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。

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，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等，因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。

20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、

1

可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成。非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要发展方向之一。

1.2 本文主要工作

本文立题为永磁同步电机控制系统仿真，进行了一系列的工作，主要涉及以下的研究内容：

(1)建模与仿真的关系，及仿真的实际应用意义；

(2)介绍永磁同步电机的分类、结构与应用，给出永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型及运动方程；

(3)介绍永磁同步电机矢量控制的理论基础；

(4)建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型；

(5)对仿真结果的进行分析，得出永磁同步电机的性质特点。

2

第2章建模与仿真

建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个部分，同时考虑三个基本部分之间的联系，即建模与仿真关系。

2.1 建模与仿真的定义

建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系，它通过对实验系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型，如图2-1所示。仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行[7]。

实验系统计算机

建模仿真

模型

图2-1 建模与仿真的基本组成与两个关系

3

第3章永磁同步电机结构及其数学模型

3.1 永磁同步电动机的概述

3.1.1 同步电机的基本原理

同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子电流频率以及电动机极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机由定子和转子两大部分组成，电动机定子由定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动机转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气隙均匀，而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁心上，而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现N，S极交替排列[11][12]。

同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组接入三相电流而产生的旋转磁场与电动机转子励磁绕组接入直流电流而形成的转子磁场相互作用。同步电动机的转速表达式为：n=n s=60f s/p n。式中,f s为电源频率；p n为电动机的极对数；n s为同步转速。

3.1.2 永磁同步电机的基本结构

与传统电机一致，永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。与传统同步电机定子结构基本相同，永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三相Y 型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成。三相永磁同步电机的基本结构如图3-1所示。如果在三相空间对称的定子绕组中通入三相时间上也对称的正弦电流，那么在三相永磁同步电机的气隙中会产生一个在空间旋转的圆形磁场，其转速为n=n s=60f s/p n。式中，f s为电源频率；p n为电动机的极对数；n s为同步转速。

4

5 3.2 永磁同步电机数学模型

数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能，是被描述系统的近似模拟。永磁同步电机的数学模型认识、分析电机的运动规律和各变量间的因果或定量关系，是对永磁同步电机进行控制的理论基础。

永磁同步电机的定子与普通励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组。通常按照电动机惯例规定各物理量的正方向。以三相星形180°的通电模式为例来分析PMSM 的数学模型及电磁转矩等特性[18-23]。为了便于分析，假定：

(1)磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； (2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；

(3)三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布； (4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； (5)驱动二极管和续流二极管为理想元件；

(3-1)

3.2.1 电压平衡方程

三相永磁同步电机的定子绕组和普通三相交流感应电机或同步电机的定子绕组很相似的，三相绕组空间分布，轴线互差120°电角度，每项绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡。有所不同的是定子每相绕组内部的磁链，普通三相交流感应电机由定子三相电流和转子电流共同产生；普通同步电机由定子三相绕组与转子励磁电流和阻尼绕组电流共同产生；永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体产生。定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关，其中转子永磁磁链在每相绕组中产生反电动势。

由此得到定子电压方程式：

A A s A p Ψi R u += (3-2)

B B s B p Ψi R u += (3-3)

C C s C p Ψi R u += (3-4)

其中： C B A ,,u u u -三相绕组电压；

6 s R -每相绕组电阻； C B A ,,i i i -三相绕组相电流； C B A ,,ΨΨΨ -三相绕组匝链的磁链； dt d p =-微分算子。

3.2.2 磁链方程

定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，因此磁链方程可以表示为

fA C A C B A B A A A A Ψi M i M i L Ψ+++= (3-5)

fB C BC B BB A BA B Ψi M i L i M Ψ+++= (3-6) fC C CC B CB A CA C Ψi L i M i M Ψ+++= (3-7)

其中：CC BB A B ,,L L L -每相绕组互感；

A C CA C

B B

C BA A B ,,M M M M M M ===-两相绕组互感； fC fB fA ,,ΨΨΨ-三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链。

并且f Ψ定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链

θcos f fA ΨΨ= (3-8) )32cos(f fB πθ-=ΨΨ (3-9)

)32cos(f fC πθ+=ΨΨ (3-10)

3.2.3 感应电动势

转子永磁在气隙中产生的正弦分布磁场，正弦分布磁场的幅值fg Ψ是恒定的，空间位置就是转子永磁磁极的直轴位置，它相对于定子A 相绕组轴线等于转子位置角θ，在空间的分布可以表示为

)cos(),(f fg θαθα-=ΨΨ (3-11)

或者

7 θαθαθαsin sin cos cos ),(f f fg ΨΨΨ+= (3-12)

当永磁磁极旋转，转子位置角θ随时间变化时，由式(3-12)可知，转子永磁磁场是一个幅值恒定不变、幅值位置α=θ随转子永磁磁极位置变化的圆形旋转磁场，旋转磁场的幅值在空间的转速等于转子转速。对每一相定子电枢绕组来说，旋转的圆形旋转磁场会在绕组中感应电势，称为运动电势。由于圆形旋转磁场对于空间任意一点确定的α位置仍然表现为脉动的磁场，而且任意时刻圆形旋转磁场的空间分布仍然具有正弦规律，因此由式(3-13)可以看出，对于每一相定子电枢来说，绕组轴线的空间位置角θ是确定的，转子圆形旋转磁场相当于是两个正交的脉振磁场的叠加[20-23]，如图3-2所示：该圆形旋转磁场从定子上观测，相当于一个同A 相绕组轴线重合按照余弦规律变化的脉振磁场fA Ψ与另一个同A 相绕组垂直按照正弦规律变化的脉振磁场⊥fA Ψ的叠加，即有

θcos f fA ΨΨ= (3-13) θsin f fA ΨΨ=⊥ (3-14)

与A 相绕组轴线正交的脉振磁场⊥fA Ψ在A 相绕组中匝链的磁链等于0，因此⊥fA Ψ在A 相绕组中产生的感应电势也是等于0。而与绕组轴线重合的脉振磁场fA Ψ则产生感应电势。根据电磁感应定律，可以得到A 相绕组由转子永磁磁场引起的感应电势为

θsin f fA A ωΨp Ψe =-= (3-15)

Ψfg

θ

ΨfA ⊥

图3-2 圆形磁场与脉振磁场

8 其中转子旋转的电角速度ω等于转子位置角的微分

θωp = (3-16)

同理有， )32c o s (f fB πθ-=ΨΨ (3-17)

)32c o s (f fC πθ+=ΨΨ (3-18)

由此，根据式(3-18)可以求出B 相和C 相绕组中由转子永磁磁场产生的感应电势分别为

)32sin(f B πθω-=Ψe (3-19) )32s i n (f C πθω+=Ψe (3-20)

三相绕组感应电势也可以用统一的表达式，即

)sin(X f X γθω-=Ψe (3-21)

由式(3-21)可知，永磁磁场在定子电枢绕组中产生的感应电势的幅值为

f Ψω，它不仅与转子的转速成正比，还与转子永磁磁场与定子电枢绕组匝链的

磁链成正比。

3.3 坐标变换

对于三相永磁同步电机来说，它是一个具有多变量、解耦合及非线性的复杂系统，要想对它进行直接的控制是十分困难的，因此借助于坐标变换，将它解耦，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，此时，同步坐标系中的各空间向量就都变成了直流量，这样就把定子电流中的励磁分量和转矩分量变成标量独立开来，对这些给定量实时控制，就能达到直流电机的控制性能了。 3.3.1 三相静止坐标系(A-B-C 轴系)

三相永磁同步电机的定子中有三相绕组，其绕组轴线分别为A 、B 、C ，且

9 彼此相差120°空间电角度，构成了一个A-B-C 三相坐标系，如图3-3所示。空间矢量j V 在三个坐标轴上的投影分别为A V 、B V 、C V ，代表该矢量在三个绕组上的分量[18-23]。

β

B

C

αA

V A V αV j

V βV C

V B

图3-3 三相静止坐标系

3.3.2 两相静止坐标系(α-β轴系)

定义一个两相直角坐标系(α-β轴系)，它的α轴和三相静止坐标系的A 轴重合，β轴逆时针超前α轴90°空间电角度，如图3-4，图中V α、V β为j V 矢量在α-β坐标系的投影。由于α轴固定在定子A 相绕组轴线，故α-β坐标系亦为静止坐标系。

3.3.3 两相旋转坐标系(d-q 轴系)

两相旋转坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子磁极轴线，q 轴逆时针超前d 轴90°空间电角度，如图3-4所示，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。

10 q

β

V β

V f d

V d

α

V q

V α

θ

图3-4 两相静止坐标系

3.3.4 三相静止坐标系与两相静止坐标系间的变换(3s/2s)

在三相静止坐标系中，空间矢量j V 可由A V 、B V 、C V 来表示，即用A V 、B V 、

C V 来合成j V ，有：

C 2

B A j V a aV V V ++= (其中，3

2πj

e

a =) (3-22)

同样，也可以在两相静止坐标系中用V α、V β来合成V j ，如果保证两次合成的矢量相等，那么这种变换就是等效变换。

C 2B A βαj V a aV V jV V V +=+= (其中，3

2πj e

a =) (3-23)

分离实部和虚部，有：

C B A α2

1

21V V V V --= (3-24)

C B β2

323V V V -=

(3-25)

写为矩阵形式：

11 =C B A

β

α2

32

30

2

1211V V V V V (3-26)

式(3-26)的变换被称为clarke 变换，如果按总磁势、总功率不变的原则，上式方程右边矩阵前加系数32。

第4章 永磁同步电机的矢量控制系统

4.1 永磁同步电机的控制策略及仿真

4.1.1 矢量控制(SVPWM)

矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链经坐标变换变成以转子磁链定向的两相参考坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电机转矩的控制。磁场定向矢量控制的优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。但是，矢量控制系统需要确定转子磁链，要进行坐标变换，运算量很大，而且还要考虑电机转子参数变动的影响，使得系统比较复杂，这是矢量控制存在的不足之处[24-26]。

本文所采用的控制策略为矢量控制。 4.1.2 直接转矩控制(DTC)

它通过对定子磁链定向，实现对定子磁链和转矩的直接控制。其控制思想是通过实时检测电机转矩和磁链的幅值，分别与转矩和磁链的给定值比较，由转矩和磁链调节器直接从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器的功率开关的状态。直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化处理，没有脉宽调制PWM 信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得较好的动态性能。但是也存在着一些不足：如逆变器开关频率不固定；转矩、电流脉动大；实现数字化控制需要很高的采样频率等[24-29]。

12 4.2 永磁同步电机矢量控制的理论基础

4.2.1 永磁同步电机磁场定向矢量控制的基本原理

C

α

A

B

q

i q

i s

d

φf

i d β

γ

β

图4-1 永磁同步电机矢量图

矢量控制的思想源于对直流电机控制的严格模拟，通过磁场定向将定子电流矢量分解为两个分量：励磁电流分量和转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别加以控制，从而可获得很好的解耦控制特性。矢量控制需要使用坐标变换来实现，如图4-1所示。其中包含从三相坐标系A-B-C 到两相坐标系β-α的变换，从两相静止坐标系β-α到两相旋转坐标系d-q 的变换，相关变换关系公式见第三章。

根据矢量控制原理，在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴，按照定位的磁场矢量方向不同，目前存在四种磁场定向控制方式：转子磁链定向控制、定子磁链定向控制、气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。对于PMSM 主要采用转子磁链定向方式，该方式对小容量驱动场合特别适合。根据转子磁场定向矢量控制原则，采用同转子以相同电角速度旋转的两相旋转坐标系d-q ，此时永磁同步电机等效模型见图4-2所示[18-23]。

13 q

i q

u d

Ψf

d

u d

as

i f

β

i s

i d

i q

i d

图4-2 d-q 坐标系下电机模型

图4-2中取逆时针方向为转速的正方向。d-q 坐标系随定子磁场同步旋转，d 轴固定在永磁体磁链f Ψ方向上，沿转速方向逆时针旋转超前d 轴90度电角度为q 轴。β为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线间的空间电角度，则

βcos s d i i

= (4-1) βsin s q i i

= (4-2)

]2sin )(5.0sin [5.12s q d s f p e ββi L L i Ψ?n T -+= (4-3)

由式(4-3)可以看出，永磁同步电机输出转矩中包含两个分量，第一项是由两磁场相互作用所产生的电磁转矩，第二项是由凸极效应引起，并与两轴电感参数的差值成正比的磁阻转矩。对于隐极永磁同步电机，q d L L =第二项为零，不存在磁阻转矩，只存在电磁转矩。即

βsin 5.1s f p e i Ψn T = (4-4)

由于f Ψ是不可调节的，因此矢量控制就是控制定子电流矢量s i

的幅值和它相对f Ψ的空间角度β (转矩角)。

控制2βπ=时，向量s i 与f Ψ正交，我们将这种情况称为“磁场定向”。此时每安培定子电流产生的转矩值最大，即可获得最高的转矩/电流比值，电动机铜耗也最小。显然，这是一种很有吸引力的运行状态。

14 因此，永磁同步电机的磁场定向矢量控制就是要准确地检测出转子的空间位置(d 轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流位于q 轴上，那么，永磁同步电机的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能较好地控制电磁转矩。

图4-3给出了转子磁场定向的矢量控制系统原理图

PI

PI

SVPWM

旋转变压器

PMSM

三相逆变器

α,β

a,b,c

α,βd,q

α,β

d,q

PI

ω*

图4-3 PMSM 矢量控制的原理图

若使两相d-q 坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d 轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定子电流的励磁分量sd i 和转矩分量sq i 来控制，当转子磁链幅值保持恒定时，系统可实现对转矩与转子磁链的解耦控制。

图4-3表明，这是一个电流内环、转速外环的双闭环控制系统。首先，根据检测到的电机转速和输入的参考转速，利用转速与转矩的关系，通过速度PI 控制器计算得到定了电流a i 、b i 的参考输入sdref i 和sqref i 。通过相电流检测电路提取a i 和b i ，

再使用Clark 变换将它们转换到定了两相坐标系中，然后使用Park 变换，将它们转换到d-q 旋转坐标系中，再将d-q 坐标系中的电流信号与它们的sdref i 和

sqref i 相比较，其中0sdref i ，通过PI 控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park 逆变换送到三相逆变器，从而得到控制定了三相对称绕组的实际电流。外环速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成

15 一个完整的速度矢量双闭环控制系统。 4.2.2 永磁同步电机的矢量控制方法的选择

永磁同步电机用途不同，电机电流矢量的控制方法也各不相同。可采用的控制方法主要有：

(1) 0d =i 控制； (2)最大转矩/电流控制； (3)控制1cos =φ； (4)恒磁链控制； (5)弱磁控制； (6)最大输出功率控制

不同控制方法具有不同的优缺点，如0d =i 最为简单，1cos =φ 可降低与之匹配的逆变器的容量，恒磁链控制可增大电动机的最大输出转矩等。

当采用 0d =i 的控制方案时，转矩 em T 和q i 呈线性关系，只要对q i 进行控制就达到了控制转矩的目的。并且，在表面式永磁同步电机中，保持0d =i 可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。或者说，在产生所要求转距的情况下，只需最小的电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。这正是本文采用这种控制策略的原因。

4.3 MATLAB 仿真工具箱简介

MATLAB/SIMULINK 是MATHWORKS 公司开发的用于数学计算的工具软件。它具有强大的矩阵运算能力、绘图功能、可视化的仿真环境SIMULINK 。SIMULINK 可以对通信系统、非线性控制、电力系统等进行深入的建模、仿真和研究。它由模块库、模型构造及分析指令、演示程序Demo 三部分组成。用户进行仿真时很少需要程序，只需要用鼠标完成拖拉等简单的操作，就可以形象地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究[30]。

4.4 永磁同步电机矢量控制仿真模块的建立

基于永磁同步电机的矢量控制原理，利用MATLAB 仿真工具，建立了系统

16 的仿真模型。 4.4.1 坐标变换模块

矢量控制中用到的坐标变换有：Clarke 变换(将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换)和Park 变换(将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换)。静止的三相定子坐标系(a-b-c)和静止的两相定子坐标系(α-β)以及固定在转子上的两相旋转坐标系(d ，q)间变换矩阵的MATLAB 实现如图4-4所示：

2Ibeta

1Ialpha

sin

cos

3theta

2Iq

1Id iq

iq

iq

sin

sin

sin

cos

cos

cos

id

id id

图4-4 d-q 到α-β变换

4.4.2 SVPWM 模块

从原理上讲，SVPWM 着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁链，SVPWM 以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形，同时产生三相互差120°电角度的接近正弦波的电流来驱动电机。由于逆变器产生的矢量数目有限，不能产生角度连续变化的空间矢量，SVPWM 方法通过上述8个基本空间电压矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量，并根据各自的作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量K 。其原理如图4-5

17 所示：

β

α

V 2(010)

V 6(110)

V 4(100)

V 5(101)

V 1(001)

V 3(011)

V 7(111)V 0(000)

θ

Ⅰ

ⅡⅢ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅳ

图4-5 基本电压矢量

(1)扇区选择

根据图4-5中各扇区与αV ，βV 的关系，当0β>V 时，令1=A ，当03>-βαV V 时，令1=B ，当03βα<+V V 时，令1=C ，取V B A N 42++=，可得到各扇区与N 的对应关系如表4-1所示。其模型如图4-6所示。

表4-1 N 与扇区号得对应关系

扇区号 I II III IV V VI N 3

1

5

4

6

2

(2)基本电压矢量的作用时间T 1和T m

令s dc β22T U V X =，)3(22βαdc βV V U V Y +=，)3(2βαdc

β

V V U T Z -=

则N 与矢量作用时间T 1和T m 的对应关系如表4-2所示

18

图4-6 扇区选择

之后还要进行饱和判断，当s m 1T T T >+时，应取：)(111m s T T T T T +=,

)(m 1s m m T T T T T +=,其MATLAB 实现如图4-7所示：

图4-7 基本矢量作用时间

表4-2 N 与矢量作用时间对应关系 N 1 2 3 4 5 6 T 1 -Z Y Z -X X -Y T M Y

-X

X

-Z

-Y

Z

(3)计算开关作用时间omx T

19 令,2

,2,44m b c 1a b m 1s 0a T T T T T T T T T T T +=+=--==

则N 与om1T ,om2T ,om3T 之间的对应关系如表4-3所示。其中，MATLAB 实现如图4-8所示。

3Tcm3

2Tcm2

1Tcm1

123456

123456

123456

1/2

1/2

1/4

4Tpwm

3T2

2T1

1N

Tb Tb Tb Tb Tb Tb Tb

N N N

Ta Ta Ta

Ta

Ta

Ta Ta

Tc

Tc Tc Tc Tc Tc

图4-8 开关作用时间

表4-3 N 与omx T 的对应关系

N

1 2 3 4 5 6

om1T b T a T a T c T c T b T om2T a T c T b T b T a T c T om3T c T

b T

c T

a T

b T

a T

20 计算得到的om1T ,om2T ,om3T 值与等腰三角形进行比较，就可以生成对称空间矢量PWM 波形。将生成的PWM1，PWM3，PWM5进行非运算就可以生成PWM2，PWM4，PWM6同时还应将去其由bool 型转换成double 类型，如图4-9所示。再将上述模块连接生成SVPWM 整体模型如图4-10所示。 4.4.3 逆变器模块

仿真中用到的逆变器和永磁同步电机模型是利用MATLAB/SIMULINK 中的SIMPOWER SYSTEM 中给出的模型。电机测量模块可以直接检测出电机的各输出物理量作为反馈参数构成电机闭环系统。输入为SPWM 模块给出的6组控制信号，输出为三相相电压。该逆变器模块，有6个IGBT 功率开关器件，反向并联续流二极管，根据SPWM 模块给出的6组控制信号控制各个功率开关器件导通与关断，从而输出三相电压。

4.5 仿真研究

利用MATLAB/SIMULINK 的SIMPOWER SYSTEM 所提供的PMSM 模块和输出测量模块，PMSM 模块输入为三相电压和负载转矩。PWSM 矢量控制闭环控制系统模型如图4-12。其中参数可以自行设定，具体参数有：定子电阻)(ΩR 、交直轴定子电感)(d H L 、)(q H L 、转子磁场通从)(Wb λ、电机转动惯量)(2m kg J ?、粘滞摩系数)(s m N B ??、极对数p 等。

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：

交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计

交流永磁同步直线电机介绍及其控制系统设计 制造业中需要的线形驱动力，传统的方法是用旋转电机加滚珠丝杠的方式提供。实践证明，在许多高精密、高速度场合，这种驱动已经显露出不足。在这种情况下直线电机应运而生。直线电机直接产生直线运动，没有中间转换环节，动力是在气隙磁场中直接产生的，可获得比传统驱动机构高几倍的定位精度和快速响应速度。 本文是在我系研制的同步直线电机基础上进行基于矢量变换控制的驱动系统设计应用。 2. 交流永磁工作原理 直线电机的工作原理上相当于沿径向展开后的旋转电机。交流永磁同步直线电机通入三相交流电流后，会在气隙中产生磁场，若不考虑端部效应，磁场在直线方向呈正弦分布。行波磁场与次级相互作用产生电磁推力，使初级和次级产生相对运动。图1所示为开发设计的交流永磁同步直线电机。 3. 永磁同步直线电机矢量控制原理 由于矢量控制动态响应快，相比较标量控制，在很快的时间内就能达到稳态运行。经过30多年工业实践的考验、改进与提高，目前已经达到成熟阶段[3]，成为交流伺服电机控制的首选方法。因此，直线电机采用了交流矢量控制驱动的方法。

直线电机初级的三相电压（U、V、W相）构成了三相初级坐标系（a，b，c 轴系），其中的三相绕组相角相差120?，即在水平方向上互差1/3极距。参照旋转电机矢量变换理论，设定两相初级坐标系（α-β轴系），由三相初级坐标系到直角坐标系转换称为Clark变换，见式（1）。 从静止坐标系到旋转坐标系的变换称为Park变换，见式（2）。反之称Park 逆变换。 θ是d轴与轴的夹角。根据旋转电机的Park变换理论和两电机结构比较。由于电机运动部分的不同，故直线电机动子相当于旋转电机定子，直线电机定子相当于旋转电机动子。所以在旋转电机中旋转坐标系固定在动子上，旋转坐标系随着电机转子一起同步旋转。在直线电机中，由运动相对性原理，动子的直线运动，

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

永磁同步电机基础知识

(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。

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。

机械毕业设计954交流永磁直线电机及其伺服控制系统的设计

摘 要 直线电机在各行各业中发挥着越来越重要的作用，特别是在机床进给驱动系统中。本 文以平板式交流永磁同步直线电机为研究对象，从电机机体到伺服驱动系统的软、硬件设 计作了深入研究。 本文首先介绍了交流永磁同步直线电机机体设计过程中电枢绕组、铝芯和定子磁钢的 设计和改进方法，较大程度上减小了推力波动，并且结合大推力直线电机的特点设计了方 便有效的装配过程。 建立交流永磁同步直线电机的数学模型，在此基础上分析了当今最通用的伺服控制策 略，选择了矢量控制方法。确定0 d i 的矢量控制实现形式。通过SVPWM 方法进行脉宽调 制，合成三相正弦波。选用TI 公司2000系列最新DSP TMS320F2812，深入研究了以上算法 在DSP 中的实现形式。采用了C 语言和汇编语言混合编程的实现方法。在功率放大装置中， 以智能功率模块IPM 为核心，设计了功率伺服驱动系统。还包括电流采样、光电隔离、过 压欠压保护和电源模块等。 由于知识和能力的限制，本次课题只对直线电机做一些理论研究。 关键词：永磁同步直线电机 DSP SVPWM 矢量控制

Abstract Line motors are playing a more and more important role in all kinds of trade , especially in machine tool feed system. We carry out our study in motor , software and hardware servo system based on flat AC permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM). First introduce the design method of armature ,core of al and magnet which can minish the thrust ripples, then introduce the means of assembly base on high thrust permanent magnet synchronous motors. To ensure the accuracy to a high requirements and get a wide speed range, we choose the dsp of Texas Instruments named TMS320F2812 which is the core of the servo system .In the paper we set up mathematical model of PMSLM, then analyse the current control strategies and choose the vector control method which is realized by the method of 0 d i .The three phase sine wave is compounded by space voltage pulse width modulation(SVPWM).The arithmetic realized by C language and assembly language in DSP. Intelligent Power Model (IPM) is the core of the power amplification circuit system which also contains current sampling circuit, photoelectric-isolation circuits, over-voltage protection circuits, under-voltage protection circuits and power supply. As a result of the knowledge and ability limit, this topic only does a fundamental research to the linear motor. Key words: permanent magnet synchronous linear motor(PMSLM), DSP, SVPWM, vector control

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

直线电机参数

介绍直线电机参数和选型 1.最大电压( max. voltage ph-ph) ———最大供电线电压，主要与电机绝缘能力有关；《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 2.最大推力(Peak Force) ———电机的峰值推力，短时，秒级，取决于电机电磁结构的安全极限能力；《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 3.最大电流(Peak Current) ———最大工作电流，与最大推力想对应，低于电机的退磁电流； 4.最大连续消耗功率(Max. Continuous Power Loss) ———确定温升条件和散热条件下，电机可连续运行的上限发热损耗，反映电机的热设计水准； 5.最大速度(Maximum speed) ———在确定供电线电压下的最高运行速度，取决于电机的反电势线数，反映电机电磁设计的结果； 6.马达力常数(Motor Force Constant) ———电机的推力电流比，单位N/A或KN/A，反映电机电磁设计的结果，在某种意义上也可以反映电磁设计水平； 7.反向电动势(Back EMF) ———电机反电势（系数），单位Vs/m，反映电机电磁设计的结果，影响电机在确定供电电压下的最高运行速度； 8.马达常数(Motor Constant) ———电机推力与功耗的平方根的比值，单位N/√W，是电机电磁设计和热设计水平的综合体现； 9.磁极节距NN(Magnet Pitch) ————电机次级永磁体的磁极间隔距离，基本不反映电机设计水平，驱动器需据此由反馈系统分辨率解算矢量控制所需的电机电角度； 10.绕组电阻/每相(Resistance per phase)———电机的相电阻，下给出的往往是线电阻，即Ph－Ph，与电机发热关系较大，在意义下可以反映电磁设计水平； 11.绕组电感/每相(Induction per phase) ———电机的相电感，下给出的往往是线电感，即Ph－Ph，与电机反电势有关系，在意义下可以反映电磁设计水平； 12.电气时间常数(Electrical time constant) ———电机电感与电阻的比值，L/R； 13.热阻抗(Thermal Resistance) ———与电机的散热能力有关，反映电机的散热设计水平； 14.马达引力(Motor Attraction Force) ———平板式有铁心结构直线电机，尤其是永磁式电机，次极永磁体对初级铁心的法向吸引力，高于电机额定推力一个数量级，直接决定采用直线电机的直线运动轴的支撑导轨的承载能力和选型。《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 直线电机的选型首选推力速度，然后看连续消耗功率、热阻和散热方式和条件等，再次看供电电压和电流，对快速性有要求还要看电气时间常数。个人意见，最最反映直线电机性能水平的是推力平稳性、电机常数和热阻，不过推力平稳性指标多数厂家未必会直接给出。《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 电机的推力系数以出力电流比来标示，比如N/A，Nm/A《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 反电势系数用电压速度比来标示，比如V/(m/s)，V/(rpm)等《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 以电机的机电转换公式可以推导出其间的关系，具体过程如下：《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》 直线电机的机械输出功率为Pm＝F*v ＝Cm*I*v，其中Cm为推力系数，I为电流，v为电机运行速度《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》电机电气消耗功率中的电磁转化功率为：Pe＝ε*I＝Ce*v*I，其中Ce为反电势系数，v为电机运行速度， I为电流《版权声明：本文由整理提供，部分内容来源于网络，如有侵犯到你的权利请与我们联系更正。》

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