1 永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型（為什么要解耦）

將三相靜止坐標(biāo)系下的PMSM的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過CLARK 和 PARK 變換之后，得到以下dq坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型。

如果將這個(gè)數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為一張圖來表示，就會(huì)很清楚的看到其中的耦合關(guān)系。

由永磁同步電機(jī)的電壓方程和數(shù)學(xué)模型可以看出，d軸電壓 Ud 不僅受 d軸電流 id 的影響，還受q軸電流 iq的影響，這說明永磁同步電機(jī) d軸電壓 和 q軸電壓 存在一種耦合關(guān)系。我們可以將公式中的 和 視作耦合項(xiàng)，由于耦合項(xiàng)的影響，我們的Ud 和 Uq 是無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制的。我們必須想辦法解決這個(gè)問題。

另外是實(shí)際控制中，這種耦合會(huì)對(duì)控制器的性能產(chǎn)生比較大的危害，從公式里面可以看出 轉(zhuǎn)速 的值越大這個(gè)耦合項(xiàng)就越大，這說明電機(jī)的速度越高，這個(gè)耦合項(xiàng)對(duì)電機(jī)的控制器性能的影響就越大，這是非常嚴(yán)重的，我們必須要消除它。

2 解耦的策略 （怎么解耦）

此文章中我只介紹一種簡單的解耦策略，

從公式上可以看出，永磁同步電機(jī)耦合的影響是可以通過id=0的控制策略和前饋補(bǔ)償?shù)姆绞降窒舻?，總而言之，只要消?/p>

ud 表達(dá)式后面 iq 的影響 和 uq 表達(dá)式后面 id 的影響，就可以達(dá)到解耦的目的。

2.1 id=0的控制策略對(duì)解耦的貢獻(xiàn)

首先我們討論 id=0 對(duì)解耦的作用，矢量控制 id =0 控制的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn) dq軸的電流靜態(tài)解耦，

d軸的阻尼繞組是會(huì)產(chǎn)生磁通的，與永磁體的磁通共同構(gòu)成電機(jī)的磁場。id變化的同時(shí)，總的磁通變化，這是一層耦合關(guān)系。

id=0 時(shí)，磁通完全由永磁體來提供。直軸的電流為0，這就使得電機(jī)沒有直軸的電樞反應(yīng)，即直軸是不貢獻(xiàn)轉(zhuǎn)矩的。電機(jī)的所有的電流全部用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這與一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)就等效，只用控制 iq 的值就可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩了，這就很自然的實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的靜態(tài)解耦。

當(dāng) id =0 后，電機(jī)的電壓方程

2.2 電流前饋解耦對(duì)解耦的貢獻(xiàn)

永磁同步電機(jī)耦合的影響可以通過前饋補(bǔ)償?shù)姆绞降窒?，在d軸控制器和q軸控制器的輸出端，分別引入與永磁同步電機(jī)dq軸電壓方程中耦合項(xiàng)相等的信號(hào)作為耦合補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)電流控制器的解耦控制。因此也成為電壓前饋解耦。解耦的控制框圖如圖所示。

我自己是通過編程來實(shí)現(xiàn)的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

3.1 id=0 控制仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果（下左為轉(zhuǎn)速波形和 iq 的波形，右為 id 的波形）

3.2 電流反饋解耦控制仿真結(jié)果（下左為轉(zhuǎn)速波形和 iq 的波形，右為 id 的波形）

3 波形具體分析

3.1 iq波形解耦前后對(duì)比（左為解耦前 iq波形，后解耦后 iq波形）

對(duì)比前后 iq 的波形，明顯解耦后的 iq 比解耦前的相應(yīng)速度要快，且平穩(wěn)度要更好，這將意味著電磁轉(zhuǎn)矩也更加穩(wěn)定，所以電機(jī)的階躍響應(yīng)的速度提升。此次仿真的電機(jī)是一臺(tái)隱極的電機(jī)，如果是凸極的電機(jī)效果將更明顯。

3.1 id波形解耦前后對(duì)比（左為解耦前 id波形，后解耦后 id波形）

對(duì)比前后 id 的波形可以看出，在電機(jī)啟動(dòng)階段，id 的幅值明顯得到了反饋的校正，幅值明顯比解耦前要小，解耦后最大值才0.5安，尤其在高速時(shí)，這種效果將更加明顯。（此處這個(gè)尖峰還未弄清楚原因，如有了解的可以在下面留言，感謝感謝）

小結(jié)

永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中，交直軸電壓之間存在耦合的現(xiàn)象，即d軸的參數(shù)變化會(huì)引起q軸的參數(shù)變化，這將不利于我們的控制。而電流前饋解耦就是從電機(jī)模型出發(fā)，使電壓在經(jīng)過PI控制器整定之后的輸出，得到一個(gè)跟耦合量相同的前饋補(bǔ)償，補(bǔ)償可以將耦合項(xiàng)抵消，從而實(shí)現(xiàn)了解耦。

從實(shí)驗(yàn)的效果來看，解耦后的電機(jī)階躍響應(yīng)的速度更快，且電流的波形更加穩(wěn)定，這將有益于整個(gè)系統(tǒng)的性能。

編輯：hfy