STM32 电机教程 16 - PMSM电机磁场定向控制原理

只看该作者 · 2023-2-28 23:47

以周期性采样间隔执行数字 PID 控制器。假设控制器频繁执行，因此可以控制系统。通过从要控制参数的实际测量值中减去该参数的预期设置来得到误差信号。误差符号表示控制输入所需的更改方向。

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控制器的比例（ P）项通过将误差信号乘以“P”增益得到，这会使 PID 控制器产生控制响应，此响应是误差幅值的函数。随着误差信号变大，控制器的“P”项会变大，进而实现进一步校正。

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“P”项的作用是随着时间的推移减小总体误差。不过，误差接近零时，“P”项的作用将减小。在大多数系统中，受控参数的误差非常接近于零，但不会收敛。因此，最终会有一个较小的剩余稳态误差。

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控制器的积分（ I）项用于消除这个小稳态误差。“I”项计算连续运行的误差信号总和。因此，小稳态误差随时间累积成大误差值。此累积误差信号与“I”增益因子相乘，成为 PID 控制器的“I”输出项。PID 控制器的差分（ D）项用于提高控制器的速度并响应误差信号的变化率。通过从先前值减去当前误差值计算得出“D”项输入。此增量误差值与“D”增益因子相乘，成为

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PID 控制器的“D”输出项。当系统误差快速变化时，控制器的“D”项会产生更多的控制输出。并非所有控制器都会实现“D”或“I”项（不常用）。例如，此应用不使用“D”项，因为它会放大噪声，这反过来会导致 PWM 占空比发生过度变化，从而影响算法的工作并产生过电流跳闸。

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调整 PID 增益
PID 控制器的“P”增益用于设置整体系统响应。要调整 PID 控制器，请将“I”和“D”增益设置为零。然后，增大“P”增益，直到系统响应设定值变化，且无过多过冲或振荡。如果使用的“P”增益值较小，则以缓慢方式控制系统；如果使用的值较大，则会实现积极控制。现在系统可能不会收敛到设定值。

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选择完合理的“P”增益后，慢慢增大“I”增益以强制系统误差为零。在大多数系统中只需要较小的“I”增益。如果“I”增益足够大，则其作用可以克服“P”项的作用、减慢整体控制响应速度并使系统在设定值处上下振荡。如果发生振荡，减小“I”增益并增大“P”增益通常可以解决此问题。

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此应用包括一个用于限制积分饱和的项，如果积分误差使输出参数饱和，则会出现该项。积分误差的任何进一步增大都不会影响输出。累积误差在减小时，必须下降（或回退）到低于导致输出饱和的值。“Kc”系数会限制这种不必要的累积。对于大多数情况，该系数可以设置为等于“Ki”

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FOC 中的控制环

三个 PI 环用于独立控制三个交互变量。转子速度、转子磁通和转子转矩分别由单独的 PI 控制器模块控制。这是一种传统实现，其中包含限制积分饱和的项（ Kc.Excess），如下图所示。 Excess 通过无限制输出（ U）减去有限制输出（ Out）计算而得。项 Kc 与 Excess 相乘，限制累积的积分部分（ Sum）。

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坐标变换

通过一系列坐标变换，用户可以通过经典的“PI”控制环间接确定和控制不随时间变化的转矩和磁通值。该过程从测量三相电机电流开始。实际上，三个电流值的瞬时总和为零。因此，只需测量三个电流中的两个，就可以确定第三个电流，这样便无需第三个电流传感器，从而降低硬件成本。

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Clarke 变换

Clarke 变换将参考定子的三轴二维坐标系数值变换为双轴静止坐标系。图 5-1. Clarke 变换

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Park 变换
Park 变换将双轴静止坐标系的量变换为相对于转子磁通的双轴旋转坐标系

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Park
反变换Park 反变换将相对于转子磁通的双轴旋转坐标系的量变换为双轴静止坐标系

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Clarke 反变换

Clarke 反变换将双轴静止坐标系的量变换为相对于定子的三轴二维坐标系。 alpha 和 beta 轴基于传统的Clarke 反变换实现互换，以便简化 SVPWM 实现，这将在下一节中介绍。

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空间矢量脉宽调制（ SVPWM）

1986年，德国学者H.W.Vander Broeck等提出的基于电压空间矢量脉宽调制技术。矢量控制过程的最后一步是获取逆变器开关的脉宽调制信号来生成三相电机电压。如果使用空间矢量调制（ SVPWM）技术，则生成 PWM 的过程简化为几个简单的公式。在此实现中， Clarke 反变换集成到 SVM程序中，这进一步简化了计算过程。三个逆变器输出中的每一个均可处于两种状态之一。逆变器输出可以连接到正（ +）母线轨或负（ -）母线轨，共支持 23 = 8 种输出状态。全部三个输出都连接到正（ +）母线或负（ -）母线的两种状态被视为空状态，因为相位间无任何线电压。

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这两个状态绘制在 SVM 星形的原点上。其余六个状态表示为相邻状态之间有 60 度相位差的矢量，如下图所示。

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