甘肅金昌市西門子模塊一級經銷商

導讀：本期文章主要介紹永磁同步電機矢量控制，兩種控制策略（id=0和MPTA）。在相同工況條件下，比較兩種控制策略各自的控制性能。

一、永磁同步電機矢量控制（FOC）

1.1永磁同步電機矢量控制策略

本文主要介紹前兩種控制，后面的后期再單獨介紹。

小結：

1.2工作原理

矢量控制也稱為磁場定向控制。由于在永磁同步電機輸入交流電時會在電機內部產生電磁轉矩和耦合磁場，這會影響電機的運行并給永磁同步電機的控制帶來新的問題。而矢量控制技術能夠利用兩次坐標變換將控制簡單化。矢量控制要經過 Clark 變化和 Park 變化，先通過 Clark 變換將電機被控量從三相靜止坐標系轉換到兩相靜止坐標系，然后通過 Park 變換將電機被控量從兩相靜止坐標系轉換到兩相旋轉坐標系。通過上述步驟，可以把復雜的交流電機控制轉換為簡單的直流電機控制。

圖4 永磁同步電機矢量控制系統框圖（id=0）

MTPA 控制是在矢量控制基礎上發展的一種控制技術，由于IPMSM 具備凸極特性，所以被廣泛應用在IPMSM 控制中，在輸出相同大小電磁轉矩的同時，可以更有效地提高電流的利用率，在近年來已成為研究的熱點。MTPA 的實現方式主要有：解析公式法、查表法、高頻信號注入法等。

（1）解析公式法

解析公式法是通過以電機的電磁轉矩方程作為限制條件，對電機的定子電流建立拉格朗日函數，然后求偏導后再使之等于零，如此即可求解出d、q 軸上定子電流與定子電流矢量角的表達式。在電機參數確定后，即可通過公式進行運算確定MTPA 矢量角。

圖5 永磁同步電機矢量控制系統框圖（MTPA）

MTPA 控制是在定子電流Zui小的情況下使得輸出的電磁轉矩Zui大化的一種控制方式，當電機的轉速在基速以下，工作在恒轉矩運行區時，電機的消耗主要為銅耗，選用 MTPA 控制，不僅能夠使定子電流Zui小，Zui大程度地降低銅耗，而且減小了逆變器的負擔，降低了功率器件的損耗。

對比SPMSM 和IPMSM，兩者存在結構上的差異，前者不存在磁阻轉矩，所以id=0 控制即為其Zui大轉矩電流比控制，并且在 SPMSM 調速系統中得到了廣泛的應用。

1.3 FOC系統仿真搭建及各模塊介紹

永磁同步電機矢量控制主要包括速度環、電流環、坐標變換、電壓補償和空間電壓矢量脈寬調制（SVM）模塊。

圖6 基于SVM的永磁同步電機矢量控制系統仿真模型

往期的文章中關于異步電機矢量控制的文章中，速度環、電流環和坐標變換都有詳細介紹，同樣也適用于永磁同步電機。接下來只介紹一下前饋解耦和SVM。

（1）前饋解耦

（2）SVM總結

6個有效空間電壓矢量，在一個輸出基波電壓周期內各自依次連續作用1/6周期，逆變器運行于這種狀態時會得到一個正六邊形的旋轉磁場。六個有效電壓矢量各自連續作用1/6T，顯然不能得到一個圓形的旋轉磁場。所以這種六拍階梯波逆變器的性能較差。

圖（2-1）正六邊形的旋轉磁場

電機轉動形成圓形的旋轉磁場。如何使逆變器輸出的正六邊形的旋轉磁場變成一個圓形旋轉磁場？

圖（2-2）圓形的旋轉磁場

SVPWM使逆變器輸出的電壓矢量進行切換以獲得準圓形旋轉磁場。SVPWM的實質就是用逆變器可輸出的電壓矢量與作用時間的線性組合去逼近所期望的空間電壓矢量，具體就是對逆變器zhonggong率器件的開通和關斷狀態進行正確的控制。

（2.1、SVPWM實現過程

從上節的分析可知，哪幾個電壓空間矢量和其作用的時間是SVPWM的兩個根本的問題。要實現SVPWM，仿真搭建時需要注意和解決的幾個問題。

（1）電壓空間矢量所在扇區的判斷；

（2）基本矢量作用時間的計算；

（3）基本矢量的作用順序及扇區切換點時間確定；

（4）PWM波生成。

只要解決以上4個問題，就能實現SVPWM，具體實現過程可以回顧往期文章。

（2.2、SVPWM發波方式

從矢量合成的原理可知，矢量圓中的任意非零矢量，無論作用先后，都可以利用與它相鄰的兩個基礎矢量合成而來。常見的SVPWM的調制方式分為七段式和五段式兩種，兩種方式零矢量的插入方式不同。由于七段式調整方式，諧波含量更小，實際應用較多。

（2.2.1七段式發波方式常見的七段式的扇區I內的波形如圖所示：

圖（2-3） 七段式發波

從零矢量開始，并以零矢量結束，各矢量左右對稱，中間為零矢量(111)。為了說明上述發波方式的原理，我們做一張矢量合成的原理圖。圖中整個矢量空間被六個基礎矢量等分成六個扇區，假設每個扇區內的Uref是我們想要合成的矢量。

圖（2-4） 參考電壓矢量合成