simulink电机仿真学习 - 基于Id* = 0的PMSM磁场定向控制

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  设计永磁同步电机控制系统结构理论依据就是磁场定向控制，也就是FOC，这里就作为FOC基础控制方案Id = 0的理论分析以及Simulink仿真的学习记录。

  目标：基于Id * = 0的PMSM磁场定向控制

1 理论分析

   电机控制控制想要取得高的动态性能，必须满足高效的转矩控制需求，磁场定向控制就是将转子磁链矢量和定子电流矢量垂直，产生最大转矩。然后永磁同步电机没有机械换相装置，必须通过控制电流来实现电子换相功能。这就说明电机的定子电流应该沿着某个方向定向，从而使得产生转矩的电流分量和产生磁化磁链的电流分量彼此隔离，为了实现这个定向，通过选择转子磁链矢量的瞬时转速作为旋转坐标系的转速，并锁定选择坐标系的相位，使d轴和转子磁链矢量重合，这也要求不停的更新选择坐标系的相位，使得其d轴始终和转子磁链矢量轴线重合。因为旋转坐标系的相位设置满足d轴和转子磁链矢量重合的条件，所以q轴上的电流仅仅表示产生转矩的电流分量，同时旋转坐标系的旋转速度设置为转子磁链转速同步，这使得用旋转坐标系表示d轴电流和q轴电流都是直流值，此时使用PID控制d轴和q轴的电流就可以使电机高效的运行。

1.1 什么要Id = 0

  矢量控制 id =0 控制的本质是实现 dq轴的电流静态解耦，d轴的阻尼绕组是会产生磁通的，与永磁体的磁通共同构成电机的磁场，id变化的同时，总的磁通变化。当Id = 0时，磁通完全由永磁体来提供。直轴（d轴）的电流为0，这就使得电机没有直轴的电枢反应，那么电机的所有转矩都有交轴（q轴）的Iq控制，这就是解耦的目的。
  但是弱磁控制有些不同，弱磁的最终目的是输出-Id，是转速提高。这是让定子电流在d轴负方向产生和转子永磁体相反的磁链，使合成的d轴磁链变小，从而降低反电势的值，那么逆变器提供的用于抵消反电势的电压就减小，此时转速提高，也可以继续维持最大相电流。

1.2 Ud、Uq为什么要用前馈电压来补偿

理论上只有对磁链和转矩控制完全解耦，才可以对转矩、转速和位置进行动态控制，如下图

  对旋转坐标系进行数学化简，得到电机电压方程：

   上式是一个非线性交叉耦合系统，如果使用一个电压矢量Udq_comp来补偿，就会得到一个完全解耦的磁链和转矩的控制系统。此外，q轴电压包含反电势等效电压，它随着电机转子的角速度而变化。在高速情况下，反电势会变大到不能简单把它作为扰动因素来通过控制器消除，这时可以用一个前馈电压Udq_comp来补偿。所以总的前馈补偿电压矢量为：

  因此当我们使用id = 0的控制方案时，就需要消除耦合项的影响，使得dq轴电流PID对电流的控制相互独立。使得对转矩和磁链独立控制。

2 simulink仿真

2.1 参数预设

  使用《现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真》3.3节电机数据。使用模型属性中的初始化函数来配置整套模型的常用参数，便于后期调节器参数的整定，具体参数值的设置在File->Model Properties->Model Properties。

2.2 搭建基础坐标变换

2.3 搭建电机输出

  需要从电机中读取转子机械角度Theta（rad）,转子机械角速度w(rad/s).

2.3 速度环电流环搭建

2.4 SVPWM搭建

  SVPWM实际得出的是给三相的有效电压时间，因此需要配置好SVPWM的各项时间周期，这里配置为Ts = 0.0001s。

2.5 整体搭建

  按照之上的分析，进行整体搭建。

2.6 波形分析

  由下图可以看出，初始时负载为0，速度在PI的控制下在加速过程中相电流很大，达到目标速度，相电流稳定下来。在0.2s时，增大负载，电机力矩变大，相电流变大，速度在PI控制下继续维持在目标转速上。

20200421修改
添加simulink内部自己的模块进行foc仿真，坐标变换以及SVPWM发生器均使用内部模块，各个数据与自定义fcn模块结构一致。

下个学习任务是：
基于反电势观测器的无感FOC方案