1 PMSM 介绍
PMSM 全称为 Permanent Magnet Synchronous Motor ， 即永磁同步电机。电机与运动控制是密不可分的，在众多家用电器中也是关键的部分，如风扇、泵、榨汁机、烘干机、洗衣机、冰箱、空调和各种厨房器具这些家用电器设备都有用到电机。为了是这些设备高效稳定的运行，优质的运动控制方式是必不可少的一个环节。新型的控制方式使电机的效率更高效、稳定、大幅度降低自身运行所产生的噪音。
2 PMSM 的组成结构
- 模型示意图
图1 电机结构模型示意图
- 实物结构图
图2 电机结构实物结构图
定子：定子绕组一般制成多相 (三、四、五相不等) ，通常为三相绕组。三相绕组沿定子铁心对称分布，在空间互差 120 度电角度，通入三相交流电时，产生旋转磁场。
转子：转子采用永磁体，目前主要以钕铁硼作为永磁材料。采用永磁体简化了电机的结构，提高了可靠性，又没有转子铜耗,提高电机的效率。
PMSM按转子永磁体的结构可分为两种：
①表面贴装式
直交轴电感： Ld 和 Lq 相同，气隙较大，弱磁能力小，扩速能力受到限制
图3 表贴式转子示意图
② 内埋式
直交轴电感：Lq > Ld 气隙较小，有较好的弱磁能力
图4 内埋式转子示意图
3 PMSM 控制方式
基于正弦波反电势控制的永磁同步电动机 ( 简称 PMSM ) ，永磁同步电机 ( PMSM )通常用于高性能和高效电机驱动。高性能电机控制的特点包括电机的全速平稳旋转、零速度时的全扭矩控制以及迅捷的加速和减速。可对永磁同步电机使用矢量控制技术实现这种控制。矢量控制技术通常也称为磁场定向控制 ( FOC ) 。矢量控制算法的基本思路是，将一个定子电流分解为磁场生成的部分和扭矩生成的部分。两个部分可以在分解后单独控制。
4 PMSM 的 FOC 控制策略概述
4.1、工作原理定子电流经过坐标变换后转化为两相旋转坐标系上的电流 id 和 iq ，从而调节转矩 T 和实现弱磁控制。
4.2、FOC 特点
- 以转子磁场定向
- 系统动态性能好，控制精度高
- 控制简单、具有直流电机的调速性能
- 运行平稳、转矩脉动很小
- Id = 0 定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场合。电机运行功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用。
- SVPWM 模块。采用先进的调制算法以减少电流谐波、提高直流母线电压利用率;
- 电流读取模块。通过精密电阻或电流传感器测量定子电流;
- 转子速度 / 位置反馈模块。采用霍尔传感器或增量式光电编码器来准确获取转子位置和角速度信息，也可采用无传感器检测算法进行测量;
- PID 控制模块;
- Clark、Park 及 Reverse Park 变换模块;
图5 FOC原理控制框图
- 将电流读取模块 ( ADC ) 测量的相电流 ia 和 ib ，经过 Clark 变换将其从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系 ia 和 iβ。
- iα 和 iβ 与转子位置 θ 结合，经过 Park 变换从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 id0 和 iq0。
- 转子速度 / 位置反馈模块将测量的转子角速度 ω0 ,与参考转速 ω1 进行比较，并通过 PI 调节器产生交轴参考电流 iq1。
- 交、直轴参考电流 id1 、 iq1 与实际反馈的交、直轴电流 id0 、iq0 进行比较，取直轴参考电压 id1 = 0。再经过 PI 调节器，转化为电压 Vd 和 Vq。
- 电压 Vd 和 Vq 与检测到的转子角位置 θ 相结合进行反 Park 变换，变换为两相静止坐标系的电压 Vα 和 Vβ 。
- 电压 Vα 和 Vβ 经过 SVPWM 模块调制为六路开关信号从而控制三相逆变器的开通与关断。
- 当转子角速度 ω0 变化时，与 ω1 产生偏差 △ω ，经 PI 调节器输出设定值 iq1 和实际交轴流 iq0 比较，得到偏差 △iq 用来调节实际交轴电流； 如果直轴电流 id0 不为 0，因为直轴电流给定值为 0，产生直轴电流偏差△id; 以上两个偏差电流 △id 和 △iq 经过PI调节器及反Park变换后为 SVPWM 调制算法提供两相电压 Vα 、Vβ，从而进一步调节电压空间矢量，并通过逆变器来调节电机的转速，然后重复上述过程，实现了转速和电流的双闭环控制系统
参考资料：
- 搜狗百科 PMSM 词条。
- 恩智浦官网 PMSM 相关资料，官网链接：https://www.nxp.com.cn/applications/solutions/industrial/factory-automation/permanent-magnet-synchronous-motor-pmsm:PMSM-MOTORS
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