基于DSP的永磁同步电机控制
设计总说明 (3)
Abstract (4)
1. 绪论 (5)
1.1 交流调速概述 (5)
1.2 相关领域发展 (5)
1.2.1 功率器件发展 (5)
1.2.2 变频技术发展 (6)
1.2.3 电机制造技术和交流调速理论的发展 (6)
1.2.4 控制理论发展 (7)
1.2.5 微处理器发展 (7)
1.3 国内外研究动态和发展方向 ....... 错误！未定义书签。
1.4 本文研究的主要内容 (8)
2永磁同步电机结构及控制原理 (8)
2.1永磁同步电机控制理论的发展 (8)
2.2永磁交流伺服控制系统 (9)
2.3永磁同步电机的矢量控制原理 (9)
2.3.1永磁同步电机的内部结构和种类 (9)
2.3.2 永磁同步电机的控制策略 (9)
2.3.3永磁同步电机数学模型的建立 (10)
2.4 SVPWM基本原理 (17)
2.4.1 空间矢量的定义 (17)
2.4.2电压与磁链空间矢量的关系 (18)
2.4.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场 (19)
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2.4.4 T1，T2，T0的计算 (22)
2.5电机的位置检测原理 (23)
2.6光耦隔离电路的原理 (26)
2.7逆变器原理 (28)
第三章硬件电路设计 (31)
3.1 系统硬件总体设计 (31)
3.2 主控芯片DSP2812的基本特征 (32)
3.3 DSP外设介绍 (33)
3.4主电路模块设计 (37)
3.4. 1 整流滤波电路的设计 (37)
3.4.2 逆变电路的设计 (38)
3.4.3 测速电路的设计 (39)
3.4.4通信接口电路设计 (40)
图3-2 SCI接口电路图 (40)
3.4.5最小系统电路 (41)
3.5 LED显示电路 (41)
光耦隔离电路 (42)
2. 第五章软件设计 (50)
5.1 DSP开发软件的安装与应用 (50)
总结与致谢 (60)
参考文献 (73)
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基于DSP的永磁同步电机控制
设计总说明
随着电力电子技术现代控制技术以及计算机微芯片技术的迅速发展,在交流调速技术中,变频调速以其优异的调速性能和高效节能效果等优点成为了国内外交流调速系统的发展方向,现阶段运用计算机电子技术的最新发展成果将成熟的电机控制理论应用并构建成完整的系统已经是该领域内研究的一个热点。在交流伺服系统中，由于电机本身具有的非线性和强耦合特性，其控制方法相当复杂，因此用普通单片机很难取得良好的控制效果。本文中采用TI公司的高速数字信号处理器TMS320F2812为控制核心，利用空间矢量脉宽调制控制算法，可以有效地解决电机的强耦合特性；适时地控制电机的转矩、速度和位置状态；并且不用过大体积的能量变换装置即可随意地控制瞬态电流的幅值；当采用正弦波电流驱动时，可以完全消除转矩的波动。采用TMS320F2812定点数字信号处理器为主控芯片，完成电流环、速度环，位置环的算法实现及其控制。由于TMS230F2812的高集成、高性能的特点，使得控制系统具有控制精度高、硬件简单、可靠性能高等优点。系统主要由DSP、IPM（智能功率模块)、检测电动机速度信号和电流信号的传感器、光电隔离电路、电源电路等组成。首先，传感器将检测到的定子相电流信号和转速信号送入DSP的ADC和QEP，DSP对检测的信号进行相应的运算处理后产生PWM脉冲信号，经光电隔离后，驱动IPM智能功率模块以产生期望的电压来控制电机运行。此外，系统还具有键盘设定及显示功能。
本论文是基于电机矢量控制理论构建了系统的模型并以TI公司的电机控制专用DSP 芯片TMS320F2812 为核心设计开发了一套针对永磁同步电机的变频调速数字化控制系统。详细介绍了DSP开发软件CCS3.3的安装与应用，DSP 2812芯片结构特点，电机的空间矢量控制理论以及PWM逆变技术。给出了系统的硬件总体方案和主要模块的设计，包括主控制电路以及一些器件模块的选取，采用空间电压矢量SVPWM调制方式并给出了基于DSP 芯片的软件编程。
关键字：DSP2812；空间电压矢量控制；永磁同步电机
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Abstract
As the rapid development of modern control technology power electronic technology and computer microchip technology, the speed of regulating technique, frequency control of motor speed, with its excellent speed regulating performance and advantages of high efficiency and energy saving effect ,has become a development direction of ac speed regulating system both at home and abroad, using the latest developments of computer electronic technology at the present stage to apply mature motor control theory, and build into a complete system has been a hot spot of research in this area.
This paper is based on the theory of motor vector control system model ,the motor control special DSP chip TMS320F2812 of TI company as the core was designed,developed a set of digital frequency control of motor speed control system for permanent magnet synchronous motor.
CCS3.3 DSP development software ,the installation and application of DSP chip 2812 structure characteristics ,and the space vector control theory of motor and PWM inverter technology presents are introduced in detail in this paper. Gives the system scheme of hardware and the main module design, including the selection of main control circuit and some device module.Adopts the space voltage vector SVPWM modulation method and the software programming based on DSP chip is given
Key word s: DSP2812 ；voltage space vector control；permanent magnet synchronous moto
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1.绪论
1.1 交流调速概述
在电力系统中，电动机负荷约占总发电量的60%~70%。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，不仅要具有较高的机电能量转换效率，而且应能根据生产机械的工艺要求，控制和调节旋转速度。调速系统是伺服系统的重要组成部分，其性能对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能起着决定性的影响，因此，调速系统一直是传动领域的一个研究热点。调速系统是由功率部分、执行部分和控制部分三大要素组成的一个有机整体，各部分之间的不同组合，构成多种多样的调速系统。长期以来，直流电动机因其调速性能优越而掩盖了其结构复杂、难以维护等缺点，广泛应用于工程中。但直流电动机的固有缺点，限制了其向高转速、高电压、大容量方向的发展。
近年来，随着大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路的不断问世，控制理论的不断进步，以及高性能微处理器的出现，为交流调速技术的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础，促使其迅速发展，并进入了实用化阶段。现阶段，交流调速系统不但性能可以和直流调速系统相媲美，而且成本和维护比直流调速系统更低，可靠性更高。国内外直流传动装置的生产呈下降趋势，而交流变频调速装置的生产大幅度上升。目前已形成直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机为执行机构的三大类调速系统。20世纪80年代以来，随着价格低廉、性能优越永磁材料的出现，永磁同步电机的研究和应用得到了空前的发展。永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、转动惯量小、调速范围宽、转矩脉动小、无需励磁电流、功率因数高、发热少等优点，因此广泛的应用于数控机床、工业机器人、医疗器械、化工、轻纺、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域。随着永磁电机控制技术的成熟和完善，永磁同步电机的应用领域也越来越广泛：从小型到大型、从一般的控制驱动到高精度的伺服系统、从日常电器到各种高精尖的科技领域均采用永磁电机作为主要的驱动电机。
1.2 相关领域发展
永磁同步电机的应用和发展离不开电机制造技术、永磁材料、传感器、功率器件、微处理器和控制理论等各方面技术、理论的发展与综合。
1.2.1 功率器件发展
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电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁。交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体是现代电力电子设备的心脏和灵魂，电力半导体器件的发展为交流调速系统的完善奠定了基础。其发展主要经历了三个阶段：50年代出现的半控型器件，由其构成的逆变器用于交流调速系统必须附加强迫换向电路；70年代以后出现的本身兼有开通和关断功能的全控型高速器件和复合型器件；80年代以后出现的智能功率模块（IPM）是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它不但能提供一定的功率输出，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护、自诊断等功能，是功率器件的重要发展方向。
1.2.2 变频技术发展
调速系统必须具备能够同时控制电压幅值和频率的电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器。从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交－直－交和交－交两大类当前应用最广泛的是由不控整流和全控型功率开关器件组成的
脉宽调制逆变器构成的变压变频器。目前脉宽调制技术主要有正弦脉宽调制（SPWM）、电流滞环控制（CHBPWM）、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等。SPWM旨在输出正弦电压，CHBPWM旨在输出正弦波电流，SVPWM 是针对形成旋转的圆形磁场提出的，所以比较适合于电机调速的矢量控制和直接转矩控制。
1.2.3 电机制造技术和交流调速理论的发展
作为传动系统执行部件的电机，要求具有体积小、重量轻、输出力矩大、低转动惯量、优良的起制动性能、宽的调速范围、转矩脉动小等特点。直流电机控制简单，调速性能好，变流装置简单，长期以来在调速系统中占主导地位。直流电机由于存在机械换向、维护困难、工作环境要求较高、转动惯量大、效率低、散热条件差等缺点，限制了其向高转速、高电压、大容量的方向发展。交流电机克服了上述直流电机调速系统的缺点，因而逐渐取代直流电机，成为调速和伺服系统的主要执行部件。交流调速电机主要有异步感应电动机、永磁同步电机（包括永磁同步正弦波电机和直流无刷方波电机）、开关磁阻电机。异步感应电机结构简单，价格低廉，不需要特殊维护，易于实现高速运行。永磁同步电机无励磁电流，功率因数高，发热少，结构简单，转动惯量小。开关磁阻电机转子结构简单，无需励磁，控制策略易于实现，可实现超高速运行。国内外感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机调速系统的研究都在不断的发展，并取得了显著的成果。永磁同步电机的发展和永磁材料的发展息息相关，我国的永磁材料丰富，随着制
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造工艺的不断进步，性能不断的完善，价格逐渐下降，永磁同步电机正朝着高效、高启动转矩、大功率的方向发展，应用前景也会越来越广泛。
交流电机具有强耦合、时变、非线性等特点，为了能够实现高性能的交流调速系统，使之具备优良的动态和静态特性，且对外界的扰动具有不敏感性，控制策略的选择发挥着至关重要的作用。优良的控制策略不仅能弥补硬件上的不足，而且能进一步提高系统的综合性能。目前，比较成熟的交流调速系统控制策略主要有：VVVF(变压变频) 控制、矢量控制和直接转矩控制。VVVF的控制对象是电机的外部变量：电压和频率，属于开环控制，无须引入反馈量，无法反映电机的状态，不能精确控制电磁转矩，因而控制精度不高，而且对于同步电机容易引起失步。1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出了矢量控制理论，使交流电机控制理论获得质的飞跃。矢量控制思想的核心是将电机的三相电流、电压、磁链从三相静止坐标系中变换到以磁场定向的两相旋转坐标系中，从而实现定转子之间的解耦。矢量控制需要进行坐标变换，精确观测转子磁链大小和空间位置，运算量大，且在异步电机控制中易受到转子参数变化的影响。
1.2.4 控制理论发展
控制理论的发展经历了三个阶段。首先是以传递函数为基本的描述、以频域法或根轨迹法作为主要分析和设计方法的经典控制理论。经典控制理论局限于对单输入和单输出系统的分析，对系统的状态无法进行观测和进行定性、定量的分析。对于多变量、多输入、多输出、控制精度要求较高的复杂系统，经典控制理论逐渐表现出不足之处。针对上述经典控制理论的不足，基于状态方程或差分方程的现代控制理论逐渐发展起来。现代控制理论主要包括线性系统的分析与综合、最优控制、系统辨识、最优估计等重要理论分支。经典控制理论和现代控制理论都是以被控对象的数学模型为基础，所以精确建立系统数学模型是至关重要的。但在现实中，对于存在各种不确定因素、非线性或参数时变的系统，建立其数学模型是十分困难的。为了分析和综合难以建立数学模型、结构复杂、难以设计控制器的系统，预测控制、非线性控制、智能控制也逐渐发展起来并得到广泛的应用。
1.2.5 微处理器发展
实现优良的控制策略必须有性能优越的控制器作为基础。模拟控制器具有以下优点：抗干扰能力强，不会因峰值噪声的影响导致致命的误动作；控制信号连续，响应速
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度快；信号易读取、测量等。但是，模拟控制器也存在以下不足之处：参数不易调整、自适应能力差、难以实现高精度和复杂的控制策略、集成度不高、硬件复杂、通用性差等。正是由于模拟控制器的上述缺陷，以DSP(数字信号处理器)为核心的数字控制器迅速发展起来。数字控制一定程度上克服了模拟控制的某些缺陷，能实现模拟系统不能实现的高复杂和高精度的控制算法，具有硬件电路简单、可靠性好、集成度高、易于移植、自适应能力强、数据采集速度快、易于实现监控、故障诊断和自恢复等优点，但也存在量化误差、受微处理器运算速率限制等不足之处。数字控制在传动领域中的推广很大程度上取决于控制芯片的性能。目前，在运动控制领域中，TI、Analog Device和Motorola 公司分别推出了各自的专用芯片。电机控制领域中常用的是TI 公司TMS320F2000系列的DSP芯片。2000系列的DSP主要经历了TMS320F20x、TMS320F24x和TMS320F28x 三代，运算速度逐渐加快，存储容量逐渐加大，功能越来越强，功耗也越来越小。其中TMS320F2812是32 位可进行浮点运算的定点数字处理器，运算速率达到150MIPS，片上RAM达18k×16bit，片内Flash达128k×16bit ，可扩展RAM达1M×16bit，支持45 个外部中断，可扩展SPI、SCI 、eCAN 、McBSP等串行通讯外设，具有128 位保护密码、两个电机控制外设事件管理器和16路12位高精度AD转换通道等丰富的资源，非常有利于高复杂、高精度控制策略的实现。
1.3 本文研究的主要内容
本次毕业设计的主要内容是利用DSP2812控制永磁同步电机的控制，在CCS3.3的环境下编写并编译程序，利用DSP2812开发板以及仿真器实现程序的仿真。在研究DSP2812控制永磁同步电机的控制之前，本文先对永磁同步电机以及控制芯片的发展做了简单的介绍，并详细介绍了空间电压矢量SVPWM调制方式，最后结合设计对系统硬件部分做了简要说明，并给出了基于DSP 芯片的软件编程。
2永磁同步电机结构及控制原理
2.1永磁同步电机控制理论的发展
交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流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
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矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。
2.2永磁交流伺服控制系统
永磁交流伺服控制系统的发展趋势如下：
(1)电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步
进电机及感应电机。
(2)绿色化发展。由于全球电能的80％以上通过电力变换装置来消耗，作为广泛使用的电力变换装置的变频器，将朝着节约能源，降低对电网的污染和对环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方向发展。
2.3永磁同步电机的矢量控制原理
2.3.1永磁同步电机的内部结构和种类
永磁同步电动机分类方法较多：按工作主磁场原理方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的电动机(又称为异步启动永磁同步电动机)；根据极对数的不同，永磁同步电机可分为单极和多极；根据磁通分布或反电动势波形，可分为永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机。
2.3.2 永磁同步电机的控制策略
现代交流调速控制策略主要有：矢量控制、直接转矩控制、变压变频控制、转差频率控制等。针对永磁同步电机，控制策略主要有矢量控制和直接转矩控制，本节主要介绍矢量控制策略。交流电机都是多变量、强耦合、时变的高阶复杂系统，对于系统分析和控制思想的实现都有很大的难度，如果能将非线性时变的问题转换为线性时不变的问题，那么系统的分析和控制都将得到大大的简化。矢量变换控制的实质是：以从电机真实物理模型建立起来的数学模型为基础，经过一系列的坐标变换，将原来的数学模型变换成公共旋转坐标系中的等效两相模型（d-q模型），然后通过对公共坐标系统中相关矢量进行独立控制，最后利用坐标反变换获得三相静止坐标系中的控制量，从而实现对电
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第 10 页 共 74 页 机的控制。矢量变换中的公共坐标系通常是建立在某一磁场（定子磁场、转子磁场或气隙磁场）矢量的位置上，也就是由该磁场矢量确定的公共坐标系，因此矢量变换控制也称为磁场定向控制（Field_Oriented Control ，简称 FOC ）。矢量控制的公共坐标系通常以转子磁场定向来建立的，因而矢量控制也可以称之为转子磁场定向控制。
对于永磁同步电机来说，电机的转子是永磁体，因其参数对定子的影响相对较小，而且公共坐标系可以选择永磁磁链的方向，可以极大简化系统的分析，所以多数永磁同步电机调速系统采用矢量变换控制策略。
SVPWM 控制是针对形成旋转的圆形磁场提出的，其基本思想是把电动机和PWM 控制逆变器作为一个整体，通过选择逆变器的不同开关模式，使的电机定子绕组产生圆形的旋转磁场。SVPWM 控制具有易于实现数字化、电压利用率高、开关频率固定等优点。电机控制的目的是产生圆形的旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，所以SVPWM 控制技术比较适合于电机控制。
2.3.3永磁同步电机数学模型的建立
永磁同步电机的数学模型主要包括电压平衡方程、运动方程和转矩方程。在永磁同步电机动态过程中存在永磁体与绕组、绕组与绕组之间的相互影响，电磁关系十分复杂，要精确建立永磁同步电机的数学模型十分困难。因此数学模型的建立做以下假设：转子永磁磁场在气隙空间中为正弦分布、电枢绕组的反电势波形为正弦、忽略定子的铁心饱和，认为磁路线性、不计铁心和涡流损耗、转子没有阻尼绕组；
矢量控制中，电机的变量，如电流、电压、电动势和磁通等，均由空间矢量来描述，并通过建立电动势的动态数学模型，得到各物理量之间的关系，通过坐标变换，在定向坐标系上实现各物理量的控制和调节。坐标系以及坐标变化在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。
（1）三相定子坐标系(ABC 坐标系)
PMSM 的定子中有三相绕组，其轴线分别为A,B,C ，且彼此间互差1200的空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标系定义如图2-1所示。
A
B C
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图 2-1 三相定子坐标系
（2）定子静止直角坐标系(αβ坐标系)
为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即αβ坐标系(图2-2)，其α轴与A 轴重合，轴超前β轴900。如果在αβ轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与三相绕组产生的一样。因此可以将两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的。
图2-2 定子静止坐标系 （3）转子旋转直角坐标系(dq 坐标系)
转子旋转坐标系固定在转子上(图2.3)，其d 轴位于转子轴线上，q 轴超前d 轴900，空间坐标以d 轴与参考坐标α轴之间的电角度?确定。该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步旋转坐标系。
图2-3 定子静止坐标系与转子旋转坐标系
?α
βd q A
B C
αβ 120
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下面介绍坐标变换关系：
三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)
图2-2中绘出了ABC 和αβ两个坐标系，为了方便起见，取A 轴与α轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N 3，两相绕组每相有效匝数为N 2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，则两套绕组瞬时磁动势在α，β轴上的投影也相等写成矩阵形式得：
321112233022A B C i i N i i N i αβ????--
????????=??????????-?????? (2.1) 考虑变换前后总功率不便，在此前提下，可以证明，匝数比应为
3223=N N (2.2)
代入式（2.1）得
????
??????????????????---=
??????C B A i i i i i 232302121132βα (2.3) 令2/3C 表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则
?????
???????---=2323021211322/3C (2.4) 如果三相绕组是Y 型联结不带零线，则有]0=++C B A i i i ，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得:
第 13 页 共 74 页 ?????????????????
?=??????B A i i i i 221032βα (2.5) 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链
的变换。 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系变换(2s-2r)
图2-3是两相坐标系到两相旋转坐标系的变换，简称2s-2r 变换，其中s 表示静止，r 表示旋转。把两个坐标系画在一起，如图2-4所示。两相交流电流αi 、αi 和两个直流电流d i 、q i 产生同样的以同步转速1ω旋转的合成磁动势s F 。由于绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示。
在图2-5中，d 、q 轴和矢量s F （s i ）都以转速1ω旋转，分量d i 、q i 的长短不便，相当于d 、q 绕组的直流磁动势。但α、β轴是静止的，α轴与d 轴的夹角?随时间而变化，因此s i 在α、β轴上的分量αi 、βi 的长短也随时间变化，相当于α、β绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，αi 、βi 和d i 、q i 之间存在下列关系
图2-5两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流）空间矢量
??αsin cos q d i i i -= ??αc o s s i n q d i i i +=
??????=????????????-=??
????q d s r q d i i C i i i i 22cos sin cos cos ????βα (2.6) a ?d ??αi βi q i d i s θ)(s s i F 1ωq
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写成矩阵形式，得
式中 ??
????-=????cos sin cos cos 22s r C (2.7) 是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵。对式（3.6）两边都左乘以变换阵的逆矩阵，得：
??
??????????-=????????????-=??????-βαβα????????i i i i i i q d cos sin sin cos cos sin sin cos 1 (2.8) 则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是:
??
????-=????cos sin sin cos 2/2r s C (2.9) 电压和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同，其中δ为x 轴与d 轴的夹角，即转矩角。下面介绍永磁同步电机在各个坐标系下的数学模型：
1）永磁同步电机在ABC 坐标系上的数学模型
对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下，其电压矢量和磁链矢量： r s s s I L ψψ+= (2.10)
dt d I R U s s s s ψ+= (2.11)
其中：s U 为定子电压矢量，s R 和s L ，分别表示定子电阻和定子电感，s ψ和r ψ分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，s I 表示定子电流。
根据式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下：
??????????+??????????????????????????+++=??????????C B A C B A s s s s s s s s s s s s C B A p i i i p L R pL pL pL p L R pL pL pL p L R U U U ψψψππππππ34cos 32cos 32cos 34cos 32cos
34cos (2.12) 其中为A U 、B U 、C U 各相绕组端电压，A i 、B i 、C i 为各相绕组电流，A ψ、B ψ、C ψ
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为转子磁场在定子绕组中产生的交链，p 为微分算子dt d /。
由于假设转子磁链在气隙中呈正弦分布，根据图2-1及图2-22可知：
????
??????--=??????????)3/4cos()3/2cos(cos π?π??ψψψψr C B A (2.13) 另外，对于星形接法的三相绕组，根据基尔霍夫（Kirchhoff ）定律有
0=++C B A i i i (2.14)
联合式（3.14）、式（3.15）和式（3.16）整理可以得到：
??????????+??????????????????????????+++=??????????C B A C B A s s s s s s C B A p i i i p L R p L R p L R U U U ψψψ230002300
023 （2.15） 2）永磁同步电机在αβ坐标系上的数学模型
??
????????????????=??????B A i i i i 221032βα （2.16）
根据坐标变换理论，对用此同步电机在ABC 坐标系下的数学模型进行3s-2s 的坐标变换，就可以得到在αβ坐标系下的数学模型。
由式（2.4）、（2.5）和（2.15）可得电压方程
??????-+???????????
?++=????????ψωβαβαβαcos sin 2300f r s s i i p L R p L R U U （2.17） 其中αU 、βU 分别为定子电压在αβ轴上的的分量，αL 、βL 为在 轴上的电感分量，其中s L L L 2/3==βα，f ψ为转子磁链在定子侧的耦合磁链，r ω为转子角速度。
3）永磁同步电机在dq 坐标系上的数学模型
在dq 坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，对于分析永磁同步电机控制过程系
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统的稳态和动态性能都十分方便。对永磁同步电机在αβ坐标系的数学模型进行2s-2r 坐标变换，就可以获得永磁同步电机在dq 坐标系下的数学模型。由式(3.5)和式(3.8)得到永磁同步电机在dq 坐标系下的电流方程：
????
??????????????????+----++=??????C B A q d i i i i i )32sin()32sin(sin )32cos()32cos(cos 32π?π??π?π?? (2.18) 其中d i 、q i 分别为定子电流在dq 坐标系下的分量，结合式(2.14)整理得
??
?????????
???????+-+=??????B A q d i i i i ??????cos 2cos 22sin 26sin 2cos 26sin 22 （2.19） 永磁同步电机在dq 坐标系磁链方程
(2.20)
(2.21)、 (2.22)
电压方程为：
q r d d s d p i R U ψωψ-+= （2.23） d r q q s q p i R U ψωψ++= （2.24） (2.25) 转矩方程为：
(2.26) 运动方程为： (2.27)
其中J 为转动惯量，L T 为转矩负载。其中d ψ、q ψ、d U 、q U 、d i 、q i 、d L 、q L 分别是定子绕组d 、q 轴的磁链、电压、电流和电感，s U 、s ψ、s R 为定子端电压、磁链
dt d n J T T p L e ω=-22||q
d s U U U +=)(5
.1d q q d p i i n T ψψ-=r d d d i L ψψ+=q
q q i L =ψ22||q d s ψψψ+=
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和定子绕组电阻；r ψ为转子磁链在定子侧的耦合磁链，p n 、r ω为电机极对数、电磁转矩和角频率，p 为微分算子dt d /。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标dq 轴系下的数学模型。
2.4 SVPWM 基本原理
把逆变器和交流电动机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称“电压空间矢量PWM （SVPWM ，Space Vector PWM ）控制”。
2.4.1 空间矢量的定义
交流电动机绕组的电压、电流、磁链等物理量都是随时间变化的，分析时常用时间相量来表示，但如果考虑到它们所在绕组的空间位置，也可以如图所示，定义为空间矢量uA0，uB0，uC0。
图2-6 电压空间矢量
电压空间矢量的相互关系,定子电压空间矢量：uA0、uB0、uC0的方向始终处于各相绕组的轴线上，而大小则随时间按正弦规律脉动，时间相位互相错开的角度也120°。合成空间矢量：由三相定子电压空间矢量相加合成的空间矢量us 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3/2倍。当电源频率不变时，合成空间矢量us 以电源角频率1为电气角速度作恒速旋转。当某一相电压为最大值时，合成电压矢量 us 就落在该相的轴线上。用公式表示，则有
C0B0A0s u u u u ++= （2.28）
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与定子电压空间矢量相仿，可以定义定子电流和磁链的空间矢量 Is 和Ψs
2.4.2电压与磁链空间矢量的关系
三相的电压平衡方程式相加，即得用合成空间矢量表示的定子电压方程式为： t R d d s
s s s ΨI u += （2.29）
us — 定子三相电压合成空间矢量；
Is — 定子三相电流合成空间矢量；
Ψs — 定子三相磁链合成空间矢量。
当电动机转速不是很低时，定子电阻压降在式（2.29）中所占的成分很小，可忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量的近似关系为：
t
d d s s Ψu ≈ （2.30） ?≈t d s s u Ψ （2.31）
磁链轨迹:当电动机由三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹呈圆形（一般简称为磁链圆）。这样的定子磁链旋转矢量可用下式表示。
t
Ψ1
j m s e ω=Ψ （2.32） 其中 Ψm 是磁链Ψs
W1为其旋转角速度。
由式（2.31）和式（2.32）可得 )2π(j m 1j m 1j m s 111e e j )e (d d +==≈t t t ΨΨΨt ωωωωωu （2.33）
上式表明，当磁链幅值一定时，us 的大小与W1（或供电电压频率）成正比，其方向则与磁链矢量Ψs 正交，即磁链圆的切线方向，磁场轨迹与电压空间矢量运动轨迹的关系如图所示，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动，其轨迹与磁链圆重合。这样电动机旋转磁场的轨迹问题就可转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
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图2-7旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹
2.4.3 六拍阶梯波逆变器与正六边形空间旋转磁场
（1）电压空间矢量运动轨迹
在常规的 PWM 变压变频调速系统中，异步电动机由六拍阶梯波逆变器供电，这时的电压空间矢量运动轨迹是怎样的呢?为了讨论方便起见，再把三相逆变器-异步电动机调速系统主电路的原理图绘出，图2-8中六个功率开关器件都用开关符号代替，可以代表任意一种开关器件。
图2-8三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图
开关工作状态:如果图中的逆变器采用180°导通型，功率开关器件共有8种工作状态（见附表），其中6种有效开关状态；2种无效状态（因为逆变器这时并没有输出电压）：上桥臂开关 VT1、VT3、VT5 全部导通下桥臂开关 VT2、VT4、VT6 全部导通。
SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电
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压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM 波形。
设直流母线侧电压为Udc ，逆变器输出的三相相电压为UA 、UB 、UC ，其分别加在空间上互差120°的三相平面静止坐标系上，可以定义三个电压空间矢量 UA(t)、UB(t)、UC(t)，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差120°。假设Um 为相电压有效值，f 为电源频率，则有：
?????+=-==)3/2cos()()3/2cos(
)()cos()(πθπθθm C
m B m A U t U U t U U t U （2.34） 其中，ft πθ2=，则三相电压空间矢量相加的合成空间矢量 U(t)就可以表示为：
θππj m j C j B A e U e t U e t U t U t U 23)()()()(3/43/2=++= （2.35）
可见 U(t)是一个旋转的空间矢量，它的幅值为相电压峰值的1.5倍，Um 为相电压峰值，且以角频率ω=2πf 按逆时针方向匀速旋转的空间矢量，而空间矢量 U(t)在三相坐标轴（a ，b ，c ）上的投影就是对称的三相正弦量。
图2-9逆变电路
由于逆变器三相桥臂共有6个开关管，为了研究各相上下桥臂不同开关组合时逆变
器输出的空间电压矢量，特定义开关函数 Sx ( x = a 、b 、c) 为：?
??=下桥臂导通上桥臂导通01x S (Sa 、Sb 、Sc)的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量 Ul(001)、U2(010)、
交流永磁同步电机结构与工作原理 2。1。1交流永磁同步电机得结构 永磁同步电机得种类繁多,按照定子绕组感应电动势得波形得不同,可以分为正 弦波永磁同步电机（PMSM）与梯形波永磁同步电机（BＬＤC）【261.正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上得安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用得电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示，定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统得电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60ｆ/p，f为电流频率,Ｐ为极对数。
图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式（又称为频率开环 控制)；另一种就是自控式(又称为频率闭环控制）[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N＃l－部电源频率得方式来调节转子得转速不需要知道转子得位置信息,经常采用恒压 频比得开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源得频率来调节转子 得转速，与她控式不同，外部电源频率得改变就是与转子得位置信息就是有关联得，转子
转速越高，定子通电频率就越高，转子得转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流） 频率得大小来调节得。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机得失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子得体积与质 量，提高了系统得响应速度与调速范围，且具有直流电动机得性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机.当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速得旋转得定子磁场，同步电机转子得转速就是与外部电源频率保持严格得同步,且 与负载大小没关系. 2。1.２交流永磁同步电机得工作原理 本系统采用得就是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成，其结构原理图如图2-2所示.在 图2-2中，50HZ得市电经整流后,由三相逆变器给电机得三相绕组供电，三相对称 电流合成得旋转磁场与转子永久磁钢所产生得磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步
通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波， 逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。 4 从控制角度看无刷直流电机系统基本不用什么算法，只是依据转子位置考虑给那个绕组通电流即可，而交流永磁同步电机如果需要变频调速则需要一定的算法，需要考虑电枢电流的无功和有功等。 5 关于“那么三相无刷直流电机能不能使用三相正弦交流电呢如果可以，霍耳器件是否可以不用了” 从原理上讲，三相无刷直流电机使用三相正弦交流电是可以运行的，只不过是运行性能可能很差，如果三相无刷直流电机的反电势波形为方波，则使用三相正弦交流电时会产生很大的谐波损耗，温升很高。是否需要霍耳器件与使用什么电源（三相正弦交流电或方波脉冲电源）无关，而与电机的控制算法、控制策略及控制方式等因素有关，如果是用无位置传感
第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
永磁同步电机控制方法以及常见问题永磁同步电机控制方法以及常见问题。永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 1.掌握永磁同步电机的成熟控制方法和开发内容后如何转型 (1)仿真：连续simulink+线性电机模型仿真，离散模型+线性电机+线性电机模型，q 格式离散模型+线性电机模型，simplorer+ansoft+无位置开环和闭环q格式仿真，模拟实际电机的线性电机模型建立，matlabgui+simulink仿真。都是无位置开环切闭环模式，各种仿真变着花样玩，ekf，hfi，pll，atan，磁连观测，扩展反电视等各种无位置仿真。仿真和实际跑板子其实只要电流采样底层做得好，过调制出得来都可以和仿真对的上。 (2)电机参数识别，通过变频器激励与响应实现，其余的表示不靠谱，可以在电机启动前10s内辨识出来。没啥用。 (3) 控制性能优化，6次谐波自适应陷波滤波，sogi等手段。 (4) 压缩机驱动自动力矩补偿。
(5) svpwm简单快速实现与单电阻采样结合研究。 (6) 各种各样电机调试与性能测试，我调试的电机型号应该有上千款了，仅限于 10w-20kw永磁同步电机，都快调试吐了，测试电机单体性能，带变频器运行极限测试 2.永磁同步电机初始角设置的问题 电机控制的调试里除却方波驱动，基本都会有一个类似于超前角的变量，该变量非常重要，直接影响速度，效率和抖动性。改变该角可以降低输出转矩，但可能会带来其他问题。 旋转转子使d轴指向A+与A-的中心线，就找到了初始角！但是对模型的初始角修改一下之后，在同样Thet角下，转矩下降好多！现在问题是在在修改初始角之后输出转矩能够稳定吗？这个输出转矩应该是与负载大小有关! 修改后的初始角与原来A相反电势为0对应的初始角，他们对应的输出转矩一定会变化的，且修改后的初始角中设定的功率角不是真正的模型功率角；至于设定负载我还没尝试过，不过我觉得你说的应该是对的。 其实我刚开始主要是对修改初始角后模型输出转矩稳定性有疑问，按照你的说法现在转矩应该是稳定的！那么对于一个永磁同步电机模型，峰值转矩可以达到，但是要求的额定转矩却过大，当修改模型之后达到要求的额定转矩时，峰值转矩却达不到，敢问你觉得应该从方面修改模型？？或是我修改模型的思路有问题 3.永磁同步电机控制的建模问题讨论，如模型仿真慢、联合仿真问题、PI控制问题等 两种控制方式不一样的所有输出量不一样。 永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 无刷电机是电压源控制模式，而且计算出来都是开环的。性能由空载转速，电阻，电感
1.内功率因数角：定子相电流与空载反电势的夹角，定子相电流超前时为正。 2.功率角（转矩角）：外施相电压超前空载反电势的角度，是表征负载大小的象征。 3.功率因数角：外施相电压与定子相电流的夹角。 4.内功率因数角决定直轴电枢反应是出于增磁还是去磁状态的因素。 5.实际的空载反电势由磁钢产生的空载气隙磁通在电枢绕组中感应产生，当实际反电势大于临界反电势时，电动机将处于去磁工作状态。空载损耗与空载电流是永磁电机出厂试验的两个重要指标，而空载反电势对这两个指标的影响尤其重大。空载反电势变动时空载损耗和空载电流也有一个最小值，空载反电势设计得过大或过小都会导致空载损耗和空载电流的上升，这是因为过大或过小都会导致空载电流中直轴电流分量急剧增大的缘故。还对电动机的动、稳态性能均影响较大。永磁机的尺寸和性能改变时，曲线定子电流I=f(E)是一条V形曲线。（类似于电励磁同步机定子电流和励磁电流的关系曲线） 6.由于永磁同步电动机的直轴同步电抗一般小于交轴同步电抗，磁阻转矩为一负正弦函数，因而矩角特性曲线上最大值所对应的转矩角大于90度，而不像电励磁同步电机那样小于90度。这是一个特点。 7.工作特性曲线： 知道了空载反电势、直轴同步电抗、交轴同步电抗和定子电阻后，给出一系列不同的转矩角，便可以求出相应的输入功率，定子相电
流和功率因数，然后求出电动机在此时的损耗，便可以得到电动机出去功率和效率，从而得到电动机稳态运行性能与输出功率之间的关系曲线，即为电动机工作曲线。 8.铁心损耗： 电动机温度和负载变化导致磁钢工作点改变，定子齿、轭部磁密也随之变化。温度越高，负载越大，定子齿、轭部的磁密越小，铁耗越小。工程上采用与感应电机铁耗类似的公式，然后进行经验修正。 9.计算极弧系数： 气隙磁密平均值与最大值的比值。它的大小决定气隙磁密分布曲线的形状，因而决定励磁磁势分布的形状、空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。其大小还影响气隙基波磁通与气隙总磁通比值，即磁钢利用率，和气隙中谐波的大小。 10.永磁电机气隙长度： 是非常关键的尺寸。尽管他对于永磁机的无功电流影响不如感应电机敏感，但对于交直轴电抗影响很大，继而影响电动机的其他性能。还对电动机的装配工艺和杂散损耗影响较大。 11.空载漏磁系数： 是很重要的参数，是空载时总磁通与主磁通之比，是个大于1 的数，反映空载时永磁体向外磁路提供的总磁通的有效利用程度。空载漏磁系数以磁导表示的表达式又正好是负载时外磁路应用戴维宁定理进行等效转换的变换系数，同时由于负载情况的不同，电枢磁动势大小不同，磁路的饱和程度也随之改变，气隙磁导、漏磁导
(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 22 cos()sin() 33 22 cos()sin() 33 a d b q c u u u u u θθ θπθπ θπθπ ?? ? - ??? ?? ?? =--- ? ?? ?? ?? ?? ? +-+ ?? (2)d/q轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψ ψ =+ ?? ? = ?? 其中，ψf为永磁体产生的磁链，为常数，0 f r e ω ψ=，而c r p ω ω=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。 (3)转矩方程： 3 2 e d q q d T p i i ψψ ?? =- ?? 把它带入上式可得: 3 () 2 33 () 22 e f q d q d q f q d q d q T p i L L i i p i p L L i i ψ ψ ?? =+- ?? =+- 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 3 2 e f q t q T p i k i ψ == 这里， t k为转矩常数， 3 2 t f k pψ =。
哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名：沈召源 学号：14S006040 2016年1月
目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)
1.1 研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分
交流永磁同步电动机伺服系统 1 伺服系统的基本概念 1.1 名词 “伺服”—词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动;讯号来到之后，转子立即转动;当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名—伺服系统。 1.2 定义 伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化的自动控制系统。 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。 1.3 伺服系统的组成 伺服系统如图1所示，是具有反馈的闭环自动控制系统。它由位置检测部分、误差放大部分、执行部分及被控对象组成。 1.4 伺服系统的性能要求 伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。 1.5 伺服系统的种类 通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。 伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。 电气式伺服系统根据电气信号可分为dc直流伺服系统和ac交流伺服系统二大类。ac交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种。 这里只讨论电气式伺服系统中的一种—交流永磁同步电机伺服系统。 2 交流永磁同步电机伺服系统 伺服驱动系统能够忠实地跟随控制命令而动作，例如数控机床和工业机人，伺服驱动技术对产品的性能有重要影响，甚至起关键作用。故需进一步认识伺服驱动系统在其中的地位和作用。 2.1 ac伺服系统 电气伺服技术应用最广，主要原因是控制方便，灵活，容易获得驱动能源，没有公害污染，维护也比较容易。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，它为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。 早在70年代，小惯量的伺服直流电动机已经实用化了。到了70年代末期交流伺服系统开始发展，逐步实用化，ac伺服电动机的应用越来越广,并且还有取代dc伺服系统的趋势成为电气伺服系统的主流。 在ac伺服系统中，可分为同步和异步型ac伺服系统两种。 ac伺服系统—→异步型—-→两相异步机; →三相异步机(力距电机)。 →同步型→磁阻式(开关式); →磁滞式(反应式); →永磁式。 永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料不断提高，价格不断下降，控制又比异步电机
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 )
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 -
完美格式整理版 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁 同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。
交流异步电动机和永磁同步电动机的优缺点比较 1.效率 永磁同步电动机的效率略高一些。但6kw的4极交流异步电机效率也能达到90%以上，与永磁同步电机差别并不大。 2.对控制精度的影响。 交流异步电动机和永磁同步电动机都被广泛应用于伺服系统中。在好的电机控制算法控制下，交流异步伺服系统和永磁同步伺服系统在控制精度上基本没有什么差别。特别是对于变桨系统来说，交流异步电动机的控制精度能达到±0.1度，已经足够了。 3.可靠性 变桨系统的可靠性至关重要。交流异步电动机可靠性远远高于永磁同步电动机，特别是在变桨系统应用中。永磁同步电动机有两大可靠性隐患： 1）永磁材料在绕组大电流情况下会永久性失磁或磁性能下降。通常情况下这一点可以通过电机驱动器的过流保护来避免大电流。但是变桨系统的应用恰恰要求有短时间 大电流的能力。特别是在顺桨时，我们为了保证风机的绝对安全，甚至要冒着牺牲 变桨电机和电机驱动器的危险，长时间维持大电流。对于交流电机来说，只要不造 成绕组烧毁，都可以继续使用。而一旦永磁同步电机的永磁材料磁性能下降，就无 法输出足够的力矩，影响风机安全。 2）转子磁钢钕铁硼磁钢的制造工艺复杂，防腐处理不好会造成锈蚀。钕铁硼磁粉很容易锈蚀，需要有很好的处理，包括电镀工艺来达到防腐蚀。如果处理不好，时间久 了可能会出现内部腐蚀。虽然现在磁钢的生产技术水平都提高了，但这一点始终是 个可靠性隐患。 4．成本 永磁同步电机的成本要高于交流异步电机。永磁同步电机的转子磁钢为钕铁硼。钕要从稀土中提取。中国是稀土第一蕴藏大国，也是第一出口大国。由于近几年中国把稀土列为战略物资，限制出口，造成稀土价格翻了几倍。而且以后稀土价格会越来越高，会直接对永磁同步电机成本造成很大影响。 综上所述，交流异步电动机的可靠性更高，成本更低，工艺简单成熟，更适合变桨系统应用。
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：
永磁电机的工作原理 永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正弦波永磁同步电机(PMSM)和梯形波永磁同步电机。机床设备组成中触摸屏维修结构上，使用的正弦波永磁同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组；气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式。 一、电机控制方式 目前，三相同步电机现在主要有两种控制方式，一种是他控式(又称为频率开环控制)；另一种是自控式(又称为频率闭环控制)。他控式方式主要是通过独立控N#l-部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转子的位置信息，常常采用恒压频比的开环控制方案。自控式永磁同步电机也是通过改变外部电源的频率来调节转子的转速，与他控式不同，外部电源频率的改变是和转子的位置信息是有联系关系的，转子转速越高，定子通电频率就越高，转子的转速是通过改变定子绕组外加电压(或电流)频率的大小来调节的。 因为自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步和振荡问题，并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质量，进步了系统的响应速度和调速范围，且具有直流电念头的机能，所以本文采用了自控式交流永磁同步电机。当把三相对称电源加到三相对称绕组上后，天然会产生同步速的旋转的定子磁场，同步电机转子的转速是与外部电源频率保持严格的同步，且与负载大小不要紧。 二、永磁电机的原理 系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成。50HZ的市电经整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持不乱的位置关系，才能产生恒定的转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。 正弦波永磁同步电机属于自控式电机，只是电念头的定子反电势和电流波形均为正弦波，并且保持同相，其可以获得与直流电机相同的转矩特性，而且能实现恒转矩的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。 三、旋转式编码器 由自控式正弦波PMSM构成的伺服系统，需要实时检测电机转子的位置及转速，本系统是通过旋转编码器来获取相关的信息。根据编码器的工作原理不同可分为磁性编码器和光学编码器，而根据编码器的输出信号的不同又分为增量式(incremental)和绝对式(absolute)编码器两种。绝对式编码器可以直接测得转子的绝对位置，每次为检测到转子的位置提供一个唯一无二的编码数字值。绝对式型编码器(旋转型)码盘上有很多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线??编排，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，
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
交流永磁同步电机结构与工作原理 2.1.1交流永磁同步电机的结构 永磁同步电机的种类繁多,按照定子绕组感应电动势的波形的不同,可以分为正 弦波永磁同步电机(PMSM)与梯形波永磁同步电机(BLDC)【261。正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成,电枢绕组常以Y型连接,采用短距分布绕组;气隙场 设计为正弦波,以产生正弦波反电动势;转子采用永磁体代替电励磁,根据永磁体在 转子上的安装位置不同,正弦波永磁同步电机又分为三类:凸装式、嵌入式与内埋式。 本文中采用的电机为凸装式正弦波永磁同步电机,结构如图2一l所示,定子绕组一 般制成多相,转子由永久磁钢按一定对数组成,本系统的电机转子磁极对数为两对, 则电机转速为n=60f／p,f为电流频率,P为极对数。
图2一l凸装式正弦波永磁同步电机结构图 目前,三相同步电机现在主要有两种控制方式,一种就是她控式(又称为频率开环 控制);另一种就是自控式(又称为频率闭环控制)[27】。她控式方式主要就是通过独立控 N#l-部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转子的位置信息,经常采用恒压 频比的开环控制方案。自控式永磁同步电机也就是通过改变外部电源的频率来调节转子 的转速,与她控式不同,外部电源频率的改变就是与转子的位置信息就是有关联的,转子
转速越高,定子通电频率就越高,转子的转速就是通过改变定子绕组外加电压(或电流) 频率的大小来调节的。由于自控式同步电机不存在她控式同步电机的失步与振荡问 题,并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷与换向器,降低了转子的体积与质 量,提高了系统的响应速度与调速范围,且具有直流电动机的性能,所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机。当把三相对称电源加到三相对称绕组上后,自然会产生同 步速的旋转的定子磁场,同步电机转子的转速就是与外部电源频率保持严格的同步,且 与负载大小没关系。 2.1.2交流永磁同步电机的工作原理 本系统采用的就是自控式交直交电压型电机控制方式,由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机与位置传感器构成,其结构原理图如图2—2所示。在 图2—2中,50HZ的市电经整流后,由三相逆变器给电机的三相绕组供电,三相对称 电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩,拖动转子同步
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
(一) P M S M 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: 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。 (2)d/q 轴磁链方程： 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。 (3)转矩方程： 把它带入上式可得: 对于上式，前一项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩；后一项是转 子突极效应引起的转矩，称为磁阻转矩，若Ld=Lq ，则不存在磁阻转矩，此时，转矩方程为： 这里，t k 为转矩常数，32 t f k p ψ=。 (4)机械运动方程： 其中，m ω是电机转速，L T 是负载转矩，J 是总转动惯量(包括电机惯量和负载惯量)，B 是摩擦系数。 (二) 直线电机原理 永磁直线同步电机是旋转电机在结构上的一种演变，相当于把旋转电机的定子和动子沿轴向剖开，然后将电机展开成直线，由定子演变而来的一侧称为初级，转子演变而来的一侧称为次级。由此得到了直线电机的定子和动子，图1为其转变过程。