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永磁同步电动机(PMSM)三相坐标系的数学模型2 PMSM 三相坐标系的数学模型为方便分析起见，将三相永磁的同步电动机看作是理想的电机，也就是说它符合下列假设：(1) 转子上面没有阻尼绕组；定子中各个绕组的电枢电阻、电感值相等，三相定子的绕组按对称的星形分布；(2) 其气隙磁场服从正弦分布而且各次谐波忽略不计，感应电动势也服从正弦分布；(3) 永磁体的等效的励磁电流恒定不改变；电机中的涡流、趋肤效应、电机铁芯饱和和磁滞损耗的影响均忽略不计；温度与频率不影响电机的参数。
坐标系正方向的选取： (1) 转子逆时针方向旋转为正； (2) 正向电流生出正向磁链；(3) 电压，电流的正方向按照电动机的惯例。
则静止三相坐标系里PMSM 的定子侧电压方程3333s s s s u R i p ψ=⋅+ (4-1)静止三相坐标系里PMSM 的定子侧磁链方程3333()s s s f s L i F ψψθ=⋅+⋅ (4-2) 式中，3A s B C i i i i ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，3000000s R R R R ⎛⎫ ⎪=⎪ ⎪⎝⎭，3A s B C ψψψψ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 3A s B C u u u u ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，3sin ()sin(120)sin(120)s F θθθθ⎡⎤⎢⎥=-︒⎢⎥⎢⎥+︒⎣⎦3331cos120cos 240100cos1201cos120010cos 240cos1201001s m l L L L ︒︒⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=︒︒+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪︒︒⎝⎭⎝⎭电机统一理论和机电能量转换告诉我们，电机的电磁力矩[37]*I m ()s s e p T n i ψ=- (4-3) 式中，*代表取共轭复数，Im 代表取虚部。
3 PMSMdq 坐标系的数学模型三相交流电机是一个耦合强、非线性、阶次高的多变量系统，它在三相静止的坐标系里的数学模型相当复杂，应用传统的控制策略对其实现交流调速有很大的困难，所以对于一般的三相交流电机常常应用矢量控制的方法，采用坐标变换，把三相交流的绕组等效变换成两相互相垂直的交流绕组或者旋转的两相直流的绕组，等效变换以后其产生的磁动势相等，系统的变量之间得到了部分的解耦，它的数学模型得到了大大简化，使得对于系统的分析和控制也简化了很多，使得它的数学模型与比较简单的直流电机类似[52]。
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 ϕ、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：计算额定数据:(1) 额定相电压:N 220V U U ==(2) 额定相电流：3N N N N N1050.9A cos P I mU ηϕ⨯== (3) 同步转速：160=1000r /min f n p= (4) 额定转矩：3N N 19.5510286.5N m P T n ⨯== 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:2i11P D L C n '= N N N cos E K P P ηϕ'=， 6.1p Nm dp C K K AB δα=' 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。
永磁同步电动机三种基本调速方法
永磁同步电动机是一种常用的高效率电动机，常用于工业生产中的带载设备。
为了实现电动机的调速，常用以下三种基本调速方法： 1. 电压调制法：该方法通过改变电动机的输入电压来实现调速。
可以通过改变变频器的输出电压来改变电动机的输出电压和频率，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是控制简单，响应速度快，但是对于负载变化较大的情况下，调速效果可能不稳定。
2. 磁场调制法：该方法通过改变电动机内部的磁场强度来实现调速。
可以通过改变变频器的输出频率和相位，来改变电动机内部的磁场强度分布，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是调速范围广，调速效果稳定，但是控制复杂度较高。
3. 直接转矩控制法：该方法通过直接控制电动机的转矩大小来实现调速。
可以通过改变变频器输出的电流大小和相位，来控制电动机的转矩大小，从而改变电动机的转速。
该方法的优点是调速响应速度快，调速效果稳定，但是对于负载变化较大的情况下，需要进行较为复杂的控制设计。
综上所述，不同的永磁同步电动机调速方法各有优缺点，需要根据实际应用情况选择合适的调速策略。
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永磁同步电机变频调速控制方法研究第一章前言随着社会的发展，电机控制技术的研究和应用越来越受到关注。
永磁同步电机作为一种新型电机，具有高效、低噪音、小体积、高可靠性等优点，被广泛应用于新能源汽车、电动机车、风力发电以及工业自动控制等领域。
而变频调速控制技术则是电机驱动中的核心技术之一，可以改变电机输出的频率和电压，从而实现精准控制。
本文将着重研究永磁同步电机的变频调速控制方法，分别从控制系统结构、控制算法和实验验证三个方面进行探讨，旨在为永磁同步电机的实际应用提供参考。
第二章控制系统结构永磁同步电机的控制系统框图如下图所示：其中，电机控制器、变频器、传感器和计算机组成了整个控制系统。
电机控制器主要负责控制永磁同步电机的转速和电流，实现闭环控制；变频器则是将直流电源转换成交流电源，并可实现变换频率和电压的功能；而传感器主要用于测量电机的实际速度、位置以及转矩等信号，为电机控制提供反馈信号。
在永磁同步电机的控制系统中，最为关键的部分是电机控制器。
电机控制器可以采用矢量控制算法、直接转矢量控制算法、预测控制算法等不同控制算法进行实现。
其中，矢量控制算法具有控制精度高、响应速度快等优点，被广泛应用于永磁同步电机的控制中。
第三章控制算法3.1 矢量控制算法矢量控制算法是在永磁同步电机坐标系中进行控制的一种算法，其核心思想是将三相电压和电流通过变换矢量的方式，转换成两相电压和电流进行控制，从而实现在任意转速下永磁同步电机的控制。
具体来说，矢量控制算法是将永磁同步电机转换成dq坐标系，通过dq坐标系下的电压矢量和电流矢量，实现对电机的精确控制。
该算法不仅控制精度高，而且稳定性好，已经成为永磁同步电机控制中最为常用的方法。
3.2 直接转矩控制算法直接转矩控制算法又称为直接转矩控制算法，它也是在dq坐标系下进行控制的一种算法。
与矢量控制算法不同的是，直接转矩控制算法不需要进行矢量变换，通过直接控制dq坐标系下的电流，控制永磁同步电机的电磁转矩。
《运动控制系统》课程设计任务书一、设计目的与任务课程设计的主要目的是通过设计某直流电机调速系统或交流电机的调速系统或者应用交直流电机的调速的控制系统的设计实践，了解一般电力拖动与控制系统设计过程、设计要求、应完成的工作内容和具体设计方法。
通过设计也有助于复习、巩固以往所学的知识，达到灵活应用的目的。
电力拖动与控制系统设计必须满足生产设备和生产工艺的要求，因此，设计之前必须了解设备的用途、结构、操作要求和工艺过程，在此过程中培养从事设计工作的整体观念。
课程设计应强调能力培养为主，在独立完成设计任务的同时，还要注意其他几方面能力的培养与提高，如独立工作能力与创造力；综合运用专业及基础知识的能力，解决实际工程技术问题的能力；查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；工程绘图的能力；书写技术报告和编制技术资料的能力。
二、教学内容及基本要求在接到设计任务书后，按原理设计和工艺设计两方面进行。
1．原理图设计的步骤1)根据要求拟定设计任务。
2)根据电力拖动与控制系统的设计要求设计主电路。
3)根据主电路的控制要求设计控制回路4)要考虑保护环节，如过电压、过电流等的保护。
5)总体检查、修改、补充及完善。
主要内容包括：6)进行必要的参数计算和设计必要的软件控制流程。
7)正确、合理地选择各电器元器件，按规定格式编制元件明细表。
2．工艺设计步骤1)根据电力拖动与控制系统的任务书的设计要求，或者根据运用电力拖动调速等的设计控制对象及工艺的要求，进行分析。
2)选择合适的设计方案，论证设计方案的合理性。
3)根据设计方案设计合适的电力拖动与控制系统的或运用电力拖动调速的控制系统的主电路和控制电路，并画出相应比较相尽得电路图。
4)进行相应的参数进算，包括电子元器件的参数的计算与选取。
5）软件设计至少要包含比较完整的软件设计流程图。
要求学生能独立完成课程设计内容。
达到本科毕业生应具有的基本设计能力。
三、课程教学的特色说明要求学生掌握一定的理论基础知识，同时具备一定的实践设计技能，并且能够电力拖动与控制系统课程中讲授的内容结合实际情况进行系统设计以及编程。
电动自行车永磁同步电机矢量控制调速策略的设计江剑峰;曹中圣;杨喜军;雷淮刚【摘要】电动自行车(E-Bike)传动系统的发展日益强调节能降耗和优良调速性能.采用矢量控制的电动自行车永磁同步电机(PMSM)变频调速策略,相比无刷直流电机的120°或180°导通调制策略,具有转矩脉动小、机械噪声低等优点.在描述电动自行车传动系统结构基础上,描述了电动自行车转子磁链定向PMSM矢量调速、单零矢量开关损耗最小空间矢量脉宽调制( SVPWM)、三相定子电流重构的基本原理,在利用MATLAB/Simulink仿真分析后,设计了基于单片机uPD78F1213的实际系统,试验结果表明上述设计方案是可行的,具有良好的性能价格比.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2011(038)006【总页数】5页(P21-25)【关键词】电动自行车;永磁同步电机;矢量控制;电流重构【作者】江剑峰;曹中圣;杨喜军;雷淮刚【作者单位】上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海200240;上海大学自动化系,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TM301.2:TM3510 引言作为一种清洁环保的交通工具，电动自行车(E-Bike)因其生产和使用方面具有许多优点，市场前景非常广阔。
目前为止，E-Bike的电动机大都采用永磁无刷直流电动机(Brushless DC Motor，BLDCM)，这种电动机的反馈装置和控制结构都比较简单，生产成本也较低。
但是定子电流和气隙磁通为方波或梯形波，带来了转矩脉动大的固有不足，特别是低速时，脉动更加明显，静音效果差。
E-Bike量大面广，由蓄电池供电，要求其传动系统具有更高的效率。
基于以上考虑，可以采用基于矢量控制的永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)代替 BLDCM，可以克服以上问题。
三相永磁同步电动机变频调速系统设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：运动控制系统课程设计题目：三相永磁同步电动机变频调速系统设计专业班级：自动化姓名：学号：指导教师：评阅意见：指导老师签名：本论文在研究永磁同步电动机运行原理的基础上详细讨论了其变频调速的理论并且设计了一套基于DSP的永磁同步电动机磁场定向矢量控制系统。
永磁同步电动机相对感应电动机来说具有体积小、效率高以及功率密度大等优点，因此自从上个世纪80年代，随着永磁材料性能价格比的不断提高，以及电力电子器件的进一步发展，永磁同步电动机的研究也进入了一个新的阶段。
由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。
本文就是应用电压矢量控制SVPWM实现对永磁同步电机的转矩控制，使其拥有直流电机的性能。
关键词：永磁同步电机矢量控制dq变换DSP1 绪论 (1)1.1 研究背景与意义 (1)1.2 研究现状及应用前景 (1)2 永磁同步电机的矢量控制方法 (3)3 硬件电路设计 (4)3.1 电流检测电路 (4)3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路 (5)3.3 PWM发生电路 (6)3.4 IPM智能功率模块驱动电路 (7)3.5 系统保护电路 (8)3.6 人机接口电路 (9)4 软件设计 (9)设计心得 (12)参考文献 (13)1 绪论1.1 研究背景与意义众所周知，电动机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。
为了在电机内建立进行机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种方法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相关的装置，又需要不断的供给能量以维持励磁电流的持续流动；另一种方法是用永磁体来产生磁场。
由于永磁体材料的固有特性，它经过预先磁化(充磁)后，不需要外加能量就能够在其周围空间建立磁场。
永磁电机的发展是与永磁体材料的发展密切相关的。
近几十年来，由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。
特别是20世纪30年代出现的铝镍钻永磁和50年代出现的铁氧体永磁，磁性能有了很大的提高，各种微型和小型电机又纷纷采用永磁体励磁。
永磁电机的功率小至数毫瓦，大至几十千瓦，在军事、工农业和开常生活中得到了广泛的运用，产量急聚增加。
按照工作原理，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。
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。
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。
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。
本文就是针对永磁同步电机进行的矢量控制的变压变频调速系统设计。
1.2 研究现状及应用前景自从上个世纪80年代以来，随着电机调速控制理论、电力电子和微电子技术的迅速发展以及永磁材料性能价格比的不断提高，永磁同步电动机的变频调速进入了深入研究和广泛应用的阶段。
由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其dq变换算法相对简单、电机转子磁极的位置易于检测，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了同样的重视，有关永磁同步电动机矢量控制研究的成果陆续发表。
与此同时，对永磁同步电动机的调速控制性能也提出了更高的要求：高性能的永磁同步电动机调速系统除了要有良好的转矩控制性能外，还应具有较宽的调速范围。
随着现代工业生产方式的益自动化发展的需要，对作为其中重要组成部分的现代电伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求，以永磁同步电动机为核心的电伺服系统具有精度高，稳定性好，转速高，功率密度大等特点，已日渐成为电伺服驱动系统的主流，尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域更是具有取代传统直流伺服系统的趋势。
从其应用领域的特点和永磁同步电动机伺服系统自身技术的发展来看，今后永磁同步电动机伺服系统将向着以下两个方向发展：一个是适用于简易数控机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制等领域的简单、成本低的永磁同步电动机伺服系统；另一个方向则是适用于高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细给进驱动以及航空、航天用的高性能的全数字化、智能化、柔性化的永磁同步电动机伺服系统。
而后一个作为更能充分体现永磁同步电动机伺服系统优点的发展方向也必将是永磁同步电动机伺服系统的重点发展方向。
2 永磁同步电机的矢量控制方法由电机学理论可知，在三相定子绕组中通入三相对称的电流，可以产生相应的三相磁动势。
其合成磁动势是一个圆形的空间旋转磁势。
而且可以证明，旋转磁势可以形成一个圆形旋转磁场（若不考虑磁滞和涡流损耗，则旋转磁势和旋转磁场在空间上同相位），并与电机的转子永磁体所产生的磁场相互作用形成电磁力，从而推动转子旋转。
由于电动机的转速与电源频率保持严格的同步关系，因而速度不可调。
与感应电动机的控制相类似，高性能的永磁同步电动机的变频调速策略也有两种：矢量控制和直接转矩控制。
矢量控制技术是从直流电动机的控制中得到启发，其励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和电枢绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立控制。
永磁同步电动机的矢量控制就是分别控制定子电流的幅值和相位，包含了id=0控制、cosφ=l控制、恒磁链控制、最大转矩/电流控制等不同的控制方法。
将永磁同步电机的转子励磁磁势方向定为d轴，超前90度的方向定义为q轴，于是可以建立dq旋转坐标系。
dq轴电流的控制是通过dq轴电压的控制实现的。
但dq轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，系统的控制方案可以设计为图2.1所示。
位置调节器ASR ACR2/3变换三相电压源逆变器ACR速度计算abc位置传感器dqθ给定ω给定iq给定uqθId给定=0ωiqidiaibicθPM图2.1 系统结构图3 硬件电路设计系统采用的DSP芯片为TMS320F2407，它是电机专用控制DSP，集成了相当多的电机控制外围电路，这使得系统硬件设计变得十分简单。
硬件系统的主回路采用交一直一交电压型逆变器(VSI)形式，由不控整流桥、滤波电容、逆变器以及作为控制对象的永磁同步电动机等组成。
硬件部分主要包括：人机接口、整流逆变装置、电流检测、光电码盘信号采集、系统保护等，硬件结构图如图3.1所示。
对LF2407控制器而言，其输入量主要为每一采样周期采样的a、b相定子电流信号和由增量式脉冲编码器输出的电机转速信号，输出量主要为IPM功率模块的控制信号。
串行接口故障检测DSP控制器TMS320LF2407三相电源三相整流电路IPM逆变电路驱动电路电流传感器脉冲编码器PMSM图3.1 系统硬件结构框图3.1 电流检测电路在没有中线时，可以认为电动机定子三相电流之和为0，因此检测a、b两相电流值可以重构出c相电流。
本系统检测电流使用霍尔电流传感器。
由于霍尔元件输出的是弱电流信号，因此必须将该电流信号转换成电压信号，且由于霍尔传感器的输出为有正负方向的电流信号，其转换得到的电压信号也有正负，而TMS320LF2407的片内A/D转换器的输入为0～+5V的电压信号，因而需要电平偏移电路，将有正负极性的电压信号转换为LF2407A/D 转换器所需的单极性电压信号。
电流采样电路的原理框图如图3.2所示。
LEM2.5V 电压偏移ADC 输入电压放大器输出电压霍尔元件输出电压图3.2 采样电路原理图3.2 转速检测和转子磁极位置检测电路高性能的变频调速系统一般都要求有高精度的速度和转子位置反馈元件。
光电编码器是一种直接将角位移变量转换为数字信号的检测元件。
因为具有较高的分辨率和简单的接口电路，所以特别适合于交流调速系统。
系统中选用增量式光电脉冲编码器检测转速，转子速度和位置检测的DSP 外部接线电路如图3.3所示。
图中PCA 、PCB 是从编码器上引出的增量式光电信号，两路信号相位相差90度。
C1、C2、C4、C8是从编码器混合编码盘得到的反映电机转子绝对位置的光电信号，按照格雷码规律变化，其中，C1的变化频率是C2的一倍，是C4、C8的四倍，C4、C8同频率，但相位相差90度。
整形后的信号，PCA 连接到DSP 的CAP1、CAP3管脚，PCB 连接到CAP2、CAP4管脚。
格雷码信号Cl 、C2、C4、C8分别接到DSP 的4个通用10端口IOPA0、IOPA1、IOPA2、IOPA3。
C1还同时连接到外部中断检测管脚XINT2和XINT3。
TMS320LF2407隔离放大混合编码盘CAP4CAP3CAP2CAP1IOPA3IOPA2IOPA1IOPA0XINT3XINT2PCB PCA C1C2C4C8图3.3 外部接线图3.3 PWM发生电路片上PWM发生电路是LF2407实现单片电机控制的又一硬件保证，它使在产生用于电机控制和运动控制场合的脉宽调制波形时，把CPU开销和用户的干预降至最少。
在本系统中，我们使用空间矢量SVPWM波形发生器，由其产生的PWM信号进入死区发生单元，死区宽度从0～102.4μs可调。
要产生一个PWM 信号，需要一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。
比较寄存器的值不断地与定时计数器的值相比较，当两个值匹配时，在相应的输出上就会产生一个变换(从高到低或从低到高)。
当两个值之间的第二个匹配产生或一个定时周期结束时，相应的输出上会产生又一个转换(从低到高或从高到低)。
通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。
在每个定时器周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这要由控制软件根据每个采样周期的反馈量实时计算得到。
这样在相应的输出引脚就会产生一个PWM信号。
在PWM发生电路中，还有一个关键部分即死区发生。
在系统主回路中，两个功率器件被串联放在一个功率转换支路中。
为避免击穿失效，两个器件的导通时问必须不能重叠，这样就需要一对非重叠的PWM输出来正确地开关这两个器件。
