PMSM转子磁场定向矢量控制技术概念简介

根据运动学方程式3-40可以知道，对永磁同步电动机调速系统的转速控制需要通过对永磁同步电动机电磁转矩T_e的控制来实现，所以电动机的转矩控制是电气调速系统的核心任务。

重新列写永磁同步电动机在dq转子坐标系中的转矩公式为

从中可以看出电动机转矩分为两个部分，其一为永磁体产生的磁链ψ_f与定子电流转矩分量i_q作用后产生的永磁转矩T_e1，其二为转子的凸极结构使得定子电流励磁分量i_d与转矩分量i_q产生的磁阻转矩T_e2。

T_e1=1.5n_pi_qψ_f

T_e2=1.5n_p（L_d-L_q）i_di_q （12-2）

这两部分转矩都与定子电流转矩分量i_q成正比例，也即是说，可以通过控制定子电流转矩分量的大小来控制电动机的转矩——这一电流与直流电动机的电枢电流相对应，因此永磁电动机的转矩控制可以转化为定子电流转矩分量的控制。另一方面定子电流的励磁分量i_d会影响电动机定子磁链的大小，可以通过它产生弱磁升速的效果——这一点与直流电动机的励磁电流类似。所以永磁同步电动机与直流电动机存在着很大的相似性。图12-1给出了永磁同步电动机内部结构图。

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图12-1 PMSM内部结构图（电流解耦）

在对交流电动机的转矩进行控制时，必须以磁场的良好控制为前提。目前PMSM的高性能控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（Field Orientation Control，FOC）与直接转矩控制技术（Direct Torque Control，DTC），两种技术分别建立在转子磁场和定子磁场的控制基础上针对电动机的转矩进行高性能闭环控制。永磁同步电动机磁场定向矢量控制技术的核心是在转子磁场旋转dq坐标系中，针对电动机定子电流的励磁电流i_d和转矩电流i_q分别进行独立控制。图12-2给出了永磁同步电动机矢量控制技术原理框图。

图12-2 PMSM矢量控制技术原理框图

图12-2中的控制系统根据调速的需求（结合给定转速与电动机的反馈转速），设定合理的电动机转矩与磁链目标值（磁链设定需要考虑电动机电压与工作转速，转矩设定需要考虑电动机的电流，两者的合理设定都需要考虑电机的实际运行环境），结合图12-1中PMSM转矩与电流的关系，给出合理的i_dref与i_qref指令值。这两个电流仅仅存在于dq坐标系电动机的数学模型中，并不能直接用来对电动机进行控制，所以需要将它们转化为三相定子坐标系中的变量。经过图12-2中的2r/2s旋转变换与2/3变换两个单元的作用后，得到了三相定子电流的指令值（i_Aref、i_Bref、i_Cref）。采用合适的PWM（如电流滞环PWM）技术控制逆变器三相输出电流紧紧跟随该电流参考值。当电机三相定子电流得到很好的控制时，就可以认为dq旋转坐标系中的励磁电流i_d与转矩电流i_q得到了很好的控制，那么PMSM的磁场与电磁转矩就得到了很好的控制。

采用dq坐标系磁场定向矢量控制策略可以对永磁同步电动机进行高性能的控制。目前，永磁同步电动机的转子磁场定向矢量控制技术较成熟，动态、稳态性能较佳，因此得到了广泛的实际应用。