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《永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计》篇一摘要：随着科技的发展和工业自动化水平的不断提高，永磁同步电机因其高效率、高精度和良好的控制性能被广泛应用于工业领域。
本文详细探讨了永磁同步电机矢量控制系统的基本原理，深入研究了其系统设计、实现过程及其在实际应用中的表现。
通过分析永磁同步电机的工作特性，我们提出了一种先进的矢量控制策略，以优化电机控制系统的性能。
一、引言永磁同步电机（PMSM）作为现代电机技术的代表，因其结构简单、高效和可靠性高等特点，在电动汽车、工业机器人等领域得到广泛应用。
为了满足高性能应用需求，开发高效的控制系统是关键。
本文研究的重点在于矢量控制系统的设计与优化，通过这种控制系统能够更精确地控制电机的工作状态和输出。
二、永磁同步电机的工作原理与特性永磁同步电机由定子和转子两部分组成，其工作原理基于电磁感应定律和安培环路定律。
转子上的永磁体产生恒定磁场，而通过调节定子电流产生的磁场与转子磁场同步，从而驱动电机转动。
PMSM具有高效率、高转矩/质量比和高速度等特点，且能在宽广的调速范围内运行。
三、矢量控制系统的基本原理与优势矢量控制技术是现代电机控制的核心技术之一。
它通过精确控制电机的电流和电压，实现对电机转矩的精确控制。
与传统的标量控制相比，矢量控制具有更高的控制精度和更好的动态响应性能。
在永磁同步电机中应用矢量控制技术可以大大提高电机的效率和输出转矩性能。
四、永磁同步电机矢量控制系统的设计与实现本节将详细描述矢量控制系统设计的各个环节，包括硬件设计、软件算法以及整体系统架构的设计。
在硬件设计部分，包括电机的选择、驱动器的设计以及传感器配置等；在软件算法部分，将详细介绍矢量控制的算法原理和实现过程；在整体系统架构设计部分，将讨论如何将硬件与软件相结合，形成一个高效稳定的控制系统。
五、系统性能分析与优化本节将通过实验数据和仿真结果来分析系统的性能表现，并针对可能存在的问题进行优化。
我们将通过对比优化前后的系统性能指标（如响应速度、稳态误差等），来验证优化措施的有效性。
矢量控制在电机转矩控制中的应用电机转矩控制是工业控制领域中常见的一种控制方式，矢量控制作为一种新的控制技术，为电机转矩控制带来了革命性的变化和提升。
本文将探讨矢量控制在电机转矩控制中的应用，并介绍其优势和局限性。
1. 矢量控制在电机转矩控制中的基本原理矢量控制是一种通过控制电机的电流和电压来实现对电机转矩的精确控制的方法。
其基本原理是借助于磁场定向和区分电机的转子磁场与定子磁场，从而实现对电机的转矩和速度的独立控制。
在矢量控制中，通过对电机的转子磁场进行矢量投影，可以将电机的转子磁场分解为直轴分量和交轴分量。
通过控制直轴分量和交轴分量的大小和方向，可以实现对电机转矩和速度的精确控制。
2. 矢量控制在电机转矩控制中的优势2.1 提高转矩响应速度：矢量控制在电机转矩控制中可以提高电机的转矩响应速度。
通过准确控制电机的电流和电压，可以实现对电机的实时调节，从而使电机能够快速响应外部转矩变化的要求。
2.2 增强低速转矩控制能力：相比传统的电机转矩控制方式，矢量控制在低速转矩控制方面具有明显的优势。
通过对电机电流和电压的精确控制，可以有效克服电机在低速运行时产生的转矩波动和不稳定性。
2.3 实现高精度控制：矢量控制在电机转矩控制中可以实现高精度的控制。
通过精确控制电机的电流和电压，可以精确控制电机的转矩和速度，从而实现对输出负载的精准控制。
3. 矢量控制在电机转矩控制中的局限性3.1 算法复杂度高：矢量控制在电机转矩控制中需要准确计算和控制电机的转子磁场和定子磁场，因此其算法复杂度相对较高。
这对硬件和软件的要求也更高，增加了实际应用的难度和成本。
3.2 对转子参数依赖较大：矢量控制在电机转矩控制中对电机的转子参数要求较高。
如果转子参数发生变化，可能会导致控制效果下降，需要重新调节和计算参数。
3.3 无法适用于所有类型的电机：矢量控制在电机转矩控制中无法适用于所有类型的电机。
例如，对于一些特殊结构的电机，如开关磁阻电机，由于其特殊的转子结构和控制特性，矢量控制可能无法有效应用。
矢量控制在电机转速调节中的应用矢量控制是一种在电机转速调节中广泛应用的技术。
它通过对电机的电流和磁场进行精确控制，使得电机在各种工作负载下都能够稳定运行。
本文将介绍矢量控制的原理、优势以及在电机转速调节中的应用。
一、矢量控制原理矢量控制是通过控制电机的电流和磁场实现对转速、转矩的精确控制。
它基于电机的磁链方程，通过电流和转矩之间的控制关系来实现精确的调节。
在矢量控制中，电机系统可以分为磁场定向和转子定向两种控制方法。
磁场定向是通过控制转子电流和电机电压，使电机产生一个与磁场相对的旋转磁场，进而使转子旋转。
转子定向则是通过控制电机电流和磁场，实现对转子位置和角度的精确控制。
二、矢量控制的优势1. 精确控制能力：矢量控制能够实现对电机转速和转矩的精确控制，使得电机在各种工作负载下都能够保持恒定的转速和转矩输出。
2. 高响应速度：矢量控制器通过精确控制电流和磁场，能够实现电机的快速启动和停止，响应速度高，能够适应各种复杂的工作环境和工作要求。
3. 高效能和节能：矢量控制可有效减小电机的功率损耗，提高电机的能效。
通过精确控制转矩和转速，使得电机在工作时能够以最佳状态运行，从而实现节能减排。
三、1. 工业自动化：在工业自动化领域，矢量控制常用于变频器控制系统。
通过精确控制电机的转速和转矩，可以适应不同的负载情况和工艺要求，实现高效的生产和运作。
2. 电动车辆：矢量控制在电动车辆中的应用越来越广泛。
通过精确控制电机的转速和扭矩，可以提高电动车辆的动力性能和能量利用率，延长电池寿命。
3. 电梯系统：矢量控制也常用于电梯系统中。
通过精确控制电机的转速和转矩，可以实现电梯的平稳运行和准确的楼层停靠，提高乘坐舒适性和安全性。
4. 空调和风机系统：矢量控制在空调和风机系统中也得到了广泛应用。
通过精确控制电机的转速和转矩，可以实现空调和风机的高效运行，提高空气循环效率，降低能耗。
总结：矢量控制在电机转速调节中的应用日益重要。
基于安全转矩取消（STO）和矢量控制（FOC）的电梯主动安全技术研究作者：***来源：《机电信息》2021年第11期摘要：目前电梯主要通过各种电气安全装置及安全部件的配合使用来保障运行安全，各类安全保护装置基本采用电气技术或机械技术的被动安全保护措施。
特别是永磁同步电动机作为曳引主机时，许多功能严重依赖制动器本身的安全可靠程度，当制动器失效时，采用制动器作为制停部件的安全保护装置也随之失效。
在即将实施的新标准《电梯制造与安装安全规范第1部分：乘客电梯和载货电梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了安全转矩取消（STO）功能作为断开电动机运转供电的方法之一。
现对该技术进行了介绍，此新功能结合目前先进的矢量控制（FOC）技术，为电梯采用主动安全保护措施提供了坚实基础，在未来具有广阔的应用前景。
关键词：安全转矩取消;矢量控制;主动安全;电梯0 引言安全轉矩取消（Safe Torque Off，STO）功能是指电动机停止运行时能控制变频器关闭转矩输出，避免意外启动造成安全事故。
在电梯应用中，STO功能与制动器最大的区别在于，STO功能可以在不关闭电源的情况下切断电动机的动力来源，而制动器是在特定情况下（断电、未有使能状态）抱住制动轮或轴。
在新标准《电梯制造与安装安全规范第1部分：乘客电梯和载货电梯》（GB/T 7588.1—2020）中增加了关于断开电动机运转供电的规定：“5.9.2.5.4 d）具有符合GB/T 12668.502—2013中的4.2.2.2规定的安全转矩取消（STO）功能的调速电气传动系统，该安全转矩取消（STO）功能的安全完整性等级应达到SIL3，且硬件故障裕度应至少为1。
”[1]目前永磁同步电动机采用的控制方法主要有三种：变频变压（VVVF）、直接转矩（DTC）和矢量控制（FOC）[2]。
FOC技术主要是将电压、电流通过分解变换表示在旋转坐标系里，通过改变旋转坐标系里面直轴和交轴的分量来控制力矩和磁通。
一种基于直接转矩控制系统低速时磁链观测补偿的新方法蔡斌军;刘国荣
【期刊名称】《电气传动自动化》
【年(卷),期】2008(30)2
【摘要】直接转矩控制是继矢量控制后的一种新型控制方法,此方法的调速性能取决于高效稳定的定子磁链.由于定子电阻压降的存在使得电机运行在低速区时难以控制.因此,提出了一种新型的改善直接转矩控制系统低速性能的磁链观测方法.该方法采用低通滤波器代替纯积分环节,并提出对磁边幅值进行闭环反馈补偿和用模糊控制器补偿引入低通滤波器造成的磁链角的误差.仿真结果表明,采用此控制方法,直接转矩控制系统的低速性能有十分明显的提高,仿真结果证实了该方法的有效性.【总页数】5页(P1-5)
【作者】蔡斌军;刘国荣
【作者单位】湘潭大学信息丁程学院,湖南,湖潭,411105;湖南工程学院,湖南,湘潭,411101
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2
【相关文献】
1.一种低速下磁链观测补偿的新方法 [J], 张旭;瞿文龙
2.一种新型的改善直接转矩控制低速性能的磁链观测方法 [J], 蔡斌军;刘国荣
3.一种改善直接转矩控制系统低速性能的新方法 [J], 李黎明;申群太
4.一种基于非线性正交反馈补偿磁链观测器的PMSM直接转矩控制研究 [J], 李世博
5.低速时直接转矩控制系统磁链观测器的改进研究 [J], 侯程;邓福军
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浅析新能源汽车驱动电机性能研究摘要：驱动电机作为当今汽车的核心技术，其在新能源汽车的发展中扮演着越来越重要的角色。
新能源汽车的发展，离不开驱动电机和电控技术，直接影响新能源汽车的性能。
在分析和应用电驱动的技术上，未来可通过校企合作，利用企业和高校的研发能力，进行技术合作，将各种不同设计思路和技术结合起来大胆尝试创新，从而推动新能源汽车的发展。
本文着重论述了新能源汽车的电机控制和驱动电机的产品性能。
关键词：新能源汽车；驱动电机；电控引言：近几年，新能源电机技术发展迅速，生产技术日臻完善，迅速占领世界汽车市场。
结合我国目前的市场情况，通过新能源汽车实验室先进的试验设备，运用理论和实践相结合的方法，对新能源汽车技术进行了重点研究。
该系统由电机、功率转换器、控制器、传感器、开关信号和电源部件组成。
在车辆行驶过程中，蓄电池的输出功率通过控制器驱动电机运行，电机的转矩由传动系统驱动使车轮运动，驱动电机系统是新能源汽车核心技术。
因此，本论文主要是以新能源汽车为研究对象，开展新能源汽车的关键技术研究，分享交流相关技术，仅供相关人士参考。
1.新能源汽车驱动电机技术现状新能源汽车的开发和使用，已经成为了当前社会的一项重要工作。
从客观的角度分析，新能源汽车的大力推广，取得了比较理想的结果，并在某种程度上减少了能耗。
驱动电机的技术，要在新能源汽车上发挥出更大的作用，就必须要有一个更高的性价比。
电机的产品特点主要有：性能优异、效率高、重量轻、体积小。
当前，新能源汽车四大电机是直流电机、交流感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机，95%搭载永磁同步电机。
从性能上看，永磁同步电动机是一种高效率（94%左右）的同步控制电机。
产品特点功率因素大、密度大、效率高、结构简单、维修方便、使用寿命长、可靠性高。
电机瞬时调速性能优良，操作灵活，在目前的机电产品中，表现出了较好的性能。
其技术缺点是在振动、高温等恶劣条件下会产生退磁现象，严重地影响了电机的工作性能。
基于转矩矢量控制的开关磁阻电机控制系统
摘要本文提出了一种基于瞬时电流控制的抑制开关磁阻电机转矩脉动的微步控制策略。
设计了以TMS320LF2407为主控制器的开关磁阻电机控制系统。
给出了系统的硬件电路和软件框图。
采用最新的转矩矢量控制策略,有效地抑制了转矩脉动。
仿真实验结果表明:本系统硬件简单、实用性好、具有良好的动态和静态特性。
关键词SR电机;DSP控制器;电动汽车
0 引言
开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)是在磁阻电动机的基础上发展起来的一种高性能机电一体化电机,以其结构简单坚固、成本低廉、工作可靠、耐高温等优点,又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得良好的可控性,已经在许多领域得到了应用。
但是,开关磁阻电动机最主要的缺点就是转矩脉动,它不仅直接影响着驱动系统的输出特性,而且还将不可避免加重电动机本身的振动和增加电动机运行时的噪声。
因此,开关磁阻电动机转矩脉动抑制的研究一直受到人们的重视。
文献[1]将模糊推理与神经网络有机结合起来,利用它的模糊规则和自学习能力,得到优化的期望相电流,从而实现电动机的低转矩脉动控制。
但是控制方案复杂,难以实现实时控制,且控制性能与模糊规则和样本的选取有重大关系。
本文设计了基于微步控制策略的开关磁阻电动机驱动控制系统,控制系统简单,有效地减小了转矩脉动,具有很好的应用价值。
1 SR电机矢量控制策略
1.1 SR电机矩角特性
由SR 电动机运行原理可以知道,其转矩是由磁路选择最小磁阻结构的趋势而产生的。
由于SR电动机磁路的非线性,通常SR 电动机的转矩根据磁共能来计算,即
式中,θ为转子位置角,i为绕组电流,k为电机相数。
在忽略开关磁阻电机磁路饱和及边缘效应,且假定电感与电流无关,则上式可简化为:
式中L 为SR 电动机相绕组的自感,其变化周期与转子的极对数成正比,利用傅立叶分解,且忽略高次谐波的影响,则L可表示为:
式中,L0、Lmax马戏为电感的恒定分量和谐波分量的幅值,据此电磁转矩可表示为:
式(4)即为SR电机的矩角特性,电角度β称为矩角。
在SR电动机中,当定转子中心线对准时,气隙很小,磁路是饱和的,而且从提高电机出力、减小功率变换器容量要求考虑,则磁路必须是饱和的。
因此,电感实际上是转子位置θ和相电流i 的函数,故电磁转矩也是转子位置θ和相电流i的函数。
1.2 SR电机转矩矢量控制原理
在上面的矩角特性分析中,每相绕组产生的基波电磁转矩是一种空间正弦波,其幅值和绕组磁动势平方成正比,稳定零位取决于该相磁极中心线的位置。
因此,可以用空间矢量Tk代表k相绕组的电磁转矩,其相位和k相绕组磁极中心线一致。
在开关磁阻电动机步进运动分析中,转矩星形图是一个强有力的分析工具。
对于四相8/6极SR电动机而言,A,B,C,D四相绕组产生的稳定零位在空间依次相差一个转子步进角,用机械角表示为15°,电角度为90°,如果依次给四相通入幅值相等的直流电,则转矩矢量TA 、TB、Tc和TD依次产生定位作用,开关磁阻电动机的转子将以步进角15°一步一步旋转。
如果忽略SR电机互感,允许将定位转矩进行矢量叠加,则得图1所示的转矩星型图,其中TAB 、TBC,、TCB和TDA是两相同时供电时产生的合成转矩矢量。
TAB比TA超前45°电角度,相当于1/8转子齿距,按机械角度计算为7.5°。
可以理解为TAB和TA错开半个步进角。
转矩星型图中转矩矢量间的相位关系只取决于定子磁极中心线间的距离。
称TA 、TB,、Tc和TD为基本转矩矢量,它们的相位取决于定子磁极中心线的空间位置,与各相绕组的电流大小无关.对于由基本转矩矢量合成的转矩TAB 、TBC,、TCB和TDA称为派生转矩矢量。
派生转矩矢量的相位是可以通过绕组电流的控制加以调节。
利用转矩星型图和派生转矩矢量可以这样设想,既然能够利用矢量和的方法由基本转矩TA 和TB去合成派生转矩矢量TAB,那就完全有可能利用电流幅值的控制去移动派生转矩TAB的相位,使它出现在基本转矩矢量之间的任何相位上,这就是微步细分控制[3]。
依据上述原理,我们可以通过改变相应的绕组电流大小来改变对应的电磁转矩,使对应每一步的合成转矩保持恒定。
随着电机每转细分步数的增加,电机的步进角则逐渐减小,从而使电机输出转矩的平滑性得到了很好的控制,转矩脉动得到了抑制[4,5]。
2 SR电机驱动系统设计
2.1 系统的硬件电路组成
根据图3的微步控制系统原理图,本文设计了基于TMS320LF2407A的控制系统[4],该控制系统硬件设计框图如图5所示。
该系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、DSP控制器、位置检测和电流检测等部分组成。
DSP控制器[5]采用TI公司生产的专用电机控制的信号处理器TMS320LF2407A,它将DSP的高速
运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体,保证了控制策略的实时实现。
本系统控制器是以TMS320LF2407A DSP为核心,根据转速给定,综合处理相电流检测电路输入的电流信号和光电式位置传感器输入电路的位置检测信号,根据控制规律,调整各相输出波形的占空比,经过光电隔离电路输出到驱动电路,控制主开关器件的通断,从而控制电机的转速;并经过人机界面输出动态转速以及其他信息。
同时,复位电路、过流保护电路和欠压过压保护电路保护着系统的复位和正常运行。
2.2 系统的软件实现
本系统的软件部分采用矢量控制策略,对每个通电相采用变角度电压PWM 控制方法,对SRM进行控制。
本控制程序主要包括主程序和中断服务子程序。
主程序的主要功能是进行系统的初始化和事件管理器(包括定时器、A/D转换器、PWM通道)的初始化,SRM参数的初始化。
以及当前转速显示等,图4为主程序流程图。
此外,还包括转子位置中断子程序和T1周期中断服务子程序。
转子位置中断通过QEP单元来检测转子的位置,T1周期中断子程序是本控制系统的核心部分,此子程序包括ADC转换自程序、电流PWM调节子程序、转速PI调节子程序、转速输入和转向输入子程序。
3 仿真实验研究
为了实现转矩脉动的抑制,运用前面的微步控制策略,对系统进行了仿真研究,仿真采用目前流行的仿真软件Matlab/Simulink 采用的电机有关参数如下:
Ns=8; Nr=6; U=460V; PN=0.75kW; J=0.0016kg.m2; Lmax=110mH; Lmin=10mH
图5中a、b分别为没有采用微步控制策略和采用微步控制策略时的稳态转矩。
从仿真结果可以看出,运用微步控制策略的电机稳态合成转矩脉动大大减小;图6-a、b分别为t=0.6s时参考转速由100rad/s突变为200rad/s和参考转速由100rad/s突变为80rad/s其转速变化波形。
从仿真结果可以看出,运用微步控制策略能够在低速下有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动,大大提高了电机的动态特性;参考转速突变过程中,实际转速能迅速跟随给定,无静差,说明具有较高的控制精度。
4 结论
本文基于开关磁阻电动机的线性模型,提出了转矩矢量的概念及其控制策略。
设计了以TMS320LF2407数字信号处理芯片为核心的电动汽车驱动系统,理论分析和仿真结果表明,将微步控制理论应用于开关磁阻电机调速系统,能够在低
速下有效地抑制开关磁阻电机的转矩脉动,大大提高了电机的动态特性。
这种控制策略控制简单,为开关磁阻电动机向更广领域的实际应用提供了有利条件。
参考文献
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[3]丁文,周会军,鱼振民.开关磁阻电机转矩脉动的智能抑制研究[J].微电机,2000,39(2):7-14.
[4]李继生,段秉龙,李文刚.基于DSP的开关磁阻电机控制系统研究[J].机电工程技术,2007,36(10):52-54.
[5]Husain I,Ehsani M.Torque ripple minimization in switched reluctance motor drive by PWM current control[J]. IEEE Trans on Power Electronics,1996,11:83-
88.。
