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永磁同步电机的矢量控制系统一、本文概述随着科技的不断进步和工业的快速发展，电机作为核心动力设备，在各种机械设备和工业自动化系统中扮演着至关重要的角色。
其中，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的控制性能等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、机床设备等领域。
为了实现永磁同步电机的精确控制，提高其运行效率和稳定性，矢量控制（Vector Control）技术被引入到永磁同步电机的控制系统中。
本文将对永磁同步电机的矢量控制系统进行深入探讨。
文章将简要介绍永磁同步电机的基本结构和运行原理，为后续的矢量控制理论奠定基础。
接着，文章将重点阐述矢量控制的基本原理和实现方法，包括坐标变换、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等关键技术。
文章还将分析矢量控制系统中的传感器选择、参数辨识以及控制策略优化等问题，以提高系统的控制精度和鲁棒性。
通过本文的研究，读者可以对永磁同步电机的矢量控制系统有一个全面而深入的了解，为实际应用中提高永磁同步电机的控制性能提供理论支持和指导。
本文还将探讨未来永磁同步电机矢量控制系统的发展趋势和挑战，为相关领域的研究者和工程师提供有价值的参考信息。
二、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种高效、高性能的电机类型，其工作原理基于电磁感应和磁场相互作用。
PMSM的核心组成部分包括定子、转子和永磁体。
定子通常由三相绕组构成，负责产生旋转磁场；转子则装有永磁体，这些永磁体在定子产生的旋转磁场作用下，产生转矩从而驱动电机旋转。
PMSM的工作原理可以简要概括为：当定子三相绕组通入三相交流电时，会在定子内部形成旋转磁场。
由于转子上的永磁体具有固定的磁极，它们在旋转磁场的作用下会受到力矩的作用，从而使转子跟随定子磁场的旋转而旋转。
通过控制定子电流的相位和幅值，可以精确控制旋转磁场的转速和转向，从而实现对PMSM的精确控制。
永磁同步电机矢量控制
由于永磁同步电机(PMSM)在诸多方面的优势，在控制领域引起了极大的兴趣。
矢量控制的基本思想[4-5]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。
按磁场定向坐标,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量互相垂直,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。
矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能．而最终仍然是对定子电流的控制。
由于在定子侧的各物理量,如电压、电流、电动势、磁动势都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,调节和控制都不容易。
因此需要借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,这时各空间矢量就都变成了直流量。
电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量i d和产生转矩的转矩电流分量i q,如图2所示,这样转矩和被控量定子电流之间的关系就一目了然。
图2.转矩和被控量定子电流之间的关系
永磁同步电机的矢量控制系统由四部分组成：1．位置、速度检测模块；2．速度环,电流环PI控制器；3．坐标变换模块；4．SVPWM模块和逆变模块。
控制过程为：速度给定信号指令与检测到的转子速度相比较,经速度控制器的调节,输出I指令信号(电流控制器得给定信号)。
同时,经过坐标变换后,定子反馈的三相电流变为i d,i q,通过电流控制器使：i d=0,i q与给定的i∗q相比较后,经过电流调节器的输出为d,q轴的电压,经Park逆变换后为α、β电压。
通过SVPWM模块输出六路PWM驱动IGBT．产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。
永磁电机矢量控制1. 概述永磁电机是一种使用特殊材料制成的永磁体来产生磁场，从而实现电能转化为机械能的装置。
与传统的交流电机相比，永磁电机具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此在许多领域得到广泛应用。
矢量控制是一种高级控制技术，通过对永磁电机的电流和磁场进行精确控制，提高电机的性能和效率。
2. 永磁电机的工作原理永磁电机利用永磁体在外加电流作用下产生磁场，并与定子上的电流相互作用，进而产生电磁转矩。
永磁电机通常采用三相交流电源供电，通过控制定子电流的大小和相位，可以实现永磁转子的转动。
3. 矢量控制的基本原理矢量控制是一种基于磁场定向的控制方法，通过调节电机的电流和磁场方向，实现对电机性能的精确控制。
矢量控制包括电流矢量控制和磁场矢量控制两种方式。
3.1 电流矢量控制电流矢量控制是通过将三相交流电进行变换，得到电流的矢量表示，再根据所需的电机运行状态进行控制调节。
它可以实现电机的精确转矩控制和高动态性能。
电流矢量控制的基本原理是通过变换和控制电流的大小和相位，控制电机产生的转矩。
3.2 磁场矢量控制磁场矢量控制是通过变换和控制电机的磁场方向和大小，实现电机的转矩控制。
磁场矢量控制可以减小电机的转子响应时间，提高电机的动态性能。
磁场矢量控制的基本原理是通过控制磁场的方向和大小，改变电机的磁链分布，从而控制电机产生的转矩。
4. 永磁电机矢量控制的优点4.1 高效率永磁电机由于永磁体自身具有较高的磁场强度，可以减小电机的铜损耗和铁损耗，提高电机的效率。
4.2 高转矩密度永磁电机具有较高的转矩密度，可以在相同体积和重量下产生更大的输出转矩。
4.3 高响应性能矢量控制可以精确调节电机的电流和磁场，使得电机具有更好的响应性能，能够在短时间内产生所需的转矩。
4.4 宽工作范围永磁电机矢量控制可以实现电机在宽工作范围内的高效率运行，适用于各种工况要求。
5. 永磁电机矢量控制的应用永磁电机矢量控制广泛应用于各种领域，包括工业自动化、交通运输、航空航天等。
永磁同步电机矢量控制
永磁同步电机矢量控制是当前普遍应用的一种电机控制方式。
原理是由控制器实时监测电机转子的转位和转速，根据电机转子的转速和转子转向以及放电程序，对永磁同步电机的三相输入电流进行算法控制，以求达到控制器设定的电机负载转速、转角或矢量角的要求，控制精度极高，动态性能优越，同时由于实现调速的过程较为简单，可以用较低的成本实现更高的控制性能。
此外，由于矢量控制的模块化特点，电机的控制系统也相对容易集成，可以提高整体设备的可靠性和稳定性。
2.电压空间矢量PWM 的基本原理交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，将逆变器与电动机视为一个整体，以圆形磁场为目标来控制逆变器工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。
与直接的SPWM 技术相比，SVPWM 算法的优点主要有：1、SVPWM 优化谐波程度高，消除谐波效果好，可以提高电压利用率。
2、SVPWM 算法提高了电机的动态响应速度，同时减小了电机的转矩脉动。
3、SVPWM 比较适合于数字化控制系统。
如图1所示，A 、B 、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线,他们在空间上互差2π⁄3，三相定子相电压u a 、u b 、u c 分别加在三相绕组上，可以定义三个定子电压空间矢量U A (t)、U B (t)、U C (t),他们在时间上互差2π⁄3，并且在各自轴线上按正弦规律变化。
U A (t )=U m cos (ωt )U B (t )=U m cos(ωt−2π/3)U C (t )=U m cos(ωt +2π/3)A(e j 0)图2.1 电压空间矢量可以得到三相电压合成矢量为：U s =U A (t )+U B (t )e i2π/3+U C (t )e −i2π/3=32U m e ωt+π/2 从上式中可以看出，电压空间矢量U s 是以角速度ω逆时针旋转的一个电压矢量，其幅值为相电压幅值的1.5倍。
又当电动机转速较高时，由定子电阻所引起的压降可以忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量之间的关系可以写为：u s =dψsdt当电动机有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为圆形。
将ψs =ψs e iωt+iφ代入上式可以得到u s =ωψs e i(ωt+φ+π/2)由上式知u s 的方向与磁链矢量ψs 正交，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续的按磁链圆的切线方向运动2π弧度，因此电机旋转磁场轨迹问题可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
永磁同步电机的矢量控制原理
交流永磁同步电机采用的是正弦波供电方式，它可以消除方波电流突变带来的转矩脉动，其运行稳，动，静态特性好，但控制也比无刷直流电机复杂，需要采用矢量控制技术。
正弦波和方波的区别在于正弦波电流的瞬时值随相位变化。
交流永磁同步电动机的理
想状态是使定子绕组的电流在转子磁场强度最大的位置达到最大，从而使电动机在相同的
输入电流下获得最大的输出转矩。
为了实现这一目标，必须同时控制定子电流的幅值和相位。
振幅和相位构成电流矢量，因此这种控制称为“矢量控制”。
为了对交流电机实施矢量控制，首先需要建立电机的数学模型。
根据矢量控制的理论，交流永磁同步电机的数学模型可以按照以下步骤建立。
① 将三相定子电流合成为统一的合成电流。
②将定子合成电流分解为两相正交流电，完成电流的3-2变换。
③ 将定子坐标系中的两相正交流电转换为定子坐标系。
④ 转子坐标系下的定子电流
平衡方程。
⑤根据转子磁场与定子电流的正交分量建立电机的运行方程。
目录永磁同步电机数学模型........................................................................2永磁同步电动机矢量控制原理...............................................................3（SVPWM ）电压空间矢量PWM 控制原理.......................................................4SVPWM 控制算法. (5)1、计算扇区N ：............................................................................................82、计算作用时间1T 、2T ，并用X 、Y 、Z 表示：.....................................93、计算占空比：..........................................................................................104、求出切换点1cm T 、2cm T 、3cm T 。
.. (11)MATLAB 仿真实现SVPWM (12)1、判断扇区：..............................................................................................122、求出X 、Y 、Z ：.....................................................................................123、求出1T 、2T .............................................................................................134、求出切换点1cm T 、2cm T 、3cm T ...............................................................135、输出PWM 波形：. (14)永磁同步电动机矢量控制仿真.............................................................15PI 调节：.. (15)1、电流环：..................................................................................................162、转速环：.. (17)基于TMS320F2812程序实现： (18)永磁同步电机矢量控制总结永磁同步电机数学模型永磁同步电机最常用的方法就是q d-轴数学模型，为了建立正弦波永磁同步电机的数学模型，首先假设：忽略电动机铁芯的永磁饱和；不计电动机的涡流和磁滞损耗；电动机的电流为对称的三相正弦电流。
永磁同步电机的矢量控制原理
交流永磁同步电机采用的是正弦波供电方式，它可以消除方波电流突变带来的转矩脉动，其运行稳，动，静态特性好，但控制也比无刷直流电机复杂，需要采用矢量控制技术。
正弦波与方波的区别在与正弦波电流的瞬时值随着相位的变化。
交流永磁同步电机的理想状态是：能在转子磁场强度为最大值的位置上，使定子绕组的电流也能够达到最大值，这样电机便能够在同样的输入电流下获得最大的输出转矩。
为了实现这一目的，就必须对定子电流的幅值与相位同时进行控制。
幅值与相位构成了电流矢量，因此，这种控制称为“矢量控制”。
为了对交流电机实施矢量控制，首先需要建立电机的数学模型。
根据矢量控制的理论，交流永磁同步电机的数学模型可以按照以下步骤建立。
①将三相定子电流合成为统一的合成电流。
②将定子合成电流分解为两相正交流电，完成电流的3-2变换。
③将定子坐标系中的两相正交流电转换到定子坐标系上。
④在转子坐标系中定子电流平衡方程。
⑤根据转子磁场与定子电流的正交分量建立电机的运行方程。
基于空间矢量控制的永磁同步电机的研究目录摘要........................................................... I II ABSTRACT........................................................... I V 第一章绪论.. (1)1.1课题研究的背景 (1)1.2永磁交流伺服系统控制理论的发展 (1)1.3永磁交流伺服控制系统的发展趋势。
(2)1.4论文研究的主要内容 (3)第二章永磁同步电机的矢量控制原理 (4)2.1永磁同步电机的内部结构和种类 (4)2.2电机控制中用到的坐标系 (4)2.2.1系统中的坐标系 (5)2.2.2由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） (6)2.2.3两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换（Park变换） (7)2.2.4永磁同步电机d—q轴数学模型 (8)2.3转子磁链定向矢量控制理论 (9)2.4同步电机的矢量控制 (10)第三章PMSM控制系统的MATLAB仿真 (13)3.1MATLAB动态仿真工具S L MULINK简介 (13)3.2永磁同步电机仿真模型的建立 (13)3.2.1逆变器 (14)3.2.2空间矢量PWM发生模块的建立 (18)3.2.3判断电压矢量所属的扇区及仿真实现 (18)3.2.4计算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真实现 (19)3.2.5计算开关作用时间 (21)3.2.6生成PWM波形 (21)3.2.7基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型 (22)3.3：双闭环仿真系统的建立和控制器参数调整 (23)3.3.1双闭环仿真系统的建立 (23)3.3.2仿真结果 (25)第四章结束语 (27)工作总结及评价 (27)致谢 (28)参考文献: (28)摘要本文研究的是通过电压空间矢量控制永磁同步电机系统，在PID控制策略下改善永磁同步电机的转矩性能,用MATLAB／SIMULINK建立了永磁同步电机电流转速双闭环矢量控制仿真模型。
在模型建立后，由于PID控制由于算法简单、可靠性高，广泛应用于控制过程中。
因此本文采用的是PID控制，并应用电压矢量控制SVPWM控制实现对永磁同步电机的转矩，使其拥有直流电机的性能。
仿真结果表明空间电压矢量控制可以使永磁同步电机的转矩可控制并达到稳定，并产生三相稳定电流。
所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、方法和性能，对今后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。
关键词：永磁同步电机；PID控制；MATLAB仿真/SIMULINK；AbstractThis paper studies the voltage space vector control by permanent magnet synchronous motor system , with the PID control strategy for permanent magnet synchronous motor torque performance, using MATLAB / SIMULINK to establish a permanent magnet synchronous motor current speed double closed loop vector control model. In the model, the choice of which control algorithm is also very important, because the PID control algorithm is simple, high reliability, widely used in the control process.So this article uses a PID control to achieve the SVPWM control of permanent magnet synchronous motor torque to have a DC motor torque control performanceAll these work illuminates principle, method and properties of the permanent magnet synchronous motor vector control system, as a reference for the future research permanent magnet synchronous motor vector control system and improving the performance of the systemKeywords:Permanent magnet synchronous motor; PID control;第一章绪论1.1 课题研究的背景随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。
电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。
交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。
交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。
直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
【9】20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。
随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。
因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。
1.2 永磁交流伺服系统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。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。
该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。
【1】控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。
【10】【11】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。
【6】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。
1.3 永磁交流伺服控制系统的发展趋势。
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。
因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的优势如：A)永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电阻损耗，可以显著提高功率因数(可达到l甚至容性)；B)永磁同步电动机不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高；c)永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。
而且在相同功率下，永磁同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。
【12】【】16我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，1984年7月，我国成为世界上第三个能研制和生产第三代稀土钕铁硼永磁材料的国家，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。
【5】【12】(2)高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。
基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。
【7】(3)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。
1.4 论文研究的主要内容本课题研究永磁同步电机矢量控制，首先给出了矢量控制中用到的坐标变换以及本文所设计系统的原理图，其次建立永磁同步电机的数学模型，给出了本驱动器中采用的电压空间矢量脉宽调制(简称SVPWM)方法的数学模型，最后利用MATLAB仿真软件对系统进行仿真。
1．详细分析了永磁同步电机的数学模型，通过对数学模型的分析，明确了永磁同步电机的电磁约束关系，为分析永磁同步电机的运动规律和研究高性能的控制决策提供理论基础。
2．在分析数学模型的基础上，建立了永磁同步电机的矢量控制系统，论述了矢量控制的实现方法。
3．SVPWM的产生是实现矢量控制的关键，详细分析了SVPWM的原理以及实现方法。
4．对整个系统进行了仿真，在MA TLAB中建立了基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型。
第二章永磁同步电机的矢量控制原理2.1 永磁同步电机的内部结构和种类1)永磁同步电机的内部结构永磁同步电动机由定子，转子和外壳等部件组成。
其中定子由定子铁心(由冲槽孔的硅钢叠压而成)、定子绕组(在铁心槽中嵌放三相绕组)构成。
定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。
转子通常由轴、永久磁钢及磁轭组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。
转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。
转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。
为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。
【1】【2】2)永磁同步电机的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。
