天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education
毕业设计
专业：自动化
班级学号：自0902-11
学生姓名：林建平
指导教师：韩春晓教授
二〇壹叁年六月
天津职业技术师范大学本科生毕业设计
滑模控制永磁同步电动机调速系统Sliding Mode Control for PMSM Drive System
专业班级：自0902
学生姓名：林建平
指导教师：韩春晓教授
学院：自动化学院
2013年6月
摘要
对于转子直流励磁的同步电动机，若采用永磁体取代其转子直流绕组则相应的同步电动机就成为永磁同步电动机。而永磁同步电动机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动系统和直流电机的更新替代电机。由于永磁同步电动机对内部振动很敏感，所以引入了滑模变结构控制控制策略（SMC）以提高系统的鲁棒性。本文给出了一种变参数SMC方法，对SMC控制器进行设计并对其仿真和实验研究，该方案设计的SMC控制器表达式和PI控制一样简单，结果证明所设计的SMC控制器能有效的提高系统的鲁棒性和动态性。
关键词：PI控制；永磁同步电动机；SMC控制；鲁棒性
ABSTRACT
For synchronous motor rotor DC excitation, synchronous motor with permanent magnet rotor if replaced the DC winding corresponding becomes the permanent magnet synchronous motor. The permanent magnet synchronous motor has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency, high power factor, advantages, mainly for fast response, wide speed range, accurate positioning and high performance servo drive system and DC substitute motor. Permanent magnet synchronous motor is very sensitive to the vibration, so the sliding mode variable structure control strategy (SMC) to improve the robustness of the system. This paper presents a method of variable parameters SMC, SMC controller is designed and the simulation and experimental study on SMC expression and PI controller, control the design as simple, results show that the designed SMC controller can improve system robustness and dynamic performance effectively.
Key Words：PI control, Permanent magnet synchronous ,Sliding mode control, Robustness
目录
1 引言 (1)
1.1永磁同步电动机的发展概况和发展前景 (1)
1.2永磁同步电机控制系统的发展历程 (1)
1.3滑模控制永磁同步电动机的概述 (2)
2永磁同步电动机的数学模型和工作原理 (4)
2.1永磁同步电动机稳态方程 (4)
2.2永磁同步电动机的双反应理论 (5)
2.3永磁同步电动机的等效电路 (6)
2.4永磁同步电动机的损耗和效率 (7)
2.5永磁同步电动机的数学模型 (8)
3控制器的设计 (11)
3.1滑模变结构控制的基本定义 (11)
3.2滑模变结构控制系统的原理和设计方法 (12)
3.3滑模变结构控制的特点 (13)
3.4 SMC控制器的设计 (14)
3.5稳定性分析 (15)
3.6 SMC控制器与PI控制器的比较 (16)
4仿真和实验研究 (18)
结论 (21)
参考文献 (22)
致谢 (24)
1 引言
1.1永磁同步电动机的发展概况和发展前景
近年来，随着电力电子技术的新型电机控制理论和稀土永磁材料，永磁同步电机的快速普及和应用的快速发展。与传统的电励磁同步电动机相比，永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机损耗少，效率高，节能效果明显。用永久磁铁激磁的永磁同步电机的，电机的结构比较简单，降低加工和装配的成本，并且消除了需要容易出错的集电环和电刷的电动机的操作，提高了可靠性，因为需要电流的励磁损耗，提高电机的效率和功率密度，所以它是在最近几年的研究，越来越被广泛应用在各个领域的电动机。在能源节约和环境保护日益受到重视，他们的研究是非常必要的。
所述交流电动机的速度控制系统的数学模型是一个高层次，多变量，非线性，强耦合系统的主要组成部分的一个，通过一系列的假设和坐标变换，我们得到一个相对简单的数学模型，交流变频调速系统数学模型，但模型不能准确反映速度控制系统的暂态过程，使传统的线性调节规律的交流驱动系统有一定的局限性。大多数传统的永磁同步电机控制器采用PI调节器，PI控制算法是简单的，能够在一定范围内，以满足控制要求，但需要精确的数学模型。外部干扰和内部扰动的不确定性在实际应用中，传统的PI控制器难以满足高性能控制的要求，它是难以得到满意与州长性能的定位，系统的鲁棒性不理想。现代控制理论的发展，永磁同步电机的高性能控制器实现提供了可能性，但该控制方法的复杂性限制了它的广泛应用。
1.2永磁同步电机控制系统的发展历程
永磁同步电机控制技术的不断发展，控制技术应用的逐渐成熟，如SVPWM SVM-DTC，DTC，MRAS方法在实践中应用。然而，在实际应用中，各种控制策略存在一些缺点，如低速特性是不理想的，过度依赖电机参数，等等，因此，研究存在的问题，在控制策略有很大的意义。
在1971年，德国学者交流电机矢量控制的新思路，新理论和新技术，它出现交流电机控制技术，具有非常重要的意义。因为向量变换的AC构成一个面向外地的闭环控制系统，与直流系统的控制性能。然后，电力电子技术，微电子技术，计算机技术和永磁材料科学，矢量控制技术，快速的应用程序开发和推广。机电能量转换，电机统一理论的发展空间矢量矢量控制理论的基础上，首次应用三相异步电动机，并很快扩展到三相永磁同步电动机。由于三相感应电动机正在运行时，热量将导致在转子的转子参数的变化，同时观察在转子的转子磁场的依赖关系中的参数，从而使磁场的
转子，使控制的实际效果是很难实现的理论结果的分析，这是矢量控制方法的不足之处，是难以精确地观察到。永磁同步电机转子的永久磁铁固定的参数，被广泛应用于永磁同步电机矢量控制的低功耗和高精度的场合。随后，在1985年，由德国鲁尔大学教授首次提出了直接转矩控制理论，然后扩展到磁电式转速范围。相比，矢量控制技术，矢量控制三相异步电机直接转矩控制特性易受电机参数变化的影响，在很大程度上解决这个问题。直接转矩控制的诞生，一个新的控制自己的思想，简明的系统结构，优良的静态和动态性能的普遍关注，并得到了快速发展。成功的技术，大功率交流传动电力机车牵引。德国，日本，美国都在争先恐后地开发这项新技术。
20世纪90年代，随着微电子技术和计算机控制技术的发展，高速，高集成度，低成本的微处理器被释放和商业化，全数字式交流伺服系统。计算机控制使电机的转速性能已大大提高，可以实现复杂的矢量控制和直接转矩控制，大大简化了硬件，降低成本，并提高了控制精度，但也有保护显示，故障监测，自诊断，自我调试和自复位功能。此外，改变控制策略，这一修正案，容易控制参数和模型，从而大大提高了系统的灵活性，可靠性和实用性。近年来，国家的最先进的数控交流伺服系统，有几家公司已经推出了专门用于电机控制芯片。可以快速完成系统的速度环，电流环和位置环精度快速调整和复杂的矢量控制，以确保算法，用于电机控制，矢量控制，直接转矩控制，神经网络控制高速，高精度完成。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，观察控制和状态观测器，线性二次积分控制和模糊智能控制等新的控制策略不断涌现，更广阔的前景。因此，高性能的数字信号处理器，数字式交流永磁伺服智能控制系统，交流伺服系统是一个重要的发展方向。
1.3模控制永磁同步电动机的概述
滑模变结构控制在20世纪50年代，前苏联学者Utkin和Emelyanov变结构控制的概念，研究对象：二阶线性系统。在20世纪60年代，研究对象：高阶线性单输入单输出系统。专注于高阶非线性系统线性切换功能限制和不受限制的二次开关功能的控制下。 1977年：发表评论Utkin纸变结构控制，变结构控制系统VSC和滑模控制SMC。从那时起，来自不同国家的学者开始研究多维滑模变结构控制系统的规范空间扩展到更普遍的状态空间。中国学者首次提出了高兵元氏达到法律的概念，首次提出的概念分层的自由。滑模控制系统的参数摄动和外部干扰的不变性量来控制高频抖的价格。近年来，研究人员尝试SMC应用于各类电机位置伺服系统，研究表明，它可以有效地提高随时间变化的非线性摩擦和负载，从而提高系统的鲁棒性，一些学者已经开始探索永磁同步电机SMC技术，调速系统为永磁同步电机位置传感器速度控制系统，提高精度的速度观察员。 SMC永磁同步电机直接转矩控制和相关的实验证明，SMC可以改善直接转矩控制电流磁通和转矩脉动。ü罢工与S＆形式趋近律，接近自
然法则，以满足的s＆<0的稳定性条件得到控制量u的接近法，以满足工程变更参数。速度环和电流环矢量控制的永磁同步电机调速系统设计一个SMC调节，有研究表明，系统的鲁棒性和可塑性已大大提高，但由于时间常数的电气和机械系统时间不一致恒定电流环和速度环设计使调试参数的选择比较困难，不容易达到。趋近律和内部模型控制施加到永磁同步电机的驱动系统，但只有仿真波形。趋近律滑模永磁同步电机速度控制系统的有效性进行验证的模拟分析和实验研究。
从实用的角度来看，基于矢量控制的永磁同步电机调速控制系统的特点，SMC控制器设计的一个简单实现。首先选择第一滑动面，状态反馈的SMC控制模式，选择，然后积分器输出控制过滤器，SMC控制器和PI控制的最终设计表达就是这么简单。该方法适用于矢量控制的永磁同步电动机的控制系统，与传统的PI控制系统的研究和比较，在相同条件下。理论，仿真和实验结果表明，SMC控制器的设计可以大大提高系统的鲁棒性，快速，有效地提高电机的永磁同步电机的数学模型的动态和静态特性和工作原理
2 永磁同步电动机的数学模型和工作原理
2.1永磁同步电动机稳态方程
电动机稳定运行于同步转速时，根据双反应及理论可写出永磁同步电动机的电压方程。
.....
10111d q ad aq U E I R j I X j I X j I X =++++
=.....01111d q ad aq E I R j I X j I X j I X ++++ （2-1） 式中 0
E ——永磁气隙基波磁场所产生的每相空载反电动势有效值； U
——外施相电压有效值； 1
I ——定子相电流有效值； 1R ——定子绕组相电阻；
ad X 、aq X ——直交轴电枢反应电抗；
1X ——定子漏抗；
d X ——直轴同步电抗，1d ad X X X =+； （2-2）
q X ——交轴同步电抗，1q aq X X X =+； （2-3）
d I 、q I ——直、交轴电枢电流
11sin cos d q I I I I ψ
ψ== （2-4）
ψ——1I 与0E 间的夹角，称为内功率角，1I 超前0
E 时为正。永磁同步电动机的电压方程，可以得出在不同的稳定状态下运行的几个典型的向量图，如图2所示，E δ为气隙合成基波磁场所产生的电动势，称为气隙合成电动势；d E 为气隙合成基波磁
场直轴分量所产生的电动势，称为直轴内电动势；θ为U 超前0
E 的角度，即 功率角，也称为转矩角；?为电压U 超前定子相电流1
I 的角度，即功率因数角。图2.1 a ）、b ）、c ）中的电流1I 均超前于空载反电动势0
E ,直轴电枢反应均为去磁性质，导致电动机直轴内电动势d E 小于空载反电动势0E 。图2e ）中电流1I 滞后于0
E ，此时直轴电枢反应为增磁性质，导致电动机直轴内电动势d E 大于空载反电动势0
E 。
a ）
b ）
c ）
d ）
e ） 图2-1 永磁同步电动机的几种典型向量图
图2-1 d ）所示的是直轴增、去磁临界状态（1I 与0
E 同相）下的相量图，由此可列出如下电压方程:
0111c o s s i n q
U E I R U I X θθ=+= （2-5） 从而可以求得直轴增、去磁临界状态时的空载反电动势：
220111
()q E U I X I R =-- （2-6） 2.2 永磁同步电动机的双反应理论
在各种的永磁同步电动机的磁路结构，在另外的外表面的凸转子磁路结构，由于永磁材料和铁磁材料的磁导率的差异过大，从而导致在非对称磁路，所以他们在电性能上是所有凸极转子[4]。因此，沿电枢（转子）的每单位面积相同，如图2.2所示的圆周气隙磁导的点。因为这些更改转子磁极的轴线，和周期的电气角为180°的空间是对称的，因此，高次谐波被忽略，直轴的坐标原点时极，磁导率的表达可近似为： 02cos 2λλλα=+ （2-7）
式中 0λ——磁导的平均值；
2λ——磁导的二次谐波幅值；
α——为沿电枢表面的电角度。
图2-2 凸极永磁同步电动机转子磁导空间分布
使用双反应理论分析方法摆脱与磁动势作用位置的磁导率的变化而变化的现象，从而使永磁同步电动机微分方程中的电感（电感和磁导成正比）不再是转子位置的函数，为常系数线性微分方程的永磁同步电机的数学模型的建立奠定了基础。在转子磁场定向的转子巧合，直轴，d 轴和转子交叉轴和q 轴的定向轴恰好重合，如此建立的永磁同步电机的数学模型是很简单的。
2.3永磁同步电动机的等效电路
如图2.3所示，直轴或d 轴与永磁磁极的磁链矢量f ψ 的轴线重合，这样交轴将与合成反电动势矢量f V 的轴线重合。反电动势f V 的幅值可简单表示为：
图2-3 d 轴与转子磁链方向重合的同步旋转坐
标系中电动机的基本矢量关系：
f r f V p ωψ= （2-8）
三相正弦激励电流也可表示为一个瞬时电流矢量s i ，它由d 轴与q 轴上的标量d
i 及q i 组成，定子供电电压矢量s u 也用类似的方法表示。对直轴和交轴可求得等效电路，
如图2-4所示：
a ）电动机的d 轴等效电路
b ）电动机的q 轴等效电路
图2-4 同步旋转坐标系中永磁同步电动机d-q 轴等效电路
1()ds d md d md f L L i L I ψ=++
1()qs q wq q L L i ψ=+ （2-9）
2.4 永磁同步电动机的损耗和效率
永磁同步电动机稳态运行时的损耗包括以下四项：
(1)定子绕组电阻损耗
电阻损耗)(W p cu 可由下面公式计算：
121R mI p cu = （2-10）
(2)铁心损耗
永久磁铁同步电动机的电动机使用的硅钢板的材料的铁损，也可与电动机的工作温度中的大小变化，负载的变化。这是因为电机的温度和负载的变化导致的工作点的变化的永久磁铁电动机中，定子齿的磁通密度，磁轭部也发生变化，从而影响了电机的铁损。工作中，温度越高，更大的负载，定子齿，较小的磁通密度的磁轭部，较小的铁损的电机。
(3)机械损耗
永磁同步电动机的机械损失及其他电机，轴承，润滑油，冷却风扇和电动机组件的质量，机械损失可以计算根据测量值或参考其它电机的机械损失。
(4)杂散损耗
永磁同步电机的杂散损耗，没有一个准确的计算公式一般是根据实际情况和经验。随着负载的增加，电机的电流值增加，大致正比于电流平方的杂散损耗。当最后的电子电流，电机的杂散损耗（W ），可以近似计算：
sN N
s p I I p 21)(= (2-11) 式中 N I ——电动机的额定相电流(A)；
sN p ——电动机输出额定功率时的杂散损耗(W)。
永磁同步电动机的功率流程如图2.5(a)所示：
a)永磁同步电动机 (b)异步电动机
图2-5 PMSM 与IM 功率流程图
永磁同步电动机一般将极弧系数设计得较大，因此在相同的δE 或电压U 时，δΦ相同，δB 较小，铁损耗比异步电动机小[5]。
2.5永磁同步电动机的数学模型
当永久磁铁同步电动机的定子通入三相交流电，三相电流在定子绕组中的电阻电压降。的旋转所产生的三相交流的磁场的电枢和创建，一方面，切割定子绕组和定子绕组中产生的感应电动势的电枢的磁力;另一方面，电磁力拖动旋转的转子的同步转速。电枢电流将产生只有一个与定子绕组相交链绕组的漏磁通的定子，在定子绕组中感应漏极产生的电动势。此外，所述转子的永久磁铁所产生的磁场的同步速度的切割定子绕组。导致无负载电动势。为了便于分析，建立的数学模型，假设以下参数：①忽略电动机铁心的饱和 ②没有考虑到在电机的涡流和磁滞损耗，③定子和转子磁动势产生的磁场沿着圆的字段根据在定子内的正弦分布，即忽略所有的磁场的空间谐波;④各相绕组对称，即各相绕组的匝数，取得了多项研究。 ⑤滑模控制的永磁直线同步电机的固定边界层滑模控制技术求取控制量（U ）MSAT 功能[6] H ∞鲁棒控制和滑模控制相结合，以提高永磁直线同步电机，等效控制律的鲁棒性罢工一个U [7] SMC 参数具有相同性，相互间相对位移轴相同的电角度。
相当于磁场的角度来看，该模型的三相永久磁铁同步电动机的电压在三相绕组的两相绕组上的电压方程简化方程可以看出，输出的电磁转矩和电流，以及与它相关的是必要的，以控制电机的输出转矩控制，频率，幅度和相位，从而使所述电动机控制还是很方便的。为了便于在d-q 坐标系中的数学模型转化为控制。
如上面所描述的一样，使用的旋转体，以建立旋转磁场。两个DC 绕组被放置在所述旋转体和成直流源，让所述旋转体旋转的圆形旋转磁场可以得到的特性的旋转磁场的旋转磁场的特性是相同的，它可用于永磁同步电动机的转子的d-q 坐标系，我们认为这后者的效率。由于旋转磁场的等效， - 坐标电机的数学模型可以进一步转换
成电机的数学模型下的旋转坐标系（d-q ）。即有：
[][]
??????=??????=βα2βαq d 4q d I I N F F I I N F F F (2-12)
(N 2、N 4为对应绕组匝数)
β
M ωr
M M
+--++-
d M
+-
α
q
图2-6 PMSM d-q 坐标系
按照建立d-q 坐标系，如图2-6，d-q 轴的旋转角频率为r ω，d 轴与α轴的初始位置角为Ψ，选取d 轴与转子主磁通方向一致，即0=Ψ，由式(2-13)和式(2-11)，可得到d-q 坐标系下永磁同步电机的数学模型：
??????+????????????+--+=??????10r r q d q s r
d r d d s q d ΨI I pL R L L pL R U U ωωω (2-13)
其中：d U 、q U 、d I 、q I 为d-q 坐标系下定子电压、电流； d L 、q L 为d -q 坐标系下定子等效电感。
将式(2-13)转化为电流形式：
??????????-+?????????????????
?+????????????+--+=????????????q r r q d d d q d q s r d r d d s q d 01001L ΨU U L L I I pL R L L pL R dt dI dt dI ωωω (2-14)
磁链方程：
???+==r
d d d q q q ΨL L ΨL L Ψ (2-15)
转矩方程：
)(2
3)(23αββαp d q q d p e I ΨI Ψn I ΨI Ψn T -=-= (2-16)
运动方程：
dt
d n J B T T r p r L
e ωω=
-- (2-17) 其中：L T 为电机负载转矩；
B 为电机阻尼系数；
J 为电机转动惯量。
其他方程：
L p r q r 2p r 23T J
n L B I J n dt d ---=ωψω (2-18) r ωθ=dt
d (2-19) 由式(2-14)可知，在d-q 坐标下对永磁同步电机的控制只需对d I 、q I 进行控制即可，这大大简化了控制方法，而永磁体的磁链幅值恒定不变，采用0d =I 时的控制方案，控制最为简单，此时由式(2-16)知电机的电磁转矩只与q I 有关，即控制q I 的大小即可实现对转矩的控制。另外，对于永磁同步电机，d L 和q L 通常相差不大，因此可以近似认为L L L ==q d 。
3 控制器的设计
3.1滑模变结构控制的基本定义
变结构控制VSC 是一类特殊的非线性控制方法，在上世纪五十年代由苏联人Ukin 首先提出。变结构控制系统主要包括切换模态变结构控制、沿退化轨迹运动模态变结构控制和滑模变结构控制。其中，前两种构造变结构控制系统仅适用于具体的二阶系统中，这就限制了其发展。只有滑模变结构控制理论得到了广泛的发展和应用，它与常规控制策略的根本区别在于控制会呈现出不连续性，又被称作是系统“结构”随时间变化的开关特性。
滑模控制(sliding mode control, SMC)也叫变结构控制，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态（如偏差及其各阶导数等）有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得滑模控制具有快速响应、对应参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、物理实现简单等优点。
滑模变结构控制的定义如下：
在如下的状态空间中
)(x f x
= *R x ∈ 有一个切换面（又称超曲面）,0),....,,()(21==n x x x s x s 它将状态空间分成上下两部分。系统的状态在到达切换面附近时，其运动会有以下三种情况：
① 穿越切换面上的一点（点A ）
② 从切换面上的一点离开（点B ）
③ 从切换面的两边趋向于一点（点C ）
通常情况下，将切换面上的这三种点称为常点，起点和止点，其中前两种点不会产生滑动模态。而止点对系统的性质而言是有着特殊含义的，因为若是在切换面上某一区域内所有的点都是止点，并且该系统只有原点是平衡点那么一旦有运动点趋近这个区域，就被吸引在该区域上运动，并且沿着切换面向平衡点运动。那么，就称沿切换面s(x)=0的运动为滑模运动或称滑动模态。所有止点的区域为滑动模态区。
图3-1
3.2 滑模变结构控制系统的原理和设计方法
滑模变结构控制的原理，是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性。超平面的设计方法有极点配置，特征向量配置设计法，最优化设计方法等，所设计的切换超平面需满足达到条件，即系统在滑模平面后将保持在该平面的条件。控制器的设计有固定顺序控制器设计、自由顺序控制器设计和最终滑动控制器设计等设计方法。
图3-2给出了滑模变结构系统的状态的运动过程。沿着运动的方向，B至A这一阶段为正常运动，对应的状态全部位于切换面以为或做了有限次的穿越。由A至O 这一阶段运动点已经完全位于切换面的滑动模态区域之内。
但是，上述两段运动是相互独立的，不可能一次性得到整个运动过程的控制规律。以下内容讨论了两段运动对应控制律的设计方法。
①寻求具有以下变结构控制形式：
其中，使得切换函数以为的状态能够在有限时间内到达滑模面。这样的运动称为趋近模态或趋近运动，如图3-2所示。
图3-2
②确定切换函数向量
对切换函数向量而言，一般情况下其维数与控制的维数相等。在切换面上存在滑动模态区，当系统运动于滑模面上时，系统的阶次降低，滑动运动会渐进稳定，动态品质良好。
3.3滑模变结构控制的特点
滑模变结构控制所具有的特点异于一般常规控制方法，这使得滑模变结构控制已被广泛用于控制理论及实际工程。
简单的说，滑模变结构控制的主要特点如下：
滑模控制的特点是能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性, 尤其是对非线性系统的控制具有良好的控制效果。由于变结构控制系统算法简单 , 响应速度快 , 对外界噪声干扰和参数摄动具有鲁棒性，在机器人控制领域得到了广泛的应用 , 也有学者将滑模变结构方法应用于空间机器人控制。变结构控制作为非线性控制的重要方法近年来得到了广泛深入的研究 ,其中一个重要的研究分支是抑制切换振颤 ,这方面已取得了不小的进展，提出了等效控制、切换控制与模糊控制的组合模糊调整控制方法,其中等效控制用来配置极点 ,切换控制用来保证不确定外扰存在下的到达过程 ,模糊调整控制则用来提高控制性能并减少振颤.研究了一类非线性系统的模糊滑模变结构控制方法 ,设计了滑模控制器和 PI控制器的组合模糊逻辑控制器,充分发挥了各控制器的优点.提出了基于有限时间机理的快速Terminal 滑模控制方法并给出了与普通 Terminal 滑模控制性能的比较.设计了针对参数不确定与外干扰的非奇异 Teminal 滑模控制方法 ,并提出了分等级控制结构以简化控制器设计.上述这些方法在实际系统中虽然得到了有效应用，但无论是自适应滑模控制还是模糊神经网络控制 ,均增加了系统复杂性与物理实现难度.显然,寻找具有良好效能并易于实现的控制
3.4SMC 控制器的设计
SM C 是基于控制平面的，其基本思路是，从任何角度的状态轨迹控制作用引
导滑动面，同时确保滑动面的运动是渐近稳定的，也就是说，滑动的模态。 取系统的状态变量为
???-==-=*w x x w w x 12
1
式中 w ＊——给定转速
w ——实际转速
结合方程（2）、（3）得
???
????-=-=??????--=-=q a L q a i J p w x T i p J p w x ψψ23232
21 (5) 令J
pT F J p a L a =ψ=`232 可得系统的状态空间表达式
112201000x x U x
x a ????????=+ ? ? ? ?-???????? (6)
为了使系统无超调地达到稳定，选择一阶滑模面
21cx x s += (7)
2211x x U ??+= (8)
选择所有的状态变量反馈SMC 控制模式，控制输出形式和PD 控制表达式类似
由滑模运动的可达性条件 s
s ＜0 ： 解得
0])1[()(112221<--=+=s x ac x ac s x c x s
s ??
????
????????????<->=???<->=ac ac 1100222111βα?βα? 00002211<><>s x s x s x s x (9) 最后，通过一个积分器的控制输出。一方面，由于非线性控制系统的抖振现象存在，积分滤波器的输出可以削弱抖振。另一方面，输出不可分割的一部分，以消除稳态误差。
由上可获得最终控制量 i q ，其中φ1、φ2 按式（9）
取值
??
? ??+=+=111212111)(1x s x x x s i q ???? (10) 3.5 稳定性分析
由于到达阶段和滑动模式中，运动阶段的动态过程，一旦它们到达的阶段的方法，并进入滑动模态，以确保稳定的滑动模式中，运动阶段，系统的稳定性可以得到保证。
利用 Lyapunov 稳定性理论分析。取 Lyapunov 函数
22
1)(s x V = 0≠s (11) 对其求导得
s s x V
=)( 0≠s (12)
由于 SMC 的可达性条件为 s s ＜0，故能保证V (x ) ＜0，即能保证系统进入滑
动模态。
一旦进入滑模面（s =0），系统即进入滑模控制状态。结合系统状态方程（6），得 SMC 下系统的运动微分方程
011=+x
c x (13)
解此方程得
c
t e C w w x -*=-=01 (14)
式中，C 0 为常数。t →∞时，x 1 沿指数趋于零，无过冲速度跟踪，系统是稳定的。在这种情况下，系统的质量由参数c 的开关接触面是完全确定的，该系统的内容
. . . . 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。
永磁交流同步电机矢量控制理论基础 0、失量控制的理论基础是两个坐标系变换，这是每一个学习过交流调速的人应 该熟记的两种变换。介于目前市面上流行的各类书籍的这一部分总有些这里那里的问题（也就是错误）。为了自己不被误导，干脆自己推导一边，整理如下。所有的推导针对3相永磁同步电机的矢量控制。 1、永磁交流同步电机的物理模型。 首先看几张搜集的图/照片，图1~7： 现分别说明如下： a.图1~3可以看出电机定子的情况。我和大家都比较熟悉圆圈中间加个“叉” 或者“点”的定子，通过这几张图应该比较清楚地认识定子的结构了。 b.图1中留出4个抽头，其中一个应该是中线，但是，在伺服用的永磁同步 电机，只连接3根线的。 c.图2是一个模型，红蓝黄三色代表三相绕组，在定子齿槽中上下穿梭，形 成回路的。 d.定子绕线连接可以从图7很清楚地看到，从A进入开始，分别经过1（上）， 7（下），2（上），8（下），14（上），8（下），13（上），7（下），
13（上），19（下），14(上)，20（下），2（上），20（下），1（上）， 19（下）然后到X。一相绕组经过8个齿槽，占全部齿槽的1/3，每个齿 槽过两次，但每次方向是相同的。最后上上下下的方向如同图6所示。 e.三相绕组通电后，形成如同图6所示的电流分布，每相邻的6根是电流同 方向的。这样，如果把1和24像纸的里面拉，将这一长排围城一个圆， 则，1和7之间向里形成N（磁力线出）极的中心，12和13之间形成S （磁力线入）极的中心。这里，个人认为图6中的N、S分段有些错误， 中心偏移了，不知道是不是理解错误，欢迎指正，这图是我找的，不是我 画的，版权不属我：）。 f.同极磁场的分布有中心向两侧减弱的，大家都说是正弦分布，我是没分析 过，权且认同吧，如图5所示。 g.如图1同步电机的运转就是通过旋转定子磁场，转子永磁磁极与定子的磁 极是对应的N、S相吸，可以同步地运行。 h.实际电机定子槽数较多，绕线方式也有不同。旋转磁场的旋转是通过如图 6中的一个磁极6个齿槽一起向右/左侧移位 2、永磁同步电机数学模型 这才是本文的重点。学习这部分，先不要考虑电机，直接死记两种变换。 这两个变换都是定子侧的电流旋转，旋转的原则是，不论怎么变换都是其实都是一种假想的坐标系，一种变换游戏，都只有原始的三相绕线，通三相电流。 变换的目的是从中找出另外一个与电机转矩又直接关系的“状态量”——转矩电流，来控制转矩。实际矢量控制时，这一切变换都是在计算机里完成，最后又通过控制三相电流的，但此时的三相电流给定值可以保证这个“状态量”是我想要的那个数值。为什么非要变换？因为要对电机进行控制（速度控制），使电机按照你的意图运转，必须控制加到电机转子上的转矩，而转矩与三相电流之间的直接对应关系是没法直接写出来的，（如同质量与重量之间的关系，速度与位移之间的关系这么简单）。只有通过变换，才可以清楚地找出这个对应关系，其实， 图8定子静止三相到静止两图9 静止两相到旋转两相的变换
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。
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 )
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理 来源：开关柜无线测温 https://www.doczj.com/doc/d96175555.html, 摘要：永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现 做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆 变部分的脉宽调制（PWM）技术的实现、控制单元相应 的算法等三个部分。 关键词： DSP 整流逆变 PWM 矢量控制 1 引言 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁
同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 图1 交流永磁同步伺服驱动器结构 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，
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 -
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
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。
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：
(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。
摘要：采用电力电子装置实现电压-宾律协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行而不能调速的面貌，使它和异步电机一样成为了可调速电机家族中的一员。起动费时、重载时震荡或失步等问题已经不再是同步电机广泛应用的障碍，同步电动机调速系统的应用正在飞速发展着。本文首先概括同步电机变压变频调速的特点及其基本类型，然后介绍了几种应用较广的系统，阐明了同步电机的多变量数学模型，最后讨论了自控变频同步电动机调速系统。 关键词：同步电机，变频调速，
目录 1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 (3) 1.1概述 (3) 1.2同步调速系统的特点 (4) 2 他控变频同步电动机调速系统 (5) 2.1转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统 (5) 2.2由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统 (6) 2.3由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统 (7) 2.4按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 (8) 3 自控变频同步电动机调速系统 (11) 3.1梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控变频调速系统 (12) 3.2正弦波永磁同步电动机的自控变频调速系统 (14) 参考文献 (15)
1 同步电动机变压变频调速的特点及其基本类型 历史上最早出现的是直流电动机19世纪末，出现了交流电和交流电动机为了改善功率因数，同步电动机应运而生。同步电动机也是一种交流电机。既可以做发电机用，也可做电动机用，过去一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机等。 最初的同步电动机只用于拖动恒速负载或用于改善功率因数的场合。在恒定频率下运行的大型同步电动机又存在着容易发生失步和振荡的危险，以及起动困难等问题。因此，在没有变频电源的情况下，很难对同步电动机的转速进行控制。 1.1概述 同步电动机历来是以转速与电源频率保持严格同步著称的。只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。 采用电力电子装置实现电压-频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒速运行不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡或失步等问题也已不再是同步电动机广泛应用的障碍。 同步电机的特点与问题：优点： （1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0，甚至超前。 存在的问题： （1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险。 问题的根源：供电电源频率固定不变 解决办法： 采用电压-频率协调控制，例如：对于起动问题而言，可以通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。对于振荡和失步问题而言，
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
第一章永磁同步电机的原理及结构 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、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩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，只有异步转矩是驱动性质的转矩，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。 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。
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
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
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
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。
永磁同步电机工作原理 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 一、发电机获得励磁电流的几种方式 1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。 2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。 3、无励磁机的励磁方式： 在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。 二、发电机与励磁电流的有关特性 1、电压的调节 自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端
基于TMS320LF2406的交流永磁同步电机控制器设计 介绍了一种交流永磁同步电机全数字伺服控制器的软硬件组成及设计方案，系统采用TI DS P TMS320LF2406组成核心控制电路，以智能功率模块构成主电路，具有通用紧凑的系统结构. 1 引言 近年来，交流伺服系统的应用已经十分广泛，特别是在要求高精度、高响应的应用场合，交流永磁同步电机伺服系统具有非常明显的优势。随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展，在交流伺服系统中已经采用了各种新颖的器件如数字信号处理器(DSP)、智能功率模块(I PM)等，使伺服控制器从模拟控制转向数字控制，而数字控制在精度、可靠性以及灵活性等方面的优势，也促使交流伺服系统向全数字化、智能化、小型化方向发展。 本文研究了采用TI公司的新一代低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2406的全数字交流伺服控制器的软硬件设计和控制方案。TMS320LF2406采用3.3V供电，在性能上有了进一步的增强，不仅具有更强的实时运算能力，并且集成了丰富的电机控制外围电路，特别适用于对控制器体积、性能要求较高的应用。 2 交流永磁同步电机矢量控制 交流永磁同步电机在磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计，定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状的条件下，若不考虑转子磁场的凸极效应，即L d=Lq=L，可得其在d_q坐标系上的状态方程为[1]: 其中R:绕组等效电阻;L:等效电感;p:微分算子(d/dt);Np:电机磁极对数;ωm:转子机械角速度;ψf:转子永磁效应对应的每对磁极磁通;Tl:折算到电动机轴上的总负载转矩;J:折算到电机轴 上的总转动惯量。 式(1)中系数矩阵含有变量ωm，所以可知永磁同步伺服电机是一种非线性的控制对象，且d轴电流分量id和q轴电流分量iq之间存在耦合作用，为使永磁同步电动机具有和直流电动机一样的控制性能，通常采用id≡0的线性化解耦控制，即在初始定向A相绕组和d轴重合之后, 始终控制电枢电流矢量位于q轴上,和转子磁链矢量正交。然而从状态方程可以看出，d_q坐标系上的状态变量存在着耦合关系，即vd不仅依赖于id，同时和iq也有关系，这给控制器的设计带来了很大的问题，在通常的模拟方式交流伺服控制器中，只能通过增大电流控制器的增益实现电流矢量的快速跟踪，得到近似线性化的解耦控制效果，而对于全数字化交流伺服控制器，如果知道交流永磁同步电机的感应反电势常数、电枢绕组的电感值，则可以通过完全去耦控制实现精确地线性化控制。现假设感应反电势常数、电枢绕组的电感值已知，那
永磁同步电机的工作原理 永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁同步电机在现在应用及其广泛。和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式〔鼠笼式异步电机〕绕线式异步电动机。 永磁同步电机的工作原理如下： 永磁同步电机主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 永磁同步电机的载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 永磁同步电机的切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 永磁同步电机交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 永磁同步电机的交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 下一篇：限压式变量叶片泵的特性曲线