永磁同步電機矢量控制原理
1.永磁同步電動機簡介
永磁式同步電動機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和其他類型交流電動機相比，它由于沒有勵磁電流，因而效率高，功率因數高，力矩慣量比較大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，因此永磁同步電機矢量控制系統引起了國內外學者的廣泛關注。近些年，人們對它的研究也越來越感興趣，在醫療器械、化工、輕紡、數控機床、工業機器人、計算機外設、儀器儀表、微型汽車和電動自行車等領域中都獲得應用。
1.1 永磁同步電機系統的結構
永磁同步電機的基本組成：定子繞組、轉子、機體。定子繞組通過三相交流電，產生與電源頻率同步的旋轉磁場。轉子是用永磁材料做成的永磁體，它在定子繞組產生的旋轉磁場的作用下，開始旋轉。
2.坐標變換
2.1 坐標變換
坐標變換，從數學角度看，就是將方程中原來的一組變量，用一組新的變量來代替。線性變換是指這種新舊變量之間存在線性關系。電動機中用到的坐標變換都是線性變換。
在永磁同步電機中存在兩種坐標系，一種是固定在定子上的它相對我們是靜止的，即：α,β 坐標系，它的方向和定子三相繞組的位置相對固定，它的方向定位于定子繞組 A 相的產生磁勢的方向，另一種是固定在轉子上的旋轉坐標系，我們通常稱之為 d,q坐標，其中 d 軸跟單磁極的 N 極方向相同，即和磁力線的方向相同，q 軸超前 d 軸 90 度下圖所示。
在矢量控制中，我們獲取的是定子繞組上的三相電流，所以我們還需要做的一個問題是怎么把三相電流產生的電流矢量等效到α,β坐標系中和 d,q 坐標系中去。
先討論α,β坐標系和 A，B，C 三相之間的變換（以電流為例）。
分別是向量在α軸β軸 A 軸 B 軸和 C 軸上的投影。
考慮到電樞繞組在不同坐標系的合成磁勢相等和功率不變等因數，需要在它前面加了個系數。
αβ/dq（Park變換）和其逆變換如下：
由于矢量控制能為永磁同步電機帶來像直流電機一樣的調速性能，而矢量控制又是建立在坐標變換理論下的體系，因此我們有必要討論一下永磁同步電機在 d，q坐標系下的數學模型。
其電路方程如下：
轉矩方程如下：
在永磁同步電機中通常采用 id = 0，所以：
可見電磁轉矩和 q 軸電流成正比，只要對電流進行控制就達到了控制轉矩的目的。同時這樣也能保證最大的輸出轉矩。
其運動方程如下：
其中TL,J 分別為電機的阻轉矩和轉動系統的轉動慣量。
3． 矢量控制原理介紹
矢量控制亦稱磁場定向控制(FOC),其基本思路是:通過坐標變換實現模擬直流電機的控制方法來對永磁同步電機進行控制,其實現步驟如下：
一、根據磁勢和功率不變的原則通過正交變換,將三相靜止坐標變換成二相靜止坐標，也就是 Clarke 變換，將三相的電流先轉變到靜止坐標系，再通過旋轉變換將二相靜止坐標變成二相旋轉坐標，也就是 Park 變換，Park 變換中定子電流矢量被分解成按轉子磁場定向的 2 個直流分量 id、iq(其中 id 為勵磁電流分量,iq 為轉矩電流分量)。
二、通過控制器對其速度電流環進行控制,控制 id 就相當于控制磁通,而控制 iq 就相當于控制轉矩。Iq 調節參考量是由速度控制器給出，經過電流環調節后得出其 d，q 軸上的電壓分量即 ud 和 uq。.
三、控制量 ud 和 uq 通過 Park 逆變換。
四、根據SVPWM 空間矢量合成方法實現矢量控制量輸出，達到矢量控制的目的。
4． SVPWM產生原理
SVPWM是空間電壓矢量 PWM 波產生，它具有電壓利用率高、低諧波成分、開關次數少和功率管功耗小等特點。同時，SVPWM 還能很好的結合矢量控制算法，為矢量控制得實現提供很好的途徑，以最大限度的發揮設備的性能。因此被越來越多的變頻設備所采用。
4．1電壓空間矢量SVPWM技術的基本原理
電壓矢量與磁鏈矢量的關系: 當用三相平衡的正弦電壓向交流電機供電時，電動機的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并以恒速旋轉，磁鏈矢量的運動軌跡形成圓形的空間旋轉磁場(磁鏈圓)。因此如果有一種方法，使得逆變電路能向交流電動機提供可變頻、并能保證電動機形成定子磁鏈圓，就可以實現交流電動機的變頻調速。電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組上的空間位置來定的。
電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標系：
這是一個特殊的坐標系，它有三個軸,互相間隔120度，分別代表三個相。三相定子相電壓Ua, Ub, Uc,分別施加在三相繞組上，形成三個相電壓空間矢量Ua, Ub, Uc,它們的方向始終在各相的軸線上，大小則隨著時間按正弦規律變化。因此，三個相電壓空間矢量相加所形成的一個合成電壓空間矢量是一個以電源角頻率w速度旋轉的空間矢量。
同樣的，也可以定義電流和磁鏈的空間矢量I和 ψ。因此有：
當轉速不是很低的時候，定子電阻R的壓降相對較小。
該式說明，當磁鏈幅值
一定時，u的大小與ω成正比，或者說供電電壓與頻率f成正比。其方向是磁鏈軌跡方向的切線方向。當磁鏈矢量在空間旋轉一周時，電壓矢量也連續地按磁鏈圓的切線方向運動2π弧度，其運動軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機旋轉磁場的形狀問題就可轉化為電壓空間矢量運動軌跡的形狀問題來討論。
永磁同步電機的矢量控制原理本質上就是圍繞著如何建立一個旋轉的空間磁場，電機轉動實質上就是空間磁場的轉動。
