固纬电子电力电子教学小课堂 | 第三十讲: PEK-190模块——PMSM矢量控制
PTS-系列之PEK-190系列教学
PEK-190模块 ——PMSM矢量控制
写在前面的话
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor——PMSM）是用稀土永磁体取代励磁绕组所构成的一种新型同步电机。其结构简单、体积小、运行可靠，相对于感应电机，PMSM 效率高、功率密度大、调速范围宽、力矩波动小、能够运用在高压大容量伺服驱动的场合。
固纬PEK-190模块是适配额定功率400W，额定转速3000rpm的PMSM可满足教学需求。本期基于PEK-190模块的矢量控制策略教学为老师提供PMSM相关控制策略资料以及教学资源。
PEK-190
电机控制模组
PEK-190模组介绍：
PEK-190 为PMSM驱动模组(Motor Drive)，模组实物照片如图1 所示，主要为三相全桥逆变器(Single Phase Inverter)与PMSM组成，同时还具有主要变量的检测和DSP控制功能部分。该模组实验目的是为使用者提供基于DSP控制的电力变换器学习平台，即借助 PSIM 软件完成仿真和实验。第一学习者可以在PSIM上建立模拟（连续）仿真电路，以学习电力变换器的原理、分析和功能设计；第二将电力变换器的控制器（如PI 控制器）离散化，即转化去数字（离散）仿真部分，进行仿真研学；第三借助DSP芯片内部所具有的A/D转化器、数据处理和PWM信号生成功能，再次进行数字（离散）仿真；第四通过PSIM 之 C代码生成功能，将控制部分生成C代码；最后将生成的C代码下载于PEK-190的DSP之中，以备实物实验。这样设计的最大优点方便实验者能够快速完成DSP对变换器主电路的控制。
进行实验除需要PEK-190 模组外，仍需配置PEK-005A(辅助电源)和 PEK-006 (JTAG 下载器)等，并在 PTS-3000的实验平台上完成。
PTS-3000 实验平台
Motor Drive组成：
PMSM驱动实验系统组成如图所示，即主要由DC电源、三相逆变电路、Motor、检测单元模块和DSP数据采集、处理及PWM信号模块组成。
PMSM驱动实验系统
PMSM实验方案：
一个完整的电机驱动实验需要以下步骤部分，即（１）电机数学物理模型分析与建立；（2）电机矢量控制策略；（3）仿真验证。下面对实现PMSM矢量控制实验的主要步骤及操作平台进行讨论。
（１）电机数学物理模型分析与建立
PMSM 的研究早在1930 年已经开始，随着电磁材料技术、计算机辅助设计技术、控制技术、驱动电路技术等基础技术的发展，PMSM 特性得以很快的发展。PMSM 的控制技术于1971 年得到了突破性的进展。德国西门子公司的Blaschke 等人首先提出了交流电机的矢量控制理论，后来这一理论在PMSM 领域得到了快速的发展。
（固纬实验模组）PMSM结构模型和等效坐标如图所示。
PMSM 结构模型
PMSM 的等效结构坐标图
电机定子一般由三相绕组和铁心组成，其中三相绕组往往以星型的方式连接，其物理方程如下：
ua、ub 、uc 为三相定子绕组电压；
Ra 、Rb 、Rc 为三相定子绕组电阻，大小均为R ；
ia 、ib 、ic 为三相定子绕组电流；
ψa ，ψb，ψc 为三相定子绕组的磁链；
L为三相定子绕组的自感，包括漏电感分量和主电感分量；
ψf 为转子永磁磁链；
θe 为转子轴线与A 相绕组轴线夹角的电气角度。
在永磁同步电机数学模型研究中，经常用到如图5~7所示三个坐标系，它们是静止的abc 坐标系、静止的αβ 坐标系和旋转的dq 坐标系。坐标系之间可以进行相互变换，如abc坐标系到αβ 坐标系的坐标系变换称之为Clark 变换，αβ 坐标系到dq 坐标系的变化则是Park 变换。
abc坐标系
αβ坐标系
dq坐标系
三相交流绕组电路，假设绕组A、B、C通以时间上相差120、角速率为ω 的三相对称正弦电流。那么三相电流将产生合成的磁动势 F1 ，它在空间成正弦分布，与交流电同频顺着A− B −C相序来旋转；两相绕组α 和β ，它们在空间上相差90。当通以时间上相差90、角速率为ω 的两相平衡正弦电流时，也能产生空间上为圆形、角速度为ω 、磁动势为 F2 的旋转磁场；在旋转坐标系dq 中，如果在匝数相等且互相垂直的绕组d 和绕组q 中分别通以直流电流。两相直流电流能够产生合成的磁动势F3 。由于两个绕组以同步角速度ω 一起旋转，则磁动势F3 也会随之成为旋转磁动势。经过坐标变换之后，即可获得系统的微分方程如下所示：
（２）电机矢量控制策略
考虑到一般的PMSM 伺服系统的功率不大，但对于过载能力以及转矩响应特性有比较高的要求。并且id = 0 控制方法比较简单，电机的输出转矩与定子电流的幅值成线性关系，且无去磁效应。因此，采用如图所示的PMSM矢量控制策略。
id = 0 的控制方案要求，在电机运行过程中，系统通过不断检测电机转子角位置，进而改变定子合成电流矢量is 的大小和方向，使is 的直轴分量满足id = 0，交轴分量iq = is。（这样一来，电机定子电流所形成的电枢磁场将一直与电机转子轴垂直，实际交轴电流也与设定的定子合成电流值相等，）即所有的电流都用来使电机输出电磁转矩，逆变器也无需为电机提供无功励磁电流。此种方案下电磁转矩输出平稳、响应迅速，因此电机能够很好的启动与制动，调速性能较好，调速范围也宽。
伺服系统属于串级控制系统，由速度环和电流环组成。速度环的作用是使电机的转速跟踪设定转速，能够控制电机加减速，增强系统抗负载扰动的能力，抑制速率波动。电流环的作用是根据速度环给定的力矩电流值和检测的电机相电流值，使控制器产生实时的空间矢量PWM 波形（的控制电压信号），进而通过逆变器来改变电机相电流值。
（3）仿真验证
在PSIM软件中结合以上分析搭建如图所示可生成代码的数字仿真电路，其仿真与实验结果如图所示。
PMSM矢量控制电路
电机转速与给定
结 论：
当模块在启动前，系统进行了一次转子初始位置检测以防止电机反转。在0.25S时系统给定转速为1000rpm，电机能够跟随给定进行正常工作，说明基于矢量控制的PMSM实验完成。