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交流调速系统课程设计报告
基于Matlab/Simulink的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真
学院：
年级：
班级：电
姓名：
学号：
基于Matlab/Simulink的永磁同步电机矢量控制
系统的设计与仿真
Simulation and Design on the Vector Control System of PMSM
Based on Matlab/Simulink
摘要
在现代化工业生产中，电机及其控制系统占有着举足轻重的地位。具有更高的运行精度，更大的调速范围，更短的调节时间的电机控制系统的开发是现代化工业控制领域的热门研究方向。而永磁同步电机因其自身优良的特性，逐渐成为了工业控制中电机伺服系统中的主流电机，因此研究设计出能够适应现代化工业控制要求的永磁同步电机的控制系统有着越来越重要的意义。
本课题以电机的矢量控制算法为理论基础，研究了永磁同步电机的组成原理和数学模型，分析了电机的矢量控制系统的基本原理与控制策略，论述了永磁同步电机矢量控制系统实现的可行性，之后对电机的变频驱动技术SVPWM作了比较详尽的论述。
在控制系统的实际设计与搭建阶段，课题介绍了控制系统的主要电路，包括功率驱动电路，供电电路与电源电路以及传感器电路等等，在系统的软件设计中，描述了软件系统主要部分的程序流程，重点介绍了系统的中断流程，SVPWM的生成与输出，电机的启动与定位的PI算法和调节算法的软件实现，最后给出了永磁同步电机矢量控制系统软件实现的总体程序流程。
在课题的最后，对控制系统做了比较全面的运行仿真，测量了电机控制系统的输出波形和调整过程波形，对系统的性能做出了分析与评价，控制系统在经过调试以后，成功实现了电机矢量控制算法，有着良好的转矩与速度响应，调整精度高，运行比较稳定，基本达到了课题预期的效果。
关键词：永磁同步电机，矢量控制系统SVPWM，Matlab/Simulink
Abstract
In the modem industrial production, the electric motor and its control system occupy a prominent position. To develop a motor’s control system that has a higher running precision, larger speed-regulating range, and shorter adjusting time is a popular research direction in the modem industrial control system, and the Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) is gradually becoming the essential motor for the motor servo system because of excellent characteristics itself, so the research and design on the control system of PMSM which can adapt requirements for modern industrial control has more and more practical significance.
This paper takes the vector control algorithm of motor as the theoretical foundation. First,it studies the PMSM’s composing principle and mathematical model, then analyses the basic principle and control strategy of vector control, and discusses the feasibility for the vector control system of PMSM, and then it makes a detailed treatise on SVPWM technique to drive the motor with frequency conversion.
At the stage of actual designing and establishing for the control system , the paper introduces the main electric circuit of control system, including the power driving circuit, the power supply circuit and the sensor circuit etc., then it describes the main program flow of software system, and the points introduced are the interruption’s flow of system, the generation and output of SVPWM, the starting and position fixing algorithm of motor and PI adjustment with software implementation, in the last it shows the total software program flow for vector control system of PMSM.
At the last part of paper, it takes an overall debugging for the control system, and measures many outputting and adjusting process wave forms and then it makes an analysis and evaluation on the performance of system. The control system succeeds to carry out the vector control algorithm on PMSM, and it can exhibits speed and torque response well. The system has a high adjusting precision and circulates stably, so it achieves the expectative effect basically.
Key Words:PMSM; vector control system; SVPWM; Matlab/Simulink
目录
摘要............................................................................................................................................ I Abstract.................................................................................................................................. II 1 绪论 (1)
1.1 电机现代控制技术的发展概况 (1)
1.2 同步电机的分类与特点 (2)
1.3 同步电机的调速控制系统 (4)
1.4 现代电力电子技术的发展 (6)
1.5 PWM技术的应用 (7)
1.6 本论文的研究背景与主要内容 (8)
2 永磁同步电机的原理与数学模型 (10)
2.1 永磁同步电机组成与原理 (10)
2.2 永磁同步电机的数学模型 (12)
3 永磁同步电机矢量控制系统原理与实现 (15)
3.1 电机矢量控制系统的基本思想 (15)
3.2 电机矢量控制中的坐标变换 (15)
3.2.1 矢量控制系统中的三种坐标系 (15)
3.2.2 三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s) (17)
3.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r) (18)
3.2.4 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换（2t-2s） (19)
3.3 电压空间矢量的实现 (20)
4 永磁同步电机直接转矩控制仿真 (24)
4.1 仿真软件 (24)
4.2 仿真模型 (24)
4.2.1 定子电流转换模块 (25)
4.2.2 定子电压转换模块 (25)
4.2.3 定子磁链计算模块 (26)
4.2.4 电磁转矩计算模块 (26)
4.2.5 磁链位置判断模块 (26)
4.2.6 开关表模块 (27)
4.3 仿真结果分析 (27)
5 结论 (30)
参考文献 (31)
1绪论
1.1电机现代控制技术的发展概况
电机现代控制技术是实现高性能伺服驱动的核心技术，也是先进的工业控制技术最具代表性的标志之一。由于直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此从它诞生之日起就一直受到人们的关注，并且在工业和生活中得到了极为广泛的应用。但是，随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境受到限制，因此人们开始研究结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机的应用。但是由于当时电力电子元件的性能所限，交流电动机的调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以性能优良领先于交流调速，直到60年代以后特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。
由于大量使用三相异步电动机，交流电网的功率因数普遍偏低。为了改善功率因数，同步电动机诞生并开始得到发展的应用，这也是同步电动机最初得到人们重视的主要原因之一。1890年美国西屋电气公司利用尼古拉·特斯拉的专利研制出第一台交流同步电机，此后的100多年，交流同步电机以其效率高、功率因数高且可以调节等优点，在工业生产机械传动，特别是大功率传动中广泛应用。
同步电机的转速是由定子电流频率和电机极对数决定的，同步电机在电网固定频率供电条件下做恒速运行，同步电机的转子将以定子旋转磁场的转速同步旋转，故称为同步电机。传统同步电机的转子绕组采用直流激磁，在同步电机恒速运行时，调节转子激磁电流即可调节同步电机的功率因数，功率因数可超前或滞后，也可以等于1。传统同步电机的转速是恒定不可调的，只用于拖动恒速负载及改善功率因数的场合。在恒定频率下运行的大型同步电机存在着起动困难、运行过程易发生失步和振荡的问题，因此对同步电机的转速进行控制是比较困难的。
从20世纪30年代的后期，人们就开始研究同步电机的调速问题。通过检测同步电机转子磁极的位置，以适当的顺序控制与电机绕组相连的闸流管导通，代替直流电机的换向器和
电刷的功能，形成由变流器供电的自控式同步电机，也称为无换向器电机。自从晶闸管等电力电子器件发明后，同步电机变频调速控制才有了长足的进步。
1969年BBC公司研制成功世界上第一台6400KW交交变频同步电机传动装置，用于法国伦伯尔基水泥厂水泥球磨机无级调速传动。20世纪70年代，随着交流电机矢量控制理论的产生及其技术的推广应用，世界各大电气公司都投人大量人力、物力对交流同步电机变频调速传动进行研究，期望这一技术应用于高性能要求的轧机主传动及矿井提升机传动。1981年西门子公司研制成功世界上第一台4220KW交交变频同步电机调速系统，用于矿井提升机传动，同年该公司又研制成功第一台4000KW轧机传动交交变频同步电机调速系统，使大容量交流同步电机调速系统登上了高性能调速的舞台，标志着这一技术的成熟，至今为止，世界上已有上千套轧机及矿井提升机传动采用了交流变频同步电机调速系统此外，负载换流交直交变频器广泛应用于高炉鼓风机、空压机以及抽水蓄能电站的大型同步电机变频起动，并应用于长距离油气输送大功率高速压缩机的驱动随着永磁同步电机、直线同步电机等新型电机技术的迅速发展，大功率永磁同步电机变频调速已成功应用于大型舰船电力推进，永磁同步电机的功率已超过10MW;高速磁悬浮列车已进入商业运行阶段，由大功率交直交变频器供电的直线同步电机牵引着的磁悬浮列车达到500km/h的速度。交流同步电机调速正在发挥越来越重要的作用。
1.2同步电机的分类与特点
同步电机主要有以下几种类型：
（1）转子直流激磁同步电机
转子直流激磁同步电机与传统同步电机相同，是交流同步电机最常见的类型。转子直流激磁电流可由电力电子激磁装置通过集电环和电刷送到绕组中，也可以采用无刷激磁的方式，即在同步电机轴上安装一台交流发电机作为激磁电源，感应的交流电经过固定在轴上的整流器变换成直流电供给同步电机的激磁绕组。激磁电流的调节可以通过控制交流激磁发电机的定子磁场来实现。
（2）永磁同步电机
永磁同步电机的转子一般采用稀土永磁材料做激磁磁极，如衫钻合金、钦铁硼合金等，永久磁铁激磁使电机的体积和重量大为减小，而且永磁同步电机效率高、结构简单、维护方便、运行可靠，是工业中最常见的同步电机。
（3）磁阻同步电机
磁阻同步电机是由反应式同步电机发展而来的，它突破了传统电机的结构模式，定转子采用双凸结构，转子上没有绕组，定子为集中绕组，比异步电机更简单、坚固。目前已有开关磁阻电机调速系统的系列产品，但单机容量还不够大。
（4）直线同步电机
直线同步电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、不需任何中间转换机构的传动装置。它是20世纪下半叶电工领域出现的一项高新技术直线同步电机具有高速、大推力的特点，适合在军事、交通运输、工业生产输送线等领域做各种横向或垂直运动的电气传动。
交流调速可以采用同步电机也可以采用异步电机。同步电机与异步电机各有其特点，近20年来，世界各国电气公司和学术界对此争论不休，但进入20世纪90年代，对于大容量交流电机调速，世界各国己基本趋向于同步电机。同步电机与异步电机相比有如下的几个特点：
（1）可靠性与维护量
异步电机的转子结构非常简单，尤其对于笼形异步电机的维护只限于轴承。而永磁同步电机则在其滑环上有少量的维护量，但与直流电机换向器相比，它的维护量要少得多。现代同步电机电刷的寿命在1.5万小时左右。尤其是近年来轧机主传动普遍采用隐极式同步电机，其转子坚固性与笼形电机相近。因此，同步电机的维护量与异步电机基本相同。
（2）功率因数
同步电机由于独立的转子激磁调节控制，可使其定子功率因数保持为1。而异步电机则完全不同，电机的激磁功率必须通过定子侧获得，因此，定子电流始终是滞后的，其功率因数一般在0.8左右。为了改善电机的功率因数，可以降低电机的磁通密度，但受到了电机的材料设计限制另一种提高功率因数的方法是降低漏抗，但这样又增加了电流的谐波，因而又会进一步恶化功率因数。显然，异步电机功率因数低是一个很难克服的缺陷。
（3）变频器容量
由于异步电机的激磁能量是从定子侧供给的，同时异步电机功率因数低于同步电机，视在功率高于同步电机，故异步电机调速的变换器容量比同步电机大30%左右。
（4）电机尺寸和转动惯量
由于异步电机的定子电流由磁化电流和有功电流两部分组成，因此，异步电机的定子必须具有较大的视在功率。为了提高其功率因数，异步电机尽可能将电机气隙减少，但减少气隙要求电机制造工艺具有更高的加工精度，而细长结构的挠度也限制了气隙的减少，使大功
率变频调速异步电机的设计和制作更加困难。所以，异步电机常常设计成较大的定子和转子铁芯直径，电机结构短粗。由于同步电机激磁从转子提供，其气隙可以较大，制造相对容易，同步电机可以设计成细长结构，且长度和直径之比可以优化设计。同步电机的体积要比异步电机小得多。异步电机的转动惯量和尺寸要比同步电机大。
（5）控制精度
在异步电机的矢量控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温度变化。为了消除这一影响，必须进行转子参数辨识控制，该课题一直是国内外学者科研攻关的难题。而一同步电机激磁电流是单独控制的，电机磁通不随温度变化，故转矩控制精度高。
1.3同步电机的调速控制系统
同步电机变频调速系统从控制方式上可分为两大类一类为他控式变频调速另一类为自控式变频调速。他控式变频调速系统中所用变频装置的输出频率直接由外部给定信号决定，由于存在同步电机的失步、振荡等问题，所以在实际的调速场合很少使用。同步电机变频调速系统一般采用自控式运行，即变频器供电给同步电机，定子的频率是由转子位置或磁场位置决定的，并跟随转子位置的旋转自动变化，自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步问题。
电机调速的控制性能，可以归结为主要是对电机转矩的控制长期以来，直流电机广泛应用于电机调速领域，这是因为直流电机的电枢电流与磁场相互正交，可以分别控制，具有良好的转矩控制性能。而交流电机的可控量是输人交流电压、电流，其转矩与磁场是复杂祸合的，不能简单地实现解祸控制，所以交流电机的转矩控制长期以来成为电机调速领域的难题。
20世纪30年代以来，交流电机理论在同步电机双反应原理、旋转坐标变换等理论基础上逐步形成了交流电机派克方程，而后又由布朗进一步建立了电机的统一理论，从理论上证明了交流电机与直流电机的同一性。在这些理论研究成果的基础上，1971年德国西门子公司F.Blaschke等发表的论文《感应电机磁场定向的控制原理》和美国https://www.doczj.com/doc/4915917879.html,ustman与A.A.Clark 申请的专利《感应电机定子电压的坐标变换控制》，经过各国学者和工程师的研究、实践和不断地完善，形成现在普遍应用的交流电机磁场定向控制系统，也称为矢量控制系统。矢量控制系统的特点是通过坐标变换(3/2变换、同步旋转变换)，把交流电机在按磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能。这一原理的基本出发点是考虑到交流电机是一个多变量、强藕合、
非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确地控制电磁转矩。仿效直流电机电流与磁通正交解祸可分别控制的转矩特性，将旋转的电机磁通作为空间矢量的参考轴，利用旋转坐标变换方法把定子电流变换为转矩电流分量和激磁电流分量，相互正交，可以分别控制，这种通过坐标变换重构电机模型就可以等效为直流电机，从而像直流电机一样实现转矩与磁通的准确控制。
1972年德国西门子公司学者Bayer继Blaschke异步电机矢量控制原理发表之后，提出同步电机矢量控制原理。同步电机矢量控制仍然沿袭了以前标量控制采用激磁电流调节来补偿电枢反应，保持功率因数为1的控制思路。该控制原理及构成的同步电机矢量控制系统已广泛应用于工程实际。但是，这种同步电机矢量控制系统存在着动态过程磁链与转矩控制不解祸的缺陷。研究证明，阻尼绕组是抵消动态过程的电枢反应，改善磁链与转矩解祸控制特性的有效手段。因此，阻尼绕组对于矢量控制同步电机是必不可少的。阻尼绕组加快了定子电流响应，维持磁链恒定恒磁链控制，产生异步转矩来抑制负载角振荡，提高了向步电机的过载能力。同步电机稳态时负载角不变，电机转子以同步速运转，而同步电机在负载变动的动态过程，电机负载角变化，同步电机呈异步状态，阻尼绕组产生阻尼电流。但是，同步电机如何综合动态异步及稳态同步进行控制，动态过程阳尼电流的变化规律，阻尼电流能否受控，尚需要进一步研究。
同步电机是一个带磁链旋转坐标系状态反馈的变系数模型。同步电机的磁场定向与磁场控制是两个不同的概念。磁场定向是以电机的某一磁链轴线为取向，建立电机模型的坐标系，电机的电压、电流、磁链等电量都在该坐标系中分解、合成，并加以控制。而磁场控制则是以某一磁场幅值和相位为目标加以控制，在任意坐标系下都可以对某一磁场加以控制。例如，同步电机的气隙磁链可以在气隙磁链定向坐标系下控制，也可以在转子几何轴线坐标系下加以控制。同步电机的磁场中有转子激磁磁链、气隙磁链、定子磁链，还有阻尼磁链选择不同的磁链作定向坐标轴线，同步电机运行特性也不同。此外，对于不同的电机，如常规转子直流激磁同步电机、永磁同步电机、直线同步电机等，不同的变频调速方式，如交交变频、交直交变频等，往往选择不同的磁链定向控制方式。
电机功率因数为1和满速负载时电机定子电压保持不变，可以充分利用电机和变频装置的容量，降低设备投资，这对于大型同步电机变频调速显然重要。但是，对于永磁同步电机和直线同步电机这些没有转子直流激磁的新型电机，同步电机电枢反应无法用加大转子直流激磁来抵消。磁场定向控制系统如何保持电机功率因数为1和满速负载时电机定子电压不变，减少设备容量，这是待研究的课题。
随着现代控制理论的不断发展，自校正控制、模则参数自适应控制、变结构控制等先进的控制方已开始运用于电机凋速系统。无传感器的速度与位置的观测估计成为交流调速领域热门的研究课题。近年来，人工智能技术，特别是模糊逻辑和人工神经网络在电力电子及交流调速系统中显示出很好的应用前景。基于模糊逻辑或人工神经网络的控制系统具有更好的负载扰动及非线性参数变化的鲁棒性，并且无需依赖数学模型的设计。模糊逻辑己经广泛应用于传动系统的速度工艺控制、这些新型智能控制理论与方法已在同步电机变频调速系统的模型参数辨识和自学习、自调整技术中得到应用。
近年来，随着计算机技术的迅速发展，在电气传动技术领域引起一场变革，即电气传动从传统的模拟控制转向计算机直接数字控制，采用计算机的数字控制调速系统控制精度高、动态性能好、调整容易、维护方便、可靠性高，可实现故障自诊断，并可与自动化系统通信，实现信息远程传递，为新的控制理论和控制系统的运用奠定了基础。
数字控制调速技术的发展依赖于计算机硬件与软件技术的发展新型的数字控制调速系统具有更多的控制功能，加强了机器与用户间的交互作用，并扩展了与其他自动化装置间的通信联系。近年来，数字控制调速系统出现了两个发展趋势，一个是采用单片微处理机或专用IC芯片，硬件高度集成化、专用化，提高系统可靠性，降低装置价格另一个发展趋势是硬件通用化，软件模块化、可编程化。前者适合于产品的系列化，多用于中小容量标准产品，而后者则适合于大型的传动工程。对于大型同步电机调速系统，为了使其适用于更复杂的工艺要求，多采用通用的计算机硬件、32位或64位微处理机、多CPU结构和模块化软件编程。根据不同的传动系统结构，把系统所需的模块组接起来，构成一个满足不同复杂工艺的调速系统，该系统实际上是一个实时控制可编程控制器。
随着微处理机技术的进一步发展，大规模及超大规模集成电路芯片、DSP以及RISC工等高速运算芯片已在数字控制调速系统中应用`新的控制理论、控制系统将会取代传统的控制方式，交流调速系统更加完善，传动性能进一步提高。在单台计算机数字控制调速系统完善成熟的基础上，数字控制调速系统加强了与现代自动化系统的通信联网。调速系统作为自动化系统的一个智能终端，形成“系统型”数字控制调速。随着计算机技术、自动化控制系统工程的发展，集散系统可编程控制器以及数字控制调速系统将逐步融合为一体。
1.4现代电力电子技术的发展
电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关和相互促进的。
在交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体器件是现代电力电子设备的心脏和灵魂。
电力电子时代是从20世纪50年代末晶闸管的出现开始的，后来陆续出现了其他种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管，双极型大功率晶体管仍，功率场效应晶体管伽，绝缘门极双极型晶体管，静态感应晶体管，静态感应晶闸管，MOS控制的晶闸管等。从发展来看，电力电子学一般是跟随着电力电子器件的发展前进的，而电力电子器件则是跟随固体电子学的发展前进的。
功率场效应晶体管是一种单极型的电压控制器件，具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。其不足是MOSFET功率导通压降高，而且随着器件电压和温度的升高导通压降也增加。功率MOSFET开关损耗极小，可补偿导通压降高的缺点，适用于高频工作。现已广泛应用于开关电源、电机调速、不间断电源、超声波发生器以及高频感应加热电源等诸多领域。
绝缘门极双极型晶体管出现于20世纪80年代。在IGBT中，用一个MOS门极来控制宽基区的'高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件的优越通态特性相结合的器件。实际上，IGBT的通态特性比高电压的晶体管还好，接近晶闸管的通态特性。
IGBT、MOSFET等全控型器件具有自关断能力，组成逆变器时不需要晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构提高了效率。由于工作频率的大幅度提高，明显的扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了系统的动态响应，效率和功率因素，是交流调速控制系统非常理想的功率器件。
值得一提的是，新型控制系统中开始使用智能功率模块IPM，这种模块集成了控制电路功能和大功率电子开关器件，包括了输入隔离，能耗制动，过温、过压、过流保护及故障诊断等功能。它的应用显著地简化了控制单元的设计，并实现了系统的小型化和微型化。
1.5PWM技术的应用
脉宽调制技术是现代电力电子技术的实际应用，是电机变频控制技术的最终输出环节，随着电压型逆变器在高性能电力电子装置如交流传动、不间断电源和有源滤波器中的应用越来越广泛，PWM控制技术作为这些系统的核心技术，引起了人们的高度重视，并得到深入的研究。所谓PWM技术就是利用半导体器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。目前，几乎所有的变频调
速装置都采用这一技术。PWM技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。
目前，采用高速功率器件的电压型PWM变频器的主导控制技术有
（1）基于正弦波和三角波脉宽调制的SPWM控制。
（2）基于消除指定次数谐波的HEPWM控制。
（3）基于电流滞环跟踪的CHPWM控制。
（4）空间矢量SVPWM控制，或称磁链轨迹跟踪控制。
这四种PWM技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。目前比较常用的是SPWM控制和SVPWM控制。
空间矢量SVPWM控制从电动机角度出发，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成PWM波，这种方法就叫做“磁链轨迹跟踪控制”。由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，因此又叫做“电压空间”。空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。本课题亦是采用的SVPWM控制。
1.6本论文的研究背景与主要内容
在课题的准备阶段，作者查阅了大量的相关资料，包括目前各大电气企业的相关产品资料，相关技术文献、期刊、参考书，以及往届各大重点院校的硕士学位论文等。目前在市场上已有很多变频器产品以及各类伺服电机控制系统，如机床、门机等可以进行永磁同步电机的变频调速控制，其中也有为数不少的产品使用矢量控制技术，但其中具体实现的方式不会给出，而在各种技术资料中对于永磁同步电机以及矢量控制的原理叙述的都比较详细，但在实际的系统设计、电路实现和软件编制上则言之甚少，而目前国内的各大高校对电机的矢量控制也有很高的研究水平，他们可以把一些高新理论与技术如模糊控制，自适应控制，电子齿轮等，加入电机的矢量控制系统中，但是这些论文多数以系统仿真过程为结尾，真正进行了实际系统搭建与调试的并不多，特别对于是一些只有在电机实际运行时才会遇到的技术问
题，如同步电机的启动，电机的运行定位，程序计算的实时性与准确性分析，系统采集信号的滤波等问题上，提及很少，因此研究并设计出一套可以实际良好运转的永磁同步电机的矢量控制系统具有很大实际意义。
本论文的主要内容包括
（1）结合文献资料，介绍了永磁同步电机矢量控制系统相关的技术背景。
（2）介绍了永磁同步电机的各个组成部分与工作原理，分析了永磁同步电机的数学模型，为矢量控制系统的研究做准备。
（3）深入分析了电机的矢量控制理论，通过永磁同步电机的数学模型推导出矢量控制算法的实现方法，介绍了矢量控制所用到的Clarke变换，Park变换以及Park逆变换。描述了整个矢量控制系统流程框图。
（4）介绍了空间矢量SVPWM技术的原理，分析了空间矢量SVPWM技术的实现方法。
（5）展示了控制系统的实际运行结果，给出了系统运行时主要的波形图。
2永磁同步电机的原理与数学模型
2.1永磁同步电机组成与原理
与传统电机一样，永磁同步电机的本体是由定子和转子两大部分组成。
永磁同步电机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速N=60f/p，其中，f为定子电流频率，p为电动机极对数。图2.1为永磁同步电机定子与转子的示意图。
图 2.1 永磁同步电机示意图
永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，转子采用永久磁铁励磁，目前一般使用稀土永磁材料。通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁刚及磁扼等部分组成。磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈N与S交替排列。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。
永磁同步电机按照驱动电流波形划分可以分为两类一类是正弦波电流驱动的永磁同步电机另一类是方波或梯形波电流驱动永磁同步电机，这样就造成两种同步电动机在原理、模
型以及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机，一般把由正弦波驱动的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机，而由方波或梯形波驱动的永磁同步电动机称为方波型永磁同步电动机，由于其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似，所以又称无刷直流电动机。
由上可知，永磁同步电机运行时存在着两个旋转磁通势一是定子旋转磁通势，又称电枢旋转磁通势F a，它由定子三相电流通过定子三相绕组产生;二是转子旋转磁通势，又称励磁旋转磁通势F o，它由转子磁钢的磁通势产生。要想使永磁同步电机连续运转，必须保证电枢旋转磁通势F a，与励磁旋转磁通势F o以同一转速沿同一方向旋转，即通入定子电流的角频率与转子的旋转角频率一致，而且由定子，转子所产生的两磁场应保持一定的角度。这样才可以有效的避免永磁同步电机在旋转起来以后的失步问题，保证了永磁同步电动机运行的稳定性和安全性。如图2.2，通常F a与F o呈度角，这样可以获得最大的转矩。
图 2.2 同步电机磁动势图
综上可知，永磁同步电机具有以下的特点:
（1）电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。
（2）永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力。
（3）永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。
以上详细说明了永磁同步电机的结构特点与运行原理，为下面的介绍永磁同步电机的数学模型提供结构方面的基础。
2.2 永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机数学模型的建立，首先应该建立电机的空间参考坐标。同感应电机一样，将正向电流流经一相绕组产生的正弦磁动势波的轴线定义为相绕组的轴线，并将A 轴作为ABC 轴系的空间参考坐标假定感应电动势的正方向与电流的正方向相反，取逆时针方向为转速和电磁转矩的正方向，负载转矩正方向则与此相反。图2.3为电机永磁同步电机的ABC 轴空间参考坐标系。
图 2.3 永磁同步电机ABC 坐标系
在建立数学模型之前，先做如下假设
（1）忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗
（2）永磁材料的电导率为零
（3）转子上没有阻尼绕组
（4）相绕组中感应电动势波形为正弦
（5）定子绕组的感应电动势波形为正弦波形，磁动势为正弦形分布。
如图2.4，在ABC 轴系中，定义定子电流空间矢量为 )(32
2C B A s i i i i αα++=
（
2.1） 其中j 23
21
±=α。
图2.4中，取转子永磁体产生的励磁磁场的基波部分，于是f ψ为励磁空间矢量。f ψ同转子一道旋转，在ABC 坐标中的相位决定于电角度r θ。于是可写出以轴系表示的定子电压矢量方程
)(r j f s s s s s e dt
d dt di L i r u θψ++= （2.2） 其中，s u 为定子电压空间矢量，s R 为定子相电阻s L 为电机等效同步电感。
与感应电机不同的是，三相永磁同步电机内的气隙不一定是均匀的。这样，式2.2中的同步电感就不一定是常数，会给问题的分析带来很大的困难。为此，常采用双轴理论来研究同步电机问题。此时取永磁体基波励磁场轴线(磁极轴线)为d 轴(直轴)，顺着转子旋转方向超前d 轴90电角度为q 轴(交轴)，dq 轴系以电角速度r ω随同转子一道旋转，它的空间坐标以d 轴与A 轴间的电角度r θ决定。于是可以将图2.3进一步表示为图2.4的形式。
图 2.4 永磁同步电机d-q 坐标系
为满足功率不变，dq 轴电流的幅值应为ABC 轴系下电流幅值的23
倍，dq 坐标系内的各物理量正方向与原ABC 轴系的规定相同。
通过变换因子r j e
θ-，将ABC 轴系电压矢量方程2-2，变换为以dq 轴坐标分量表示的电压方程，可得
d r q q s q p i R u ψωψ++= （2.3）
d r d d s d p i R u ψωψ-+= （2.4）
其中，p 为微分算子d/dt 。
dq 轴系的磁链方程为
q q q i L =ψ （2.5） f d d d i L ψψ+=
（2.6） 其中，Ld 、Lq ，分别是dq 轴定子线圈的自感。f ψ为励磁磁链矢量。
已知电磁转矩可表示为
s s n e i p T ψ= （2.7） 其中，n p 为极对数，s ψ为电枢旋转磁链，s i 电枢电流.
转换为dq 轴的下的电磁转矩方程 ])([23)(23q d q d q f n q d d q n e i i L L i p i i p T -+=-=ψψψ （2.8） 对于转子表面式的永磁同步电机，由于q d L L =，上式可写为
q f n e i p T ψ23= （2.9） 而PMSM 的运动方程为 L n r n r
e T p R p p J T ++?=Ω)()(ωω （2.10）
其中L T 为负载转矩，ΩR 为阻尼系数，J 为转动惯量，r ω为转子电角速度。
以上的电压方程、转矩方程、运动方程构成了PMSM 的数学模型，这个数学模型就为永磁同步电机的矢量控制算法提供了有力的数学依据，为矢量控制系统的数字化实现提供了基础。
3永磁同步电机矢量控制系统原理与实现
3.1电机矢量控制系统的基本思想
1971年，德国学者Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量控制理论，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其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。因此矢量控制的关键仍是对电沐矢量的幅值和空间位置频率和相位的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子电流的控制上。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等等，都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算都不是很方便。因此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标系上进行观察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，卖时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。按照这些给定量进行实时控制，就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值，输出到电机上，实现电机矢量控制的全过程。
3.2电机矢量控制中的坐标变换
3.2.1矢量控制系统中的三种坐标系
如前一节所述，在矢量控制系统算法中，电机的各个变量，均由空间矢量来描述，并通过建立的动态数学模型，得到各物理量之间的实时关系，实现电机控制和调节，而这些变量一般是在不同的坐标系被描述的，因此，有三种坐标会在不同的场合中被用到，三种坐标系之间会时常的进行变换计算。坐标系在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。
永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 专业：电气工程及其自动化 学生： 学生学号: 学生班号:
本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。 稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。 本文主要研究容是对置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。 分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。 关键词：置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模
目录 永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1) 一、研究的问题 (4) 二、研究方法 (5) 2.1 永磁电机的数学模型 (5) 2.2弱磁调速原理 (6) 2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (7) 2.4 仿真结果 (11) 三、解决效果 (12) 3.1 结论 (12) 3.2感悟与体会 (12)
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率 密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航 天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电 动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速 永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电 动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另 一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变 频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell 软件中的RMxprt 模块进行了一种调速永磁同步电 动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D 中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行 了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子 冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 永磁同步电动机的效率η、功率因数cos ?、起动转矩st T 和最大转矩max T 。本例所设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 额定数据 数值 额定功率 N 30kw P = 相数 =3m 额定线电压 N1=380V U 额定频率 =50Hz f 极对数 =3p 额定效率 N =0.94η 额定功率因数 N cos =0.95? 绝缘等级 B 级 计算额定数据：
11KW变频起动永磁同步电动机电磁设计程序 及电磁仿真 1永磁同步电动机电磁设计程序 1.1额定数据和技术要求 除特殊注明外，电磁计算程序中的单位均按目前电机行业电磁计算时习惯使用的单位，尺寸以cm（厘米）、面积以cm2（平方厘米）、电压以V （伏）、电流以A （安八功率和损耗以（瓦）、电阻和电抗以门（欧姆）、磁通以Wb（韦伯）、磁密以T（特斯拉）、磁场强度以A/cm（安培/厘米）、转矩以N （牛顿）为单位。 1额定功率P n =11kW 2相数叶=3 3额定线电压U N1 =380V 额定相电压丫接法U N =U N1 / 3 = 219.39V 4额定频率f =50HZ 5电动机的极对数P=2 6额定效率N =0.87 7额定功率因数cos N =0.78 8失步转矩倍数T；°N =22 9起动转矩倍数T；N =22 10起动电流倍数I；N =2.2 12 额定转速n N =1000r/min 13额定转矩T N二9.55P N 103二 9.55 11 二105.039N.m n N 11额定相电流I N P N X105 0U N N COS N 11 105 3 219.39 0.87 0.78 A-24.62
14绝缘等级:B级 15绕组形式：双层叠绕Y接法 1.2主要尺寸 16铁心材料DW540-50硅钢片 17转子磁路结构形式：表贴式 18气隙长度：=0.07cm 19定子外径D1 =26cm 20定子内径D i1 =18cm 21 转子外径D2二D H—2、=(18 -2 0.07)cm =17.86 22转子内径D i2 =6cm 23定,转子铁心长度h日2 =15cm 24铁心计算长度l a J =15cm 铁心有效长度l ef =la 2、=(15 2 0.07)cm = 15.14cm 25定子槽数Q1 = 36 26定子每极每相槽数q =Q1 /2gp =36/2 3 3=2 27极距巨p =蔥D i1/2P =3.14 18/2 9.728cm 28定子槽形:梨形槽定子槽尺寸 h01= 0.08cm b01= 0.38cm bi = 0.78cm r1 二 0.53cm h o2 = 1.72cm 巧“18^ 29定子齿距t1卩 1.5708cm Q136
永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告
专业：电气工程及其自动化 学生姓名： 学生学号: 学生班号:
本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。 稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。 本文主要研究内容是对内置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。 分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。 关键词：内置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模
目录 永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (1) 一、研究的问题 (5) 二、研究方法 (5) 2.1 永磁电机的数学模型 (5) 2.2弱磁调速原理 (7) 2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建立 (8) 2.4 仿真结果 (11) 三、解决效果 (13) 3.1 结论 (13) 3.2感悟与体会 (13)
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析 1 引言 与传统的电励磁电机相比，永磁同步电动机具有结构简单，运行稳定；功率密度大；损耗小，效率高；电机形状和尺寸灵活多变等显著优点，因此在航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域得到了越来越广泛的应用。 随着电力电子技术的迅速发展以及器件价格的不断下降，越来越多的直流电动机调速系统被由变频电源和交流电动机组成的交流调速系统所取代，变频调速永磁同步电动机也应运而生。变频调速永磁同步电动机可分为两类,一类是反电动势波形和供电电流波形都是理想矩形波(实际为梯形波)的无刷直流电动机,另一类是两种波形都是正弦波的一般意义上的永磁同步电动机。这类电机通常由变频器频率的逐步升高来起动，在转子上可以不用设置起动绕组。 本文使用Ansoft Maxwell软件中的RMxprt模块进行了一种调速永磁同步电动机的电磁设计，并对电机进行了性能和参数的计算，然后将其导入到Maxwell 2D中建立了二维有限元仿真模型，并在此模型的基础上对电机的基本特性进行了瞬态特性分析。 2 调速永磁同步电动机的电磁设计 2.1 额定数据和技术要求 调速永磁同步电动机的电磁设计主要包括主要尺寸和气隙长度的确定、定子冲片设计、定子绕组的设计、永磁体的设计等。通过改变电机的各个参数来提高 T。本例所永磁同步电动机的效率η、功率因数cos?、起动转矩st T和最大转矩max 设计永磁同步电动机的额定数据及其性能指标如下： 计算额定数据：
(1) 额定相电压：N 220V U U == (2) 额定相电流：3 N N N N N 1050.9A cos P I mU η??== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p = (4) 额定转矩：3 N N 1 9.5510286.5N m P T n ?==g 2.2 主要尺寸和气隙长度的确定 永磁电机的主要尺寸包括定子内径和定子铁心有效长度，它们可由如下公式 估算得到： 2 i11P D L C n '= N N N cos E K P P η?'=， 6.1p Nm dp C K K AB δ α=' 式中，i1D 为定子内径，L 为定子铁心长度，P '为计算功率，C 为电机常数。 E K 为额定负载时感应电势与端电压的比值，本例取0.96；p α'为计算极弧系数， 初选0.8；Nm K 为气隙磁场的波形系数，当气隙磁场为正弦分布时等于1.11；dp K 为电枢的绕组系数，初选0.92。A 为电机的线负荷，B δ为气隙磁密，A 和B δ的 选择非常重要，直接影响电机的参数和性能，应从电机的综合技术经济指标出发 来选取最合适的A 和B δ值，本例初选为200A/cm,0.7T A B δ==。 由上式可初步确定电机的2i1D L ，但要想进一步确定i1D 和L 各自的值，还应选择主要尺寸比i1i122L L pL D D p λπτπ===，其中τ为极距。通常，中小型同步电动机的0.6~2.5λ=，一般级数越多，λ也越大，本例初选1.4。 永磁同步电动机的气隙长度δ一般要比同规格的感应电动机的气隙大，主要 是因为适当的增加气隙长度可以在一定的程度上减小永磁同步电动机过大的杂 散损耗，减低电动机的振动与噪声和便于电动机的装配。所以设计永磁同步电动 机的气隙长度时,可以参照相近的感应电动机的气隙长度并加以适当的修改。本 例取=0.7mm δ。 确定电动机定子外径时，一般是在保证电动机足够散热能力的前提下，视具 体情况为提高电动机效率而加大定子外径还是为降低成本而减小定子外径。
13调速永磁同步电机 在用户已经掌握RMxprt 基本使用的前提下，我们将一些过程简化，以便介绍一些更高级的使用。有关RMxprt 的详细介绍请参考第一部分的章节。 13.1基本原理 调速永磁同步电机的转子转速是通过调节输入电压的频率来控制的。与标准的直流无刷电机不同，这种电机不需要位置传感器。 永磁同步电机的转子上安装永磁体（有内转子与外转子之分），定子上嵌有多相电枢绕组，其极数与转子相同。永磁同步电机既可用作发电机，也可用作电动机。当电机工作在电动状态时，定子多相绕组可由正弦交流电源供电或由直流电源经DC/AC 变换来供电。当电机工作在发电状态时，定子多相绕组为负载提供交流电源。 13.1.1 定子绕组正弦交流电源供电 永磁同步电机分析方法与三相凸极同步电机相同，电机既可工作在发电状态也可工作在电动状态，通常采用频域矢量图来分析电机的特性。电机发电状态矢量图如图13.1a ，电机电动状态矢量图如图13.1b 。 发电机 b. 电动机 图13.1 同步电机相量图 图13.1中，R 1、X d 、X q 分别为定子电枢的电阻、d 轴同步电抗和q 轴同步电抗。 aq 1q ad 1d X X X X X X +=+= (13.1) 上式中，X 1为电枢绕组漏电抗，X ad 和X aq 分别为d 轴电枢反应电抗和q 轴电枢反应电抗。 以输入电压U 为参考矢量， I 滞后U 的角度为φ， 称φ为功率因数角， 则电流矢量为： ?-∠=I I (13.2) 令I 滞后E 0的角度为ψ。则可得d 轴和q 轴的电流为：
? ?????=?? ????=ψψcos sin I I I q d I (13.3) 所以： q d 1 I I -=tan ψ (13.4) 13.1.1.1 发电机模型 在图13.1a ，OM 所代表的矢量可表示为： ) j j (aq 11X X R OM +++=I U (13.5) OM 所代表的矢量可用来确定E 0的位置。 令U 滞后E 0的角度为θ，对于发电机称θ为功角，则角度ψ为 θ?ψ+= (13.6) 对于给定的功角θ，我们有； ??? ???--=????????????-θ θsin cos U U E I I X R R X 0q d q 1 1d (13.7) 求得I d 和I q 为： ? ?????--+-+=??????θθθθsin )cos (sin )cos (U X U E R U R U E X X X R 1 I I d 0110q q d 2 1q d (17.8) 功率角φ： θψ?-= (13.9) 输出电功率： ?cos UI 3P 2= (13.10) 输入机械功率： ) (Fe Cua fw 21P P P P P +++= (13.11) 式中P fw 、P Cua 、P Fe 分别为风摩损耗、电枢铜损和铁心损耗 输入机械转矩： ω1 1P T = (13.12) ω为同步角速度rad/s 13.1.1.2 电动机模型 在图13.1， OM 所代表的矢量可表示为： ) j j (aq 11X X R OM ++-=I U (13.5’)
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 -
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：
111111111 0 前言 永磁同步电机调速技术的发展得于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。脉宽调制方法(PWM和SPWM)、变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，其动态特性极其复杂，它是由一组高阶的非线性微分方程决定的，由于控制系统控制方式的复杂性，使动态特性的变化十分繁琐。所以，对调速系统特性的分析研究，最好好在着手实际系统之前，先利用计算机仿真，由仿真的各方面结果给实际系统的设计、调试等方面提供借鉴和参考。利用仿真实验对永磁同步电动机调速系统进行研究，从而为实际系统的设计提供可靠的参数。本文在仿真过程中，采用MATLAB/SIMULINK软件。
1 永磁同步电动机的数学模型 1.1 永磁同步电动机的结构和工作原理 永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速 0n 为060f n p ，f 为定子电流频率，p 为电动机极对数。 永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、永磁磁钢及磁辘等部分组成.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。永磁同步电动机的定子与绕线式的定子基本相同。但可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嵌入在转子轴的内部，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。 图2-1 永磁转子结构（两对磁极） Fig.2-1 Permanent magnetism rotor structure 为了使永磁同步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，使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。
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
永磁同步电机弱磁控制方法 摘要：永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求，对其进行弱磁控制并拓宽调速范围有着重要意义。本文针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负id 补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法,分析了各方法的原理及特点，得出以电压为控制对象的弱磁方法具有一定发展前景的结论。 关键词：永磁同步电机；弱磁控制；内置式永磁同步电机；矢量控制 The Field Weakening Control Strategy of Permanent Magnet Synchronous Motor Abstract: PMSM because of its high power density, high reliability and high efficiency characteristics, at a higher speed requirements of electric vehicle drive system has been widely used. PMSM weakening control technology must be used to meet the needs of a wide speed range . And because of its salient pole effect, it is of great significance to broaden the scope of the weak magnetic field of IPMSM. In this paper, the commonly used weakening control method of PMSM are reviewed.Based on the different control object,we classify the weak magnetic control method, and introduces in detail the negative id compensation method, look-up table method, gradient descent method, current angle method, single current regulator method that is used commonly at present, analyzes the principle and characteristics of each method.Finally, we conclude that voltage control field weeking method has development prospects . Key words: PMSM; the field weaking control; IPMSM;FOC 1引言 永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)由于其高功率密度、高可靠性和高效率等特点，在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用[1, 2]。永磁同步电机必须采用弱磁控制技术以满足宽转速范围的调速需求。永磁同步电机弱磁控制的思想来自对他励直流电机的调磁控制，对永磁同步电机弱磁控制的研究始于20 世纪80 年代中期[3, 4]。并于90 年代初形成了完善的弱磁理论[5]。内置式永磁电机结构简单、鲁棒性高、造价低。对内置式永磁电机进行弱磁控制并拓宽弱磁范围有着重要意义[6]。由于永磁同步电机的励磁磁场是由永磁体产生，在转速要求较高需要弱磁运行的场合难以实现，在某些应用场合受到限制。因而研究永磁电机的弱磁扩速问题，无论是从控制角度还是本体结构的合理设计选取的角度，一直是国内外学者研究解决的热点[7]。所以有必要对现有的永磁同步电机弱磁控制方式进行综合分析研究。本文将针对现在常用的几种永磁同步电机弱磁控制方法进行综述。文中基于控制对象的不同，对弱磁控制方法进行分类，并详细介绍了目前比较常见的负i d补偿法、查表法、梯度下降法、电流角度法、单电流调节器法等方法。 2 永磁同步电机弱磁控制研究现状 2.1永磁同步电机控制技术的研究现状 近二十年多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电机调速传动系统仍以采用矢量控制的为多。 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。从式(1)可以看出，当永磁体的励
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
永磁同步电动机PW M变频调速系统 的建模与仿真 夏玲(黄石建筑设计研究院第4所,湖北黄石435001) 摘 要:介绍了PW M控制技术的特点,并在MAT LAB环境下,构造永磁同步电动机PW M控制的仿真模型。通过对永磁同步电动机的动态过程进行仿真,分析永磁同步电动机采用PW M控制技术的瞬态运行特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。同时,也验证了仿真模型的正确性。 关键词:永磁同步电动机;仿真;PW M Modeling and Simulating of PWM Frequency I nverter System for I nterior Permanent Magnet Synchronous Motor XI A Ling(Huangshi Institute of Architectural Design&Research,Huangshi Huibei,435001,China) Abstract:T his paper introduces the characteristics of PW M control technology,and it found the simulating m od2 el for interior permanent magnet synchron ous m otor PW M control in M A T LA B environment.Via the simulation of dynamic process for interior permanent magnet synchronous m otor,it analyzes the instan2 taneous characteristics and change law of PW M control technology for interior permanent magnet syn2 chron ous m otor.And the validity of the simulation m odel is tested and verified via the simulations. K ey w ords:interior permanent magnet synchronous m otor;simulation;PW M 1 前言 永磁同步电动机转子使用永磁材料励磁,使电动机的体积和重量大大减小,电机结构简单、维护方便、运行可靠、损耗较小,效率和功率因数都比较高。然而,永磁同步电机存在启动困难、失步等缺点,变频调速技术的应用能很好地解决这些问题。同步电机控制系统常见有如下几种: (1)无换向器电机控制系统 采用交-直-交电流型逆变器给普通同步电机供电,整流及逆变部分均由晶闸管构成,利用同步电机电流可以超前电压的特点,使逆变器的晶闸管工作在自然换相状态。同时检测转子磁极的位置,用以选通逆变器的晶闸管,使电机工作在自同步状态,故又称自控式同步电机控制系统。其特点是直接采用普通同步电机和普通晶闸管构成的系统,容量可以做得很大,电机转速也可做得很高,如法国地中海高速列车即采用此方案,技术比较成熟。其缺点是由于电流采用方波供电,而电机绕组为正弦分布,低速时转矩脉动较大。 (2)交—交变频供电同步电机控制系统 逆变器采用交—交循环变流电路,由普通晶闸管组成,提供三相正弦电流给普通同步电机。采用矢量控制后可对励磁电流进行瞬态补偿,因此系统动态性能优良,已广泛应用在轧机主传动控制系统中。其特点是容量可以很大,但调速范围有一定限制,只能从同步速往下调。 (3)正弦波永磁同步电机控制系统 电机转子采用永磁材料,定子绕组仍为正弦分布绕组。如通以三相正弦交流电,可获得较理想的旋转磁场,并产生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技术使d轴电流分量为零,用q轴电流直接控制转矩,系统控制性能可以达到很高水平。缺点是需要使用昂贵的绝对位置编码器,采用普通增量式码盘实现上述要求虽有一些限制,但采取一定措施后仍是可能的。目前研究的重点放在如何消除齿谐波及PW M控制等造成的转矩脉动。 (4)方波永磁同步电机控制系统 又称为无刷 74 2004年第4期 电机电器技术 计算机与自动控制
永磁同步电机弱磁调 速
永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 专业：电气工程及其自动化 学生姓名： 学生学号: 学生班号:
摘要 本篇论文是从阅读文献报告的角度来解读论文的。 稀土永磁同步电机早在上世纪七十年代就开始出现，现在已被广泛使用，其具有重量轻、体积小、效率高、弱磁扩速能力强等一系列优点，成为航空、航天、武器装备、电动汽车等领域重要发展方向。由于永磁同步电机磁场结构复杂，使得计算准确度差，磁极形状与尺寸的优化，调速性能等都是永磁电机设计的难点。这些年来，如何提高永磁同步电机恒功率调速比的问题是研究的重点，永磁电机及其驱动器的设计成了电机领域研究的热点课题。 本文主要研究内容是对内置式永磁同步电机设计及弱磁性能的研究。 分析永磁同步电机(PMSM)数学模型的基础上，通过阐述弱磁调速的控制原理，提出了一种基于电流调节的PMSM定子磁链弱磁控制算法，有效地拓宽了恒功率调速比。并在Matlab/Simulink环境下，构建了永磁同步电机弱磁控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该控制系统模型的有效性，恒功率调速比达到了4： 1，为永磁同步电机弱磁调速控制系统的设计和调试提供了理论基础，有一定的实际工程价值。 关键词：内置式；永磁电机；弱磁控制；电流跟踪算法；仿真建模
目录 目录 永磁同步电机弱磁调速控制文献阅读报告 (2) 一、研究的问题 (5) 二、研究方法 (5) 2.1 永磁电机的数学模型 (5) 2.2弱磁调速原理 (7) 2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系统仿真模型建 立 (8) 2.4 仿真结果 (11) 三、解决效果 (13) 3.1 结论 (13) 3.2感悟与体会 (13)
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。
实验报告 课程名称电力拖动与运动控制系统 实验项目名称永磁同步电机速度控制实验实验学生班级 实验学生姓名 实验时间 实验地点七号楼3 实验成绩评定 指导教师签字 2011年12 月20 日
永磁同步电机速度控制实验 一．实验目的 1．了解正弦波永磁同步电机的驱动器的接口和常用参数的设定 2．掌握正弦波永磁同步电机调速系统起动过程转速与电流的关系 3．掌握正弦波永磁同步电机调速系统过程中P、I调节的作用。二．实验原理 当给定速度的大小和方向改变时，调速系统和转速也会发生相应变化，而当负载发生变化时，转速应基本保持不变。这是因为速度闭环，通过速度给定信号与速度反馈信号的比较，由此得到的偏差进行PI调节，起到抵抗扰动的作用，从而保证系统的转速基本不变。速度控制希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启动、制动性能。 三．实验步骤 a)熟悉伺服电机与驱动器的型号、接线以及控制接口。 b)启动计算机，打开启动器电源，打开安川伺服驱动串口通信软件(SisMa软 件)，在软件中点击search按钮找到驱动器的编号：SGDM-10ADA，在点击connect按钮，这样SigMa软件和交流伺服驱动器就连上了。 c)在SigMa软件里我们可以点击parameters菜单，再点击edit parameters 菜 单，选择Pn000参数的第一位设成“0”，为速度控制(模拟量指令)，这时候我们可以打开实验箱上使能的开关，再旋动速度给定的定位器旋钮，这时候伺服电机开始旋转起来，定位器接的是-5V~+5V，当运行在0~-5V的时候电机逆时针旋转，运行在0~+5V的时候电机顺时针旋转。 d)点击SigMa软件的tarce&turning菜单下的trace单，进入setup窗口，在 data1和data2选择需要跟踪的信号，我们选择Feedbak Speed 和Speed Prference两个，在右边的Sampline time 为250*10ms，然后点击Start按钮，在采集信号的时候，实现伺服电机的两次启动，等信号传到软件中，我们可以进行分析。 e)前面第4步是选的默认参数，现在我们改变速度参数，Pn100：速度环增 益和Pn101：速度环积分时间常数，再重复第四步的动作。把系统改变参