(完整版)ch3永磁同步电机的矢量控制技术(1)

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1 引言永磁同步电机(PMSM)体积小，重量轻，转子无发热问题，具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，因此在高控制精度与高可靠性等方面显示出优越的性能，永磁同步电动机调速系统正在成为近代交流调速领域中研究的一个热门课题。

2 基本原理(1) PMSM 的数学模型dq0 坐标系中，永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为d s d d q q s q q du R i p u R i p ψωψψωψ=+-=++式中u d ，u q 为定子电压的直、交轴分量；R s 为定子绕组电阻；p 为微分算子；ω为电动机转子角频率。

定子磁链方程为d d d f q q qL i l i ψψψ=+=式中ψd ，ψq 为转子坐标系下直、交轴磁链；L d ，L q 为PMSM 的直轴、交轴电感；i d ，i q 为定子电流的直、交轴分量；ψf 为转子磁钢在定子上的耦合磁链。

永磁同步电机的转矩方程为()()3322e m d q q q mf q d q d q T p i i p i L L i i ψψψ⎡⎤=-=+-⎣⎦ 式中p m 为永磁同步电机的极对数。

(2) PMSM 的转子磁场定向控制策略PMSM 的电磁转矩基本上取决于定子交轴分量和直轴电流分量，在矢量控制下，采用按转子磁链定向(i d =0)控制策略，使定子电流矢量位于q 轴，而无d 轴分量，既定子电流全部用来产生转矩，此时，PMSM 的电压方程可写为：d qq s q q du u R i p ωψψωψ==++电磁转矩方程为：32e mf q T p i ψ=此种控制方式最为简单，只要准确地检测出转子空间位置(d 轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q 轴上，那么，PMSM 的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩，此时PMSM 的控制就类似于直流电机的控制。

图1给出PMSM 调速控制系统原理框图。

三相永磁电机的矢量控制永磁同步电机常用于各种位置控制系统，而矢量控制采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速获得了可以和直流调速相媲美的动态和静态性能。

本文就是对所学的三相永磁电机矢量控制的总结。

1. 永磁同步电机的结构1.1 永磁同步电机的定义同步电机的定子绕组做成三相正弦分布绕组，当用永磁体替代转子，在定子绕组中通入三相对称交流电时，就能产生恒定电磁转矩，同时在定子绕组中感应出正弦反电势波。

我们把这类同步电机称之为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）。

如果将采用集中绕组的电励磁直流电动机的转子改变成定子，通入三相方波对称电流时，也能产生恒定电磁力矩此时定子绕组感应的反电势波形是梯形，我们称之为无刷直流电动机（The Brushless DC Motor，简称BLDC）。

如图1就是永磁同步电机结构示意图。

图1. 永磁同步电机结构示意图1.2 永磁同步电机的特点永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。

同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动。

与交流异步电机相比，永磁同步电机具有下列优点：由于没有笼型转子，稀土永磁同步电机与异步电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电动机转矩就有较快的响应，即转矩/惯性比异步电动机的高；永磁同步电动机无转子损耗，所以效率更高；异步电动机需要定子励磁电流，而永磁同步电动机已存在于转子，对于同等容量输出，异步电动机效率低,需要更大功率的整流器、逆变器；异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂；永磁同步电动机功率密度较高。

永磁同步电机矢量控制在交流传动系统中，为了实现高精度、高动态性能的速度和位置控制，通常采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制。

无论采取哪种控制方案，都需要测量转子的位置和速度，这一般是通过传感器(旋转变压器、编码器、解算器和测速发电机)来实现。

但是，这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题，降低了系统的可靠性，特别是在高速、超高速传动控制中，机械式传感器实现困难，更有结构、价格等问题，这都限制了其应用范围。

为了解决机械传感器带来的各种缺陷，许多学者开展了无传感器控制技术的研究，其主要思想是利用电机绕组中的有关电信号，通过适当的方法估算出转子的位置和转速，实现转子位置的自检测。

在各种转子位置和速度的检测方法中大多数都是通过检测基波反电势来获得转子的位置信息[1-3]。

这种基于基波激励的方法虽然实施简单，但在零速或低速时会因反电势过小或根本无法检测而失败，故多只适用于高转速运行。

另外，由于这些方法要利用基波电压和电流信号来计算转子位置和速度，因此对电机参数变化很敏感，鲁棒性差。

为了在包括零速在内所有速度下都能获得精确的转子位置信息，一些文献提出了转子凸极追踪法[4-6]。

这种方法要求电机具有一定程度的凸极性，而且需注入持续高频激励。

由于这种方法追踪的是电机转子的空间凸极效应，因此对电机参数的变化不敏感，鲁棒性好。

高频信号注入法的基本原理是在电机中注入特定的高频电压(电流)信号，然后检测电机中对应的电流(电压)信号以确定转子的凸极位置。

但这些转子位置估计方法活或多或少存在以下问题：无法确定转子初始位置；低速段精度较差；过于依赖电机参数；算法复杂、计算量大，需要高速运算处理器，实现困难，效果也不尽人意。

本文提出了一种新型的转子位置检测方法，在定子绕组的适当位置安装一个锁定型霍尔传感器。

通过适当的处理，可以提取转子位置信号和转速信号。

该方法简单易行，在转速稳定时精度高，检测到的转子位置信号误差小，并且每一个机械角度都可以对误差量进行修正，减少累计误差，保证测量精度。

⁡ ⁡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。

同步电动机矢量控制技术随着现代交流调速技术的发展，同步电动机在交流调速系统和交流位置伺服系统中的应用日趋广泛，并发展了他控变频与自控变频两类调速系统。

同步电动机变频调速分为他控变频与自控变频两类调速系统。

他控变频调速时采用永磁同步电动机或直流励磁凸极同步电动机。

这种控制系统的特点是，变频调速用的逆变器，其运行频率是由外部给定，所以称他控式逆变器。

电动机在运行过程中，当频率突变或过载时容易失步。

自控变频调速时采用无换向器电动机，此时逆变器的工作频率不是独立的，是受转子位置检测器控制，即受电动机自身转速控制，所以这种逆变器称为自控式逆变器。

逆变器供电电流频率和电动机的转速始终保持同步，不会产生振荡和失步现象。

同步电动机按励磁方式可分为中小容量的永磁同步电动机和大容量的转子有励磁绕组的直流励磁同步电动机，同步电动机总是以同步速度旋转的，同步速度决定于电源频率和电机极对数。

永磁同步电动机转子结构可分为表面磁铁和内部磁铁两种形式，直流励磁同步电动机转子结构可分为凸极式和隐极式两种形式。

永磁同步电动机矢量控制普通同步电动机的绕组由三相定子绕组及励磁绕组构成，一般在转子上还加装了阻尼绕组。

三相定子绕组通入三相频率为f1的交流电压，励磁绕组通入直流励磁电流，共同建立起气隙旋转磁场，使电机以n=60f1/p(p为极对数)的同步速度旋转。

如果将励磁磁场换成稀土永磁磁场，就形成永磁同步电动机运行方式。

永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronus Motor简称PMSM)广泛应用于伺服驱动系统，中小功率机床主轴驱动，位置控制，机器人系统等。

较大容量也应用于太阳能泵以及风能利用系统，用于船舶推进系统容量已达1MW的水平。

永磁同步电动机与普通同步电动机相比，有下列优点：(1)无电刷，滑环，消除了转子损耗，从而可得到较高的运行效率。

(2)同样体积的电动机，永磁式电动机的功率可输出更大。

(3)转动惯量小，可获得较高的加速度。

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。

三相永磁电机的矢量控制永磁同步电机常用于各种位置控制系统，而矢量控制采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速获得了可以和直流调速相媲美的动态和静态性能。

本文就是对所学的三相永磁电机矢量控制的总结。

1. 永磁同步电机的结构1.1 永磁同步电机的定义同步电机的定子绕组做成三相正弦分布绕组，当用永磁体替代转子，在定子绕组中通入三相对称交流电时，就能产生恒定电磁转矩，同时在定子绕组中感应出正弦反电势波。

我们把这类同步电机称之为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）。

如果将采用集中绕组的电励磁直流电动机的转子改变成定子，通入三相方波对称电流时，也能产生恒定电磁力矩此时定子绕组感应的反电势波形是梯形，我们称之为无刷直流电动机（The Brushless DC Motor，简称BLDC）。

如图1就是永磁同步电机结构示意图。

图1. 永磁同步电机结构示意图1.2 永磁同步电机的特点永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。

同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动。

与交流异步电机相比，永磁同步电机具有下列优点：由于没有笼型转子，稀土永磁同步电机与异步电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电动机转矩就有较快的响应，即转矩/惯性比异步电动机的高；永磁同步电动机无转子损耗，所以效率更高；异步电动机需要定子励磁电流，而永磁同步电动机已存在于转子，对于同等容量输出，异步电动机效率低,需要更大功率的整流器、逆变器；异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂；永磁同步电动机功率密度较高。

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。

永磁电机的矢量控制技术应用
矢量控制技术是一种先进的电机电力控制技术，已经广泛应用于永磁电机控制系统中。

该技术能够通过控制永磁电机的电流、电压和转速等参数来达到更高的效率、更低的噪音、更高的可控性和更稳定的性能。

本文将介绍永磁电机的矢量控制技术应用。

一、矢量控制技术介绍
矢量控制技术根据电机转子定子间的磁场关系（即旋转磁场理论），将电机控制分解
为电流控制和转矩控制两个环节。

其主要特点有：
1.能够实现电机高效、低噪音的控制；
2.能够协调各个机械负载的变化，增加电机的可控性；
3.能够使电机具有更加稳定的性能，如启动、加速、制动和反转等。

二、永磁电机的特点
永磁电机是一种依靠永磁体产生磁场的电机，具有高效、低噪音、高转矩、小体积、
轻质化等优点。

其特点有：
1.高转矩密度，适合高性能应用场合；
2.因为永磁体产生的磁场非常稳定，所以控制系统非常简单；
3.动态响应快，控制精度高，适合高精度应用场合。

永磁电机的矢量控制技术主要应用于工业生产中的各种机器设备、电动车辆、家电等
领域。

其应用包括：
1.工业生产中的各种机械设备，如机床、冷却水泵、风机等，可以通过矢量控制技术
实现更高的效率、更小的噪音和更高的可控性。

2.电动车辆中，通过永磁电机的矢量控制技术，可以实现电机更高的能量利用率和低
噪音的性能。

3.家电中，永磁电机的矢量控制技术可以使家电的性能更稳定、更高效、更低噪音，
如室内空调中的风机、洗衣机中的电机等。

四、结论。

永磁同步电机矢量控制的实现永磁同步电机矢量控制的实现永磁同步电机是一种高效、高功率密度和高可靠性的电机，在工业领域中得到了广泛的应用。

为了提高永磁同步电机的性能，矢量控制技术被引入其中。

本文将详细介绍永磁同步电机矢量控制的实现过程，并探讨其优势和应用。

一、永磁同步电机矢量控制的原理永磁同步电机矢量控制的基本原理是通过控制转子磁场的方向和大小，使得转子磁场与定子磁场同步，并使转子磁场随时按照需要调整，从而实现电机的高精度控制。

具体来说，永磁同步电机矢量控制主要包括速度环控制和定子电流环控制两个环节。

1.1 速度环控制速度环控制是永磁同步电机矢量控制的核心环节，其目的是使电机的转速能够稳定地跟踪给定的速度指令。

其中，速度环控制主要包括速度估计和速度控制两个部分。

速度估计是通过测量电机的电流和电压信号，利用数学模型或滤波器等方法估计电机的转速。

估计出的转速信号可以作为反馈信号输入到速度控制器中，用于判断电机的转速与给定速度之间的偏差，从而进行相应的控制。

速度控制是根据估计出的转速信号和给定速度信号之间的差值，结合控制算法，对电机的输入电压或电流进行调整，使得转速能够稳定地跟踪给定的速度指令。

1.2 定子电流环控制定子电流环控制是永磁同步电机矢量控制的另一个重要环节，其目的是控制电机的定子电流，从而调节定子磁场的大小和方向，实现电机的角度和转矩控制。

定子电流环控制主要包括定子电流测量、电流控制和电流反馈等步骤。

定子电流测量是通过对电机的电流进行采样和测量，得到准确的定子电流值。

电流采样可以采用采样电阻、霍尔传感器等方式来完成。

电流控制是根据得到的定子电流值与给定的电流指令之间的差值，结合控制算法，对电机的输入电压或电流进行调整，从而使得电机的定子电流能够稳定地跟踪给定的电流指令。

电流反馈是将测量得到的定子电流值作为反馈信号输入到电流控制器中，以实现定子电流与给定电流之间的闭环控制。

二、永磁同步电机矢量控制的优势永磁同步电机矢量控制相较于传统的驱动方式，具有以下几个优势：2.1 高动态性能通过精确控制转子磁场的方向和大小，永磁同步电机矢量控制能够实现电机的高精度控制和快速响应。