都会计算机械速度（ ωm）

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在数据转换结束后， FOC 软件在 ADC 中断服务程序中实现。其运行速率与 PWM 开关频率相同。

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PMSM 的磁场定向控制框图如下图所示。

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4. PID 控制器

4.1 PID 控制器背景

比例积分微分（ Proportional Integral Derivative， PID）控制器的完整说明已超出本文档范围。不过，本节提供了 PID 操作的一些基础知识。

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PID 控制器在闭合控制环中响应误差信号，并尝试调节控制量以实现所需的系统响应。受控参数可以是任何可测量的系统量，例如速度或磁通。 PID 控制器的优势在于，可以通过改变一个或多个增益值并观察系统响应的变化来凭经验进行调节。