永磁同步电动机调速控制系统的设计

永磁同步电动机　

运动系统控制方案研究　Ｈ　

。　中国毛新技术企业　

文／李可　，　任鹏飞　米捷　

【摘要】　永磁同步电动机常被用来构建高精度的运动控制系统，近年其应用受到广泛关注。本文介绍了　永磁同步电动机的结构和工作原理．分析了磁场定向矢量控制方法，提出了永磁同步电动机调速控制系统的　

控制方案。　【关键词】永磁同步电动机电机控制ＦＯＣ（￣场定向控制）　

永磁同步伺服电动机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ，简　称ＰＭＳＭ）是从绕线式转子同步伺服电动机发展而来的。它用强抗退　

磁的永磁转子代替了绕线式转子，因而淘汰了易出故障的绕线式转　

子同步伺服电动机的电刷，克服了交流同步伺服电动机的致命弱　

点，同时它兼有体积小、重量轻、低惯性、效率高、转子无发热问题的　

特点…［２］。因此它一经出现，便在高性能的伺服系统中得到了广泛地　应用．例如工业机器人、数控机床、柔性制造系统、各种自动化设备　

等领域。　１永磁同步电动机的结构和工作原理　永磁同步伺服电动机的定子与绕线式的定子基本相同。但可　根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁　

安装在转子轴的表面，如图１（ａ）。因为永磁材料的磁导率十分接近　空气的磁导率，所以在交轴（ｑ轴）、直轴（ｄ轴）上的电感基本相同　

。嵌入式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴的内部，如图１（ｂ），因此　

交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩　

存在。　

（ａ）凸极式　（ｂ）嵌入式　图１　永磁转子结构（两对磁极）　为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转　

子磁钢形状里抛物线状，使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分　

布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁　

动势。　

永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦　波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推　

动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位．就可以改变　

- 1 - 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。

InternalCombustionEngine&Parts

0引言

随着人类工业社会的迅速发展，能源危机是21世纪各个国家所面临的重大危机，也是要实现可持续发展所必

须解决的难题。永磁无刷直流电机的发展历史可以追溯到

上世纪四十年代，直到八十年代初期，在钕铁硼稀土这一

永磁材料的突破性研究取得了巨大成果，并且加上生产力

迅速提升，制造投入减小的影响，永磁无刷直流电机行业

迎来了蓬勃发展。近三十年来，随着科学研究的深入，永磁体性能得到

了跃进式的提升，相应的电力电子器件的完善和蓬勃发

展也促进了这一行业的迅猛发展。永磁无刷直流电机控制系统研究方向与现代电力电子技术、现代控制理论、电

机集成技术和微机技术等学科密切相关，相辅相成。科学

家们通过对其研究背景、研究意义、结构组成、工作原理、数学模型、硬件电路设计、软件设计等方面的深入研究，

使得永磁无刷直流电机在拥有良好调速性能的情况下，机

械换向和电刷等历史研究中出现的难点获得了解决，目前永磁无刷直流电机的用途遍布各行各业，小到家用电器，

大到航空航天，都有永磁无刷直流电机的身影，发展前景

不可估量。1研究背景与意义

从上世纪四十年代至今，永磁无刷直流电机的发展

在实际应用上与永磁材料的突破性研究，生产力迅速提

升，制造投入减小，电力电子器件的迅猛发展息息相关，

在理论研究上与现代电力电子技术、现代控制理论、电

机集成技术和微机技术等学科的深入研究息息相关。由

于其所具有的大功率、大转矩、高速度、高性能、微型化

和数字化等特点决定了该行业宽广的发展前景，也吸引

了不少科研工作者的目光。目前永磁无刷直流电机在各

行各业都得到广泛的应用，小到家用电器，大到航空航

天，都有永磁无刷直流电机的身影。基于上述原因，对永磁无刷直流电机的控制系统进

行合理的、科学的、系统的研究探索是非常重要且必要

的，这是现代工业发展和机电一体化所提出来的必须进

行的挑战，这一研究具有深远的理论意义和实际应用价值，并且会给整个社会和相关行业带来巨大的经济效益。2永磁无刷直流电机工作原理

天津大学

硕士学位论文

永磁同步电动机弱磁调速控制方法的研究

姓名：张鹏

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：夏超英

20070601中文摘要

中文摘要

由于永磁同步电动机（ＰＭｓＭ）具有体积小、功率密度高、效率和功率因数

高等明显优点，目前在电动汽车驱动系统中具有较高的应用价值，国内外学者在

这方面的研究取得了不少成果。同时，伴随着电力电子器件和高速微控制器的发

展，永磁同步电动机的控制理论研究和实践应用不断完善和提高，永磁同步电动

机驱动系统将会有更广泛的应用前景。

本文在阅读大量文献的基础上，熟悉了永磁同步电动机砌轴数学模型和矢量控制系统，针对其弱磁控制，从转子磁场定向和气隙磁场定向两个方面进行了

系统的分析和研究，并对驱动系统的控制器进行了仿真和设计。同时，对ＰＭＳＭ

基速以上弱磁控制时存在的电流调节器饱和、不可控问题，设计了带电压外环控

制的电流超前角弱磁控制方法，实现了基速以下恒转矩调速和基速以上恒功率弱

磁控制，以及两种工作模式的平滑、稳定过渡。

本文的主要内容包括：首先，．在永磁同步电动机砌轴数学模型的基础上，

分析了永磁同步电动机弱磁控制的原理，讨论了凸极率Ｐ和弱磁率善对ＰＭＳＭ弱磁特性的影响，设计了ＰＭＳＭ超前角弱磁控制方法，同时，对ＰＭＳＭ气隙磁

场定向的弱磁控制进行了分析，给出了系统控制原理图；在理论分析的基础上，

利用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ对设计的ＰＭＳＭ超前角弱磁控制方法进行了仿真验

证；最后，简单介绍了基于ＤＳＰ的数字控制系统的实现，针对ＰＭＳＭ超前角弱

磁控制系统提出了双模式软件设计思想，并给出了部分程序流程图。

关键词：永磁同步电动机（ＰＭＳＭ）弱磁控制电流超前角气隙磁场定向控制ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｈａｓｍａｎｙａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｈｅ

ｍｏｔｏｒｄｒｉｖｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｖｅｈｉｃｌｅｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｕｃｈ