高性能永磁同步电机位置伺服系统建模与仿真

收稿日期:2006-03-03 修回日期:2006-04-18

第24卷 第5期

计 算 机 仿 真

2007年5月

文章编号:1006-9348(2007)05-0311-05

高性能永磁同步电机位置伺服系统建模与仿真

盖廓,万健如,许镇琳,孙凯

(天津大学自动化学院,天津300072)

摘要:永磁同步电动机由于其优越的性能而广泛应用于精确的伺服控制系统中,但其绕组相电流和转速具有强耦合性,而且永磁同步电机的模型的不确定性影响了控制器的精度。文中首先建立了基于PI D 控制器的交流伺服系统,在此基础上又提出了一种基于自抗扰控制器的高性能永磁同步电动机位置控制器,并建立了基于该控制器的永磁同步电动机伺服系统仿真模型。仿真实验证明,与基于PI D 控制器的交流伺服系统相比较,基于自抗扰控制器的交流伺服系统的优越的跟踪性能和抗扰性能。

关键词:永磁同步电动机;自抗扰控制器;交流伺服系统中图分类号:TM 383 文献标识码:A

M odeli ng and Si m ulation of P M S M H igh -Perfor m ance

Positi on Servo Syste m

GA IK uo ,WAN Jian-ru ,XU Zhen-li n ,SUN K ai

(The Institute of A uto m a tion ,T i anji n U n i ve rsity ,T i anji n 300072,Chi na)

ABSTRACT :T he per m anent magnet synchronous m oto r (P M S M )has been w i de l y used i n many accura te servo con tro l syste m s for its ex cell ent qua lities .H o w ever ,P M S M i s co m pli cated for its si gn ifi cant non li near coupli ng bet w een its phase currents and ve l oc ity ,and t he m ode l uncerta i nty of PM S M has an i m portant effec t on t he accuracy of con tro l l er .T o so l ve t he proble m s ,fi rstl y ,an ac servo syste m based on P I D contro ller i s bu ilt ,and t hen a high-pe rf o r m ance pos ition servo sy stem for P M S M based on auto dist urbance re j ec tion con tro ll er (ADRC )i s presen ted and t he m odel o f the contro ller has been estab lished .Compar i ng w it h the PID contro ller ,the s i m u l a tion results prove t he hi gh -pe rf o r m ance of positi on track i ng and robustness o f the servo con tro l syste m.KEY W ORDS :PM S M;ADRC ;AC servo syste m

1 引言

永磁同步电动机由于其体积小、性能好、可靠性高和鲁棒性强等优点,越来越广泛的被应用于高精度的交流伺服系统。传统的交流伺服系统采用三闭环控制,即位置环、速度环和电流环。其控制器一般设计成P ID 控制环节,包含着过去、现在和未来的信息,通过控制目标与实际行为之间的误差来确定消除误差,P I D 控制器在工业上得到了广泛的应用。但这种控制器有一定的局限性

[1,2]

:实际的工业生产过

程往往具有非线性、时变不确定性,难以建立数学模型。对于永磁同步电动机来说,它利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电磁转矩来带动电机的转子转动。由于永磁同步电机内部各变量高度的非线性且相互耦合,经典的P I D 控制难以达到令人满意的效果且抗干扰能力不强。中科院系统所研究员韩京清对经典P I D 控制器研

究后指出了其局限性,接着采用一些非线性特性对其进行改造,构造出非线性P I D 控制器。然后根据反馈线性化原理设计出能动态估计模型 内扰和外扰 的扩张观测器,从而构造出自抗扰控制器(ADRC)。本文首先分析了永磁同步电机的结构特性,根据其数学模型,分别设计了基于P ID 控制器和基于自抗扰控制器思想的由永磁同步机的位置伺服系统,仿真实验比较证明,在内部参数扰动和外部扰动的情况下,基于自抗扰控制器的位置伺服系统不仅实现了精确跟踪,提高了动态性能,同时抗干扰能力得到显著的提高,且系统控制简单,易于实现。

2 永磁同步电机数学模型

为了找出电机的控制规律,建立易于实现的数学模型,根据交流矢量控制原理,首先建立一个与永磁同步机转子同步旋转的d-q 坐标系,让d 轴与转子磁极重合(i *d =0),并把永磁同步电机定子的各参量都转化到d -q 坐标系下。

!

311!

假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流损耗、转子无阻尼绕组,基于电动机统一理论的结论可以得到基于转子坐标系(d -q 轴系)中的永磁同步电动机的电压、磁链方程为[4]:

u d =R s i d +p d - q

u q =R s i Q +p d + d d =L d i d + f q =L q i q

(1)

式中,u d 、u q 为定子绕组d 、q 轴电压;i d 、i q 为定子绕组d 、q 轴电流; d 、 q 为dq 轴定子磁链;L d 、L q 为定子绕组直、交轴电感;R s 为定子电阻; f 为转子永久磁体产生的磁势; =n p r 为转子电气角速度;p =d /dt 为微分算子;n p 为电机极对数。

转矩方程为:

T e =1.5n p ( d i q - q i d )T e =T 1+B r +Jp r

(2)

式中,T e 是电磁转矩,T 1是负载转矩。J 为转动惯量;B 为

摩擦系数。

3 基于P I D 控制器的交流伺服系统

P ID 控制策略是最早发展起来的控制算法之一,由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中,尤其适用于可建立精确数

学模型的确定性系统。如图1所示,根据前面分析的永磁同步电机数学模型,基于经典P ID 控制策略的交流伺服系统矢量控制结构图包含了三个闭环,即电流环、速度环和位置环。电流环、速度环和

位置环控制器都采用P I 控制策略。图中 *

为给定角位置信

号, 为输出信号。

图1 传统P ID 控制器位置伺服系统结构图

4 基于ADRC 的位置伺服系统

自抗扰控制器[7](ADRC )由跟踪微分器(T D ),扩张观测器(ESO )和非线性反馈控制律(NL P I D )三部分构成。

设受控对象为二阶,

x 1=x 2

x 2=f (x 1,x 2,t)+bu y =x 1

(3)

式中

f(x 1,x 2,t)=f 0(x 1,x 2)+f 1(x 1,x 2,t)

其中,f 0是已知扰动,f 1是未知扰动。自抗扰控制器结构如图2所示:

图2 自抗扰控制器结构图

从图1中可以看出,ADRC 利用ESO 估计受控对象状态变量和 内扰和外扰 [8]的实时作用量,并给予补偿,把带有扰动的不确定对象用状态反馈化为积分串联型,从而设计出合理的状态误差反馈控制律,正因为如此,它会比P I D 控制器具有更强的鲁棒性。4.1 跟踪微分器(TD)

跟踪微分器是跟踪输入信号并给出其微分信号的一输入两输出的动态环节。以二阶受控对象为例,首先对二阶对象求出 快速最优控制函数 得:

u =fs t(x 1,x 2,r,h)d =rh,d 0=dh y =x 1+hx 2

a 0=(d 2+8r |y |)1

2a =

x 2+(a 0-d)/2 |y |>d

x 2+y /h |y |?d

fs t =-

ra /d |a |?d

r sgn(a)

|a |>d

(4)

跟踪微分器可以设定如下:

z 11(t +1)=z 11(t)+hz 12(t)

z 12(t +1)=z 12(t)+hfs t(z 11(t)-v(t),z 12(t),r,h 0)

(5)

!

312!

式中,v (t)为输入信号,z 11(t)为跟踪输入信号,z 12(t)为跟踪输入的微分信号,从而近似得到v (t)的微分,h 为积分的步长,h 0对噪声起滤波作用,称为滤波因子,r 为速度因子,决定跟踪的速度。

在一般的控制系统中,误差直接取成e =v -y,误差的这种取法使初始误差很大,易于引起超调,很不合理。跟踪微分器根据对象的承受能力,我们可以先安排合理的过渡过程v 1(t),然后误差取为e =v 1(t)-y,这是解决快速性和超调性矛盾的有效方法,同时也可以提高系统的鲁棒性。4.2

扩张状态跟踪器(ESO )

扩张状态观测器以对象的输出y (t)和输入u(t)作为输入信号,估计出对象的状态变量及对象不确定部分。

!=z 21(t)-y (t)

z 21(t +1)=z 21(t)+h(z 22-?01!)

z 22(t +1)=z 22(t)+h(z 23(t)-?02f al(e ,a 1,#) +f 0(z 21(t),z 22(t))+bu (t))

z 23(t +1)=z 23(t)-h ?03fa l(e ,a 2,#)

(6)其中,

fal(!,?,#)=

|!|?

sgn (!),|!|>#

!/#1-?,!?#

#>0

,式中,a 2

非线性反馈控制律

非线性反馈控制律利用跟踪微分器的输出量z 11(t)和z 12(t),以及扩张观测器的输出z 21(t),z 22(t)构造出误差、误差的积分及误差变化率:

e 1=z 11-z 21,e 0=

#

t 0

e 1

,e

2

=z 12-z 22

把原来的 加权 改为 非线性组合 ,从而得到非线性

控制律:

u =?0fal(e 0,a 0,#)+?1fal(e 1,a 1,#)

+?2fa l(e 2,a 2,#)

当a <1时,fa l 函数有大误差小增益,小误差大增益的特性,式中a 0

1,也可以采取其他线性组合。4.4 位置控制器的设计

根据方程(1)、(2)可以推出永磁同步电机位置伺服系统的状态方程:

%

= =-B J -T 1J +1.5n p f

J i q & =-B J -T 1J +1.5n p f J

i q (7)

根据方程(6),假定摩擦系数B =0,定义扰动项和参数项分别为

f =-T 1J ,b =1.5n p f

J

(8)

由式(6)

可得,若能观测出负载扰动,并进行前馈补偿,永磁同步电动机就可以变成一个二阶模型。可以利用ADRC 技术可以很好的解决这个问题,以电流给定值i *q 和永磁同步电机位置角 作为输入,建立扩张观测器ESO ,输出z 1和z 2跟随经过安排好的过渡过程后跟踪微分器的输出v 1,v 2,它们的差经过非线性误差反馈律作用后,输出。扩张观测器的输出z 3对扰动f 进行跟踪和估计,并与u 0求和后作用于永磁同步电机位置伺服系统的电流环输入端,以便对系统的扰动进

行补偿。如图2, *

是位置给定,ACR 是电流调节器,采用P I

控制器,PARK 变换是指二维静止?-?坐标系到二维旋转d -q 坐标系的变换。

图3 位置控制器结构图

5 仿真实验与结论

5.1

仿真实验结果

在M atl ab 环境下,对永磁同步电机位置伺服系统进行仿

真,仿真实验中选择的电机参数如下:电枢电阻=1.9%;转动惯量=0.0012Kg %m 2;定子电感=0.0003H;永磁体产生磁势=0.1W b ;极对数=4;摩擦系数=0。

5.1.1 期望的位置信号为常值 *

=0.02rad 时,在2s 时突

加负载,负载T 1=0.5Nm,基于传统的P ID 控制器和基于ADRC 伺服系统位置响应图分别如图4和图5所示。

从图4和图5中可以看出,与传统位置控制器相比,基于自抗扰控制器的位置伺服系统的抗干扰性能更强,且位置信号响应没有超调,响应时间在200m s 之内,控制效果比较理想。

5.1.2 期望信号为正弦信号,其幅值为0.1rad ,频率为3.14

!

313!

图4 传统PI D

位置控制器位置响应曲线

图5 ADRC 位置控制器位置响应曲线Ｈｚ，负载转矩设为T 1=si n(t),时的基于自抗扰控制器的位置伺服系统位置响应,d 、q 轴电流响应图和速度响应曲线分别如图6-图9

所示。

图6

位置跟踪曲线

图7 d 、q 轴电流响应曲线

图中负载11.8Nm 的情况下,对于外部扰动改变,系统响应迅速,z3比较精确的跟随扰动,速度曲线没有突变,扰动

图8 z 3跟踪负载扰动曲线

图9 速度响应曲线

引起的波动小,达到了抑制外部干扰引起的波动的目的。5.1.3 在实验(2)的基础上,改变定子电阻R =0.9、J=0.024K g %m 2时,位置相应曲线如图10所示.

图10 位置响应曲线(R =0.9%、J =0.024Kg %m 2)

图10可以说明,内部参数的改变对系统的影响很小,可见控制器对内部扰动的抑制作用达到了理想的效果。5.2 结论

本文将P I D 控制器和自抗扰控制器应用于P M S M 交流伺服系统,二者相互比较,得出:自抗扰控制器使得系统在稳定的前提下,能够迅速响应。仿真结果表明,采用ADRC 的永磁同步电动机伺服控制系统位置跟踪性能好,响应速度快,动态性能好,具有很好的伺服能力和抗干扰能力,采用此

方法可以设计出高性能的位置伺服系统。参考文献:

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314!

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[2] Ku ang-yao cheng,Y i ng-yu Tzou.Fuzz y Opti m ati on Techn i ques

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[10] 李三东,沈艳霞,纪志成.永磁同步机位置伺服控制器及其

Backstepp i ng设计[J].电机于控制工程学报,2004,8:353-

355.

[作者简介]

盖 廓(1982-),女(汉族),吉林人,天津大学自

动化学院电力电子专业硕士研究生,研究方向为电

力电子与电力传动;

万健如(1950-),男(汉族),天津人,教授,天津大

学自动化学院电力电子专业博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动;

许镇琳(1939-),男(汉族),广东人,天津大学自动化学院电力电子专业博士生导师,研究方向为电力电子与电力传动;

孙 凯(1970-),男(汉族),山东人,教授,天津大学自动化学院电力电子专业,博士研究生,研究方向为电力电子与电力传动。

(上接第273页)

流程表示了用户通过身份认证及解密运行仿真实验的整个过程。当用户解密并运行完仿真实验以后,如果需要再次运行仿真实验,必须重新向w eb服务器请求仿真实验程序包的认证信息,然后再解密运行,而不可能从本地直接运行。因为缓存在本地的为加密过后的仿真实验程序包。

6 结束语

本文提出的ANLP协议为应用软件基于w eb的发布提供了一个方案,该方案为应用软件提供了加密解密支持,有效地保护了软件的知识产权。根据上述方案设计的基于w eb 的软件发布系统只需利用w eb浏览器点击所需的软件就可以实现应用软件的自动下载,更新和运行。该系统已应用于大学物理仿真实验E-lea rning远程教学系统中并获得很好的效果。进一步优化ANL P文件的格式和完善ANL P加载器的功能是今后继续研究的方向。

参考文献:

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2002,(11).

[7] 段钢.加密与解密[M].电子工业出版社,2003-6-

1.

[作者简介]

江 元(1982.1-),女(壮族),安徽人,中国科学

技术大学硕士研究生,主要研究方向是虚拟现实技

术;

霍剑青(1946.3-),女(汉族),江苏人,中国科学

技术大学教授,主要研究方向是虚拟现实和网络技术,近年来在该领域发表论文40余篇;

袁 泉(1980.6-),男(汉族),湖北人,中国科学技术大学博士研究生,主要研究方向是软件系统结构;

王晓蒲(1946.4-),男(汉族),山东人,中国科学技术大学教授、博士生导师,主要研究方向是信息处理、虚拟现实和人工智能,近几年来在该领域发表论文50余篇,曾获得国家级教学成果一等奖。

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315

!

基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真

基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真 随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投

影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于α轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α-β坐标系也是静止坐标系。 3)转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。 矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke 变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。 1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） 三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为α轴，由α起逆时针旋转90°作β轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（α-β）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生的磁动势。如图1.1所示。

(完整word版)开题报告：永磁同步电机控制系统仿真

1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。 二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。 尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用 - 1 -

永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与实现

电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低 脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2] 。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3] ，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统， 外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4] 。 1. PMSM 控制系统总模型 ~ 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30 //ωψψωωω (1) 将0=d i 带入上式，有 ??????????-+??????????????? ?--=??????????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω (2) 式(1)、 (2)中，d i 是直轴电流，q i 是交轴电流，m ω是转速。由式(1)、 (2)可以看 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )

永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与实现资料

永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现

电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )

永磁同步电机的建模与仿真

研究生设计性实验论文 题目永磁同步电机的建模与仿真 专业机械工程课程名称、代码新能源汽车关键技术年级 2 013级姓名 学号 2131170103 时间 2014 年 1 月 任课教师成绩

永磁同步电机的数学建模与仿真 1. 永磁同步电机建模的流程图 2. 坐标变换的基本原理 电机控制中的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。 （1）三相定子坐标系(A, B, C坐标系) 如图2-3所示，三相交流电机绕组轴线分别为A,B,C，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个A-B-C三相坐标系。空间任意一矢量V在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 （2）两相定子坐标系(α一β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α一β坐标系，它的α轴和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α一β坐标系也是静止坐标系。 （3）转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。永磁同步电机的空间矢量图如图2-3所示。 图中A、B、C为定子三相静止坐标系，选定α轴方向与电机定子A相绕组轴线一致，α-β为定子两相静止坐标系，转子坐标系d-q与转子同步旋转；θ为转子磁极d轴相对定子A相绕组或a轴的转子空间位置角；δ为定、转子磁链矢量

s ψ 、f ψ间夹角，即电机功角[8 ，9]。 图1静止两相坐标系到旋转两相坐标系变换 图2 坐标变换矢量图 从三相定子坐标系（A，B，C坐标系）变换到静止坐标系（α，β坐标系）的关系式为： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - - - = ? ? ? ? ? ? c b a ? ? ? ? ? β α 2 3 2 1 2 3 2 1 1 3 2 （2-1） 从两相静止坐标系（α，β坐标系）变换到两相旋转坐标系（d，q坐标系）的关系式为： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? - = ? ? ? ? ? ? β α ? ? θ θ θ θ ? ? cos sin sin cos q d（2-2）从两相旋转坐标系（d，q坐标系）变换到两相静止坐标系（α，β坐标系）的关系式为：

永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书

题目1：永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真 一．实验目的 1．加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理 2．掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法 二．实验要求： 1.永磁同步电机双闭环控制系统建模 2.电流控制器设计 3.电流环动态跟随性能仿真实验 4.转速控制器设计 5.转速环抗负载扰动性能仿真实验 6.给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论 三．预习内容 注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索 Simulink的启动在MATLAB中键入>>Simulink，进入Simulink library，2014版本的可直接点击MATLAB界面上的Simulink library，在Simulink界面上选择File->New->Model。如图1所示： 图1 Simulink界面 在Simulink一级标题下点击source将step(阶跃函数)拖入空白文件作为

转速给定，也可用两个ramp函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图2： 图2 转速给定 在Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem放入空白文件并双击，删除In1和Out1的连线，如图3： 图3 子函数模块 选择Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add，连好线后保存并返回，作为PI调节器，其中saturation可设置上下限为100和-100，如图4：

图4 PI子函数模块设置 此PI调节器输出结果作为Iq的电流给定，同样方法得到一个PI调节器，输出结果作为电压给定，并设置saturation上下限为380和-380，Simulink下math operation选择sum双击并修改第二个“+”为“-”，如图5： 图5 转速和电流反馈PI调节 选择Simulink>Ports & Subsystems下的Subsystem 拖入并双击进入子系统，并添加2个In1和1个Out1如图6： 图6 接口模块 Simulink>math operation 下选择 Trigonometric Function、Product、Subtract、Add加入文件，设置好后保存并退出，作为逆Park变换，如图7：

永磁同步电机的仿真模型

永磁同步电机的仿真模型 1、永磁同步电机介绍 永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波"定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩"旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。 永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等"而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等"凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。 2、永磁同步电机的控制方法 目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（field orientation control,FOC）与直接转矩控制技术（direct torque control，DTC）。在这里我们使用磁场定向矢量控制技术来建立永磁同步电机的仿真模型。 磁场定向矢量控制技术的核心是在转子旋转坐标系中针对激磁电流id和转矩电流iq分别进行控制，并且采用的是经典的PI线性调节器，系统呈现出良好的线性特性，可以按照经典的线性控制理论进行控制系统的设计，逆变器控制采用了较成熟的SPWM、SVPWM等技术。磁场定向矢量控制技术较成熟，动态、稳态性能较佳，所以得到了广泛的实际应用。该方法摒弃了矢量控制中转子磁场定向的思想，采用定子磁场定向，分别对定子磁链和转矩直接进行控制。直接转矩控制的实现方法是：计算得到磁链和转矩的实际值与参考值之间的偏差，通过滞环比较以及当前定子磁链的空间位置确定控制信号，在离线计算的开关表中选取合适的空间电压矢量，再通过离散的bang-bang 控制方式调制产生PWM 信号，以控制逆变器产生合适的电压和电流驱动电机转动。直接转矩控制摒弃了复杂的空间矢量坐标运算，电机的数学模型得到了简化，控制结构也简单，对电机参数变化不敏感，控制系统的动态性能得到了极大提高。然而有利也有弊，直接转矩控制逆变器的开关频率不固定；转矩、电流脉动大；采样频率也非常高。 下图为磁场定向矢量控制技术的原理图。 FOC控制技术的原理：原理图中涉及到双反馈，第一层反馈为转速反馈：设定电机转速初始值作为给定值，然后与反馈的实际值（位置传感器采集到的位移微分得到）进行比较，得到的差值输入PI控制器进行控制，得到交轴电流iq。同时三相绕组输出的电流iA,iB,iC经过clarke变换和park变化得到iq和id的实际值，分别与给定值进行比较，将比较后的值再进行park转换，得到的结果经过SVPWM技术调制之后输入到逆变器，继而可以驱动三相电机。

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统分解

基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步

电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。

图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：

永磁同步电机系统仿真

第1章绪论 1.1 课题研究的背景 1.1.1 永磁同步电机的发展状况 永磁同步电机出现于20 世纪50 年代。其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体替代激磁绕组，使电机结构更为简单，提高了电机运行的可靠性。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20 世纪70 年代，永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。20 世纪80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼(NdFeB)的出现，极大地促进了永磁同步电机调速系统的发展。尤其值得一提的是我国是一个稀土材料的大国，稀土储量和稀土金属的提炼都居世界首位。随着稀土材料技术的不断发展，永磁材料的磁能积已经做的很高，价格也早就满足工业应用的需要，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同步电动机越来越显出效率高、功率密度大、调速范围宽、脉动转矩小等高性能的优势。使我国在稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，稀土永磁同步电机正向大功率(超高速、大转矩)微型化、智能化、高性能化的方向发展，成为交流调速领域的一个重要分支[1][2]。 由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同步电机最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上与直流电机类似，但这种电机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上又研制出带有位置传感器、逆变器驱动的正弦波永磁同步电机，这就使得永磁同步电机有了更广阔的前景。 1.1.2 永磁同步电机控制系统的发展 随着永磁同步电动机的控制技术的不断发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理

永磁同步电机矢量控制简要原理

关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。

原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信

基于某SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真

基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真随着电动机在社会生产中的广泛应用，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间

电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于α轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α-β坐标系也是静止坐标系。 3)转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。 矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke 变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。 1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） 三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为α轴，由α起逆时针旋转90°作β轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（α-β）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生的磁动势。如图1.1所示。

电动汽车用永磁同步电机控制系统设计

硕士学位论文 二0一五 年 六 月 作者姓名 指导教师 学科专业 控制工程 电动汽车用永磁同步电机控制系统设计 Design of permanent magnet synchronous motor control system for electric vehicle

摘要 本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出，PMSM采用直接转矩控制DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。 随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对PMSM的直接转矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最终得出了DTC 较其它控制方式的稳定性。 其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于SVM技术的SVPWM的控制方式，即空间矢量调制DTC控制策略，通过Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSM DTC有着更好的稳定性。 TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计，两个方面研究了该芯片。DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；DSP；SVPWM

MatlabSimulink对永磁同步电机(PMSM)_矢量控制原理

基于Matlab的永磁同步电机矢量控制原理 摘要：在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。永磁同步电机（PMSM）是一个复杂耦合的非线性系统。 关键词：永磁同步电机;电压空间矢量脉宽调制 0、引言 永磁同步电机（PMSM）是采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展。因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。对于在Matlab中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。 本文介绍了电压空间矢量脉宽调制原理并给出了坐标变换模块、SVPWM模块以及整个PMSM闭环矢量控制仿真模型，给出了仿真模型结构图和仿真结果。 1、永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机在d-q轴下的理想电压方程为： （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） 式中，ud和uq分别为d、q轴定子电压；id和iq分别为d、q 轴定子电流；和分别为d、q轴定子磁链；ld和lq分别为定子绕组d、q轴电感；r为定子电阻；p为微分符号；lmd 为定、转子间的d轴电感；ifd为永磁体的等效d轴励磁电流；pn为极对数；te为电磁转矩；tl为负载转矩；j为转动惯量；b为阻尼系数；为转子角速度。 2、电压空间矢量脉宽调制原理 ２.1电压空间矢量 电机输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。直接针对这个目标，把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM 电压，这样的控制方法称为“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又称“电压空间矢量PWM控制”。 空间矢量是按电压所加绕组的空间位置来定义的。在图1中，A、B、C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，三相定子相电压U A、U B、

永磁同步电机数学模型推导

PMSM 电机在旋转dq 坐标系中定子电压和定子磁链方程为 d d s d q q q s q d d d d f q q q d u R i dt d u R i dt L i L i ψωψψωψψψψ? =+-?? ? =++?? =+??=? (1) d u ,q u 为d 、q 轴的定子电压； d L ，q L 为d 、q 轴的电枢电感，对于隐极电机来说d L =q L =L ； d i ，q i 为d 、q 轴的电枢电流； d ψ，q ψ为d 、q 轴的定子磁链； s R 为电枢绕组电阻； f ψ为永磁铁产生的磁链，为常量； ω为电机电角速度，有r p ωω=，p 为电机的极对数，r ω为电机转子角速度； 由式（1）推出： 11d s d r q d q f s r d q r q di R i p i u dt L L di p R p i i u dt L L L ωψωω-?=++??? --?=-+++?? (2) PMSM 电机在旋转dq 坐标系中电磁转矩方程为 () ()1.5 1.5 1.5e d q q d d q d q f q f q T p i i p L L i i i p i ψψψψ=-??=-+??= (3) PMSM 电机的转子动力学方程为 r e m r d T T b J dt ωω--= (4) e T 为电机的电磁转矩； m T 为电机的负载扭矩； b 为电机的阻尼系数； J 为电机的转动惯量；

由式（3）式（4）可以推出 1.5f m r q r p T d b i dt J J J ψωω--=++ (5) 状态方程为 X AX Bu C =++ 选取,d d q q r i u X i u u ω?? ?? ? == ? ??? ? ?? ，由式（2）式（5）推出 10 001,0,01.5000s r f s r m f R p L L p R A p B C L L L T p b J J J ωψωψ???? -?? ? ? ? ? ? ? ? ? =---== ? ? ? ? ? ? ? ? ?-?? ? ??? ? ?

永磁同步电机控制器

基于TMS320LF2406的交流永磁同步电机控制器设计 介绍了一种交流永磁同步电机全数字伺服控制器的软硬件组成及设计方案，系统采用TI DS P TMS320LF2406组成核心控制电路，以智能功率模块构成主电路，具有通用紧凑的系统结构. 1 引言 近年来，交流伺服系统的应用已经十分广泛，特别是在要求高精度、高响应的应用场合，交流永磁同步电机伺服系统具有非常明显的优势。随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展，在交流伺服系统中已经采用了各种新颖的器件如数字信号处理器(DSP)、智能功率模块(I PM)等，使伺服控制器从模拟控制转向数字控制，而数字控制在精度、可靠性以及灵活性等方面的优势，也促使交流伺服系统向全数字化、智能化、小型化方向发展。 本文研究了采用TI公司的新一代低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2406的全数字交流伺服控制器的软硬件设计和控制方案。TMS320LF2406采用3.3V供电，在性能上有了进一步的增强，不仅具有更强的实时运算能力，并且集成了丰富的电机控制外围电路，特别适用于对控制器体积、性能要求较高的应用。 2 交流永磁同步电机矢量控制 交流永磁同步电机在磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计，定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状的条件下，若不考虑转子磁场的凸极效应，即L d=Lq=L，可得其在d_q坐标系上的状态方程为[1]: 其中R:绕组等效电阻;L:等效电感;p:微分算子(d/dt);Np:电机磁极对数;ωm:转子机械角速度;ψf:转子永磁效应对应的每对磁极磁通;Tl:折算到电动机轴上的总负载转矩;J:折算到电机轴 上的总转动惯量。 式(1)中系数矩阵含有变量ωm，所以可知永磁同步伺服电机是一种非线性的控制对象，且d轴电流分量id和q轴电流分量iq之间存在耦合作用，为使永磁同步电动机具有和直流电动机一样的控制性能，通常采用id≡0的线性化解耦控制，即在初始定向A相绕组和d轴重合之后, 始终控制电枢电流矢量位于q轴上,和转子磁链矢量正交。然而从状态方程可以看出，d_q坐标系上的状态变量存在着耦合关系，即vd不仅依赖于id，同时和iq也有关系，这给控制器的设计带来了很大的问题，在通常的模拟方式交流伺服控制器中，只能通过增大电流控制器的增益实现电流矢量的快速跟踪，得到近似线性化的解耦控制效果，而对于全数字化交流伺服控制器，如果知道交流永磁同步电机的感应反电势常数、电枢绕组的电感值，则可以通过完全去耦控制实现精确地线性化控制。现假设感应反电势常数、电枢绕组的电感值已知，那

永磁同步电机伺服系统的模型仿真

Simulation and Modeling of the PMSM Servo System WANG Zheng-guang, JIN Jian-xun School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054 Chian Abstract: A method for modeling and simulation of PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) servo system based on MATLAB/SIMULINK is proposed. The main function blocks include PMSM block, SVPWM block, coordinate transform block, PI control block, three phase current source inverter controller block, speed controller block etc., which made up of the simulation model to form a system having current and speed two closed loops. The simulation results show that the model is effective, and the method provides a base for both software and hardware design of an actual PMSM. Key words: PMSM; field oriented control; closed loop; simulation 永磁同步电机伺服系统的模型仿真 王争光，金建勋 （电子科技大学自动化工程学院 成都 中国 610054） 摘要：在MATLAB/SIMULINK环境下，用SIMULINK建立了永磁同步电机控制系统的仿真模型，主要功能模块包括PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) 电机本体、SVPWM模块、坐标变换、PI控制模块、三相电流源逆变器、速度控制器，构建了PMSM的电流和速度双闭环控制系统的仿真模型，仿真波形达到了预期效果，证明了该模型的有效性，同时也为永磁同步电机的软硬件设计提供了理论基础。 关键词：永磁同步电机 磁场定向控制 闭环 仿真 1.引言 随着电力电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料和控制理论的飞速发展，极大的促进了永磁同步电机的发展，目前永磁同步电机的种类繁多，按工作主磁场方向的不同，分为径向磁场式电机和轴向磁场式电机；按电枢绕组位置的不同，分为内转子式电机和外转子式电机；按转子上有无起动绕组，分为无起动绕组电机和有起动绕组电机；按供电电流波形的不同，分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机。永磁同步电机具有体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、可靠性高等优点。本文在分析PMSM交流伺服控制系统的数学模型的基础上，实现了永磁同步电机交流伺服系统中的电流环、速度环和位置环的闭环控制系统的数字化控制 [1-6]。 2.永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。对于一般三相交流电机，采用坐标变换，将三相交流绕组等效为两相互相垂直的交流绕组或旋转的直流绕组，变换后系统变量之间得到部分解耦，从而使系统分析和控制大大简化。永磁同步电机电流的四种控制方法即1）id=0控制；2）力矩电流比最大控制；3）功率因数等于1的控制；4）恒磁链控制 [7]。 本文采用正弦波电流控制的调速永磁同步电机，采用的方法是dq0轴数学模型，它不仅

永磁同步电机矢量控制仿真实验总结

永磁同步电机矢量控制实验总结 矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术，最早由德国学者Blaschke 提出。其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量，分别实现对电机磁通和转矩的控制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机，大大提高了调速的动态性能。随着新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机（PMSM ）成为近年来发展较快的一种电机。它具有气隙磁密度高、转矩脉动小、转矩/ 惯量比大的优点，与传统的异步电机相比，节能效果明显、效率高、结构轻型化、维护容易、运行稳定、可靠性高、输出转矩大，得到了越来越广泛的应用和重视，是目前交流伺服系统中的主流电机。 1 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机模块可工作于电动机方式或发电机方式，运行方式由电机电磁转矩符号决定（为正则是电动机状态，为负则是发电机状态）。对永磁同步电机模型作如下假设：不考虑铁心饱和，忽略端部效应；涡流损耗、磁滞损耗忽略不计；定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状，忽略磁场的高次谐波；不考虑转子磁场的突极效应；永磁材料的电导率为零，永磁体的磁场恒定不变。运用坐标变换理论，可以得到在同步旋转的两相坐标系下（d-q ）的永磁同步电机的数学模型。 电压方程为： q d d d P Ri u ωψψ-+= d q q q P Ri u ωψψ-+= 定子磁链方程为： f d d d i L ψψ+= q q q i L =ψ 电磁转矩方程为： )(q d d q p e i i n T ψψ-= 式中：d u 、q u 、d i 、q i 、d ψ、q ψ分别为d-q 轴上的定子电压、电流和磁链分量；R 为电机定子绕组电阻；d L 和q L 分别为永磁同步电机d-q 轴上的电感；f ψ为永磁体在定子上产生的耦合磁链；ω 为d-q 坐标系的旋转角频率；e T 为电机电磁转矩；p n 为磁极对数；p 为微分算子。

永磁同步电机的数学模型与矢量控制原理

永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理 WAA磁同步电机的转F上水盛体的安装方式的不同，则电机的制造丄适用场所、运行?性能、控制方法也郁有所五同。根据氷磁体在转子上的位貰不同，永磁同步电机可分为小叫 (i)表骷式永磁同应电机t Surface-mounted PMSM.简称SPMSM A. SPM)* Jt转f结构如下图所示。SPM电机转子上的永磁体位于转子铁芯的表面,通常呈瓦片形, 为电机提供径向磁通。另外,因外包钢膜上的感生涡流损耗,遣成较大的铁损，而且气隙较大?导致其效率较低。但磁阻转矩较小.若对其进行合理的控制可获得较好的低速运转特性。 (ii)内埋式永磁同步电机(Interior PMSM,简称1PMSM或IPM),此类电机转子上 的永磁体位于转了内部，通常呈条状。由丁此种转子具仃不对称的磴路給构,所以它比SPMSM 分磁阳转矩，从而大大提离了电机的功率密度F实现屈磁控制。同 时，由于永磁休在转子铁芯内部，所以这类电机有更加坚固的转子結构,适合运转于高速场IPM 的定子电感随转『鎚极位西非线性变化.所以1PM的捽制性能随;匸子电流换柑相移影响口SPM与IPM的转于结构如图2.1所示。本文上嘤研究SPMSM的数学模型及其矢豐控制方法。 水磁体 铁芯 SPM转子结构

模型进行描述。 严格的说，永磁同步电机是一个存在非线性磁化特性和饱和效应的电磁装留，它的 动态方程式一个高阶微分方程，很难对它进行粘确求解，所以必须对它进行一定程度的 简化，将它化成一个二阶微分方程组。为了突出主婆何题，先忽略次要因素，作如下假 设叫 （1） 忽略谐波效应，设定子三相绕组完全对称且在空间中互差120°电角度，所 产生理 想正弦磁动势； （2） 忽略永磁体的非线件饱和因素，认为各相绕纽的阴值、电感都是恒定的，FI Ro = R 、= R< = &丄（! = — = Lc ； （3） 不计电机的磁滞损耗和涡流损耗等： （4） 不考电频率和温度变化对电机参数的场响： （5） 转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用。 2.2.1矢量控制系统中的三种坐标系 在研究矢量控制算法时，常见的有三种坐标系如下： （1） 三相静止坐标系（abc 坐标系），a 轴、b 轴、c 轴所在的位置是定子三相绕组 轴 心所在的位置，相位在空间上互差120°电角度； （2） 两相静止坐标系（a0坐标系），其中，a 轴直合于a 轴，0轴逆时针旋转趙 前于a 轴90°电角度： （3） 两相旋转坐标系（呦坐标系），d 轴位于转子N 极所在位趕，并随看转子同 步旋 转，q 轴逆时针超前d 轴90°电角度. 图2.2 PMSM 的空间矢呈图 这三种坐标系在空间的相对位置如图2.2 所示，下而分别建立永磁同步电机在这三