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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。
基于滑模观测器的永磁同步电机电流偏差解耦控制研究基于滑模观测器的永磁同步电机电流偏差解耦控制研究摘要：永磁同步电机（PMSM）以其高效率、高功率密度和良好的动态响应特性在工业和汽车电动化领域得到广泛应用。
然而，PMSM系统存在参数变化、负载扰动和电流耦合等问题，给控制带来一定的挑战。
本文针对这些问题，研究了一种基于滑模观测器的PMSM电流解耦控制方法。
首先，建立了PMSM系统的多输入多输出（MIMO）动态数学模型，考虑了电流耦合和负载扰动。
然后，设计了滑模观测器，用于估计系统未测量状态变量并消除电流耦合对控制系统的影响。
最后，设计了基于滑模控制器的解耦控制器，使得电流控制能够独立地实现。
关键词：滑模观测器、永磁同步电机、电流解耦控制、MIMO、负载扰动1 引言永磁同步电机是一种性能优越的电动机，具有高效率、高功率密度和快速响应特性。
因此，它在工业生产、航空航天、汽车电动化等领域得到广泛应用。
然而，PMSM系统在实际应用中常常会受到参数变化、负载扰动和电流耦合等问题的影响，从而影响系统的控制性能和稳定性。
2 PMSM系统建模2.1 PMSM动态数学模型PMSM电动机可以通过矢量控制的方式进行控制。
为了描述PMSM电机的动态行为，可以采用dq轴模型进行建模。
dq轴模型基于磁链方程和电压方程，可以描述PMSM电机各个状态变量之间的耦合关系。
3 滑模观测器设计3.1 滑模观测器原理滑模观测器是一种广泛应用于控制系统中的观测器，它可以通过测量部分状态变量并利用数学模型对未测量状态变量进行估计。
滑模观测器的设计原理是建立一个滑模面，在滑模面上系统状态变量的误差始终趋于零，从而实现对未测量状态变量的观测和估计。
3.2 滑模观测器设计步骤根据PMSM系统的动态数学模型，设计滑模观测器需要经过以下步骤：（1）建立滑模面：选择适当的滑模面，使得系统状态变量在滑模面上的误差能够趋于零。
（2）设计滑模率：根据滑模面的选择，设计合适的滑模率，使得系统状态变量能够在滑模面内快速收敛。
永磁同步伺服电机（PMSM）的基本结构和控制单元驱动器原理导语：永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。
全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。
随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。
永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。
永磁交流伺服系统具有以下等优点：电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；定子绕组散热快；惯量小，易提高系统的快速性；适应于高速大力矩工作状态；相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。
永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。
全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。
现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。
伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。
控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。
交流永磁伺服系统的基本结构交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。
其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。
永磁同步电机的滞环控制
永磁同步电机（PMSM）的滞环控制是一种常用的控制方式，它的主
要作用是提高电机的控制精度和效率。
在PMSM的运行过程中，存在着电机参数的不确定性和电磁干扰等不利因素，这些因素会影响电机
的控制效果和稳定性。
通过滞环控制，我们可以对PMSM进行更精细的控制，提高电机的性能和稳定性。
滞环控制的本质是控制电机转矩的输出，通过验证电机的实际输出和
预计输出之间的差异，调整电机控制器的输出电流和电压，从而达到
精确控制电机运行的目的。
与传统的速度和位置控制相比，滞环控制
的优势在于其能够消除电机参数的不确定性和电磁干扰对电机控制的
影响，提高了电机的运行精度和控制稳定性。
具体而言，滞环控制通过对电机控制器输出的交流电电压进行检测和
计算，实现对电机输出功率的有效控制。
通过在控制器中加入滞环控
制算法，实现对电机输出功率的跟踪和控制，确保电机输出的效率和
精度。
这种控制方式可以应用在各种复杂的系统中，包括风力涡轮机组、海洋运动助推器、电动汽车和高速列车等。
需要注意的是，滞环控制算法需要合理地选取控制器的参数和调整参
数值，以适应电机的不同运行条件和环境。
此外，在滞环控制过程中，
还需要进行保护措施，避免电机出现过高的电流和电压，从而保证电机安全运行。
总之，滞环控制是一种有效的控制方式，可以提高永磁同步电机的控制精度和效率。
在应用过程中，需要根据具体情况合理选择控制器参数，从而实现优化控制效果。
通过不断的优化和改进，滞环控制技术将为现代化工业和交通运输领域带来更加高效、智能的控制方式。
电流采样及坐标变换前言永磁同步电机（PMSM）应用范围广泛，经常用于新能源汽车、机床、工业等领域。
在实际使用中，我们经常采用矢量控制算法（FOC）完成PMSM的高性能控制。
矢量控制中通常采用双闭环结构，其中外环为速度环，内环为电流环。
为了实现PMSM高性能控制，我们会采用各种复杂的算法来实现目标，这其中电流环相关算法又是重中之重。
但是需要指出，电流环性能好坏除了与采用的算法有关之外，还与最基本的电流采样问题以及坐标变换问题紧密相关。
只有当这些细节问题研究到位之后，高性能的控制算法才会更好发挥作用。
本文档主要探讨电流环的电流采样问题、故障保护以及坐标变换问题。
1 单相电流采样模型及补偿图1为实际系统中电流采样系统示意图，主要电源（含参考源）、HALL电流传感器、放大及滤波电路、AD转换器。
对于实际采样系统而言，各个器件均不是理想的，综合起来会产生明显的赋值衰减和相位滞后，这势必会降低控制性能。
图1 电流采样系统示意图HALL电流传感器：（1）增益非线性：即使采样的电流为直流时，也会在电流较大时产生增益下降，即增益非线性（饱和效应）。
进行建模时，认为增益非线性只是改变了输出HALL输出电压幅值，并不产生相位滞后。
记为G。
Non（2） 低通特性：此特性会随着电流频率的变化而产生不同程度的相位滞后和幅值衰减。
记为()LPF1G s 。
由上述可知，HALL 传感器的传递函数为()()HALL Non LPF1G s G G s =⋅。
图2为传输非线性Non G 的示意图。
由此图可见在-400A~400A 是线性区域，增益为1pu ；而电流处于-700A~-400A 以及400A~700A 范围内时增益下降到了0.98pu ；当电流处于-900A~-700A 以及700A~900A 范围内时增益下降到了0.952pu 。
为了后续分析方便，这里假设()LPF11=3e -061G s s +。
实际系统的()LPF1G s 可由测试或者查询HALL 传感器的数据手册得到。
本文档是针对PMSM 电机FOC 控制驱动请注意区别42永磁同步电机(PMSM )引线说明电机相线黄U绿V蓝W传感器接口1GND电源地2VCC电源正（5V）3PW+霍尔传感器W4PV-V5PU+U6PZ+编码器Z+7PB+B+8PA+A+9NC无信号10NC11NC12NC13PZ-编码器Z-14PB-B-15PA-A-传感器接口引脚顺序定义42永磁同步电机(PMSM)参数供电电压24 V额定功率63W额定力矩0.2 N.M峰值力矩0.6 N.M额定转速3000 RPM 额定电枢电流 3.13 A力矩系数0.057 N.M/A 反电势系数 4.13 V/KRPM 磁极8(4对极)编码器1000线相电阻0.89±10%Ω相电感0.62±20%mH电机驱动板与PMSM 电机接线说明序号驱动板接口功能说明电机引脚1U 电机接口直流无刷电机动力线注意这里实际是将蓝线(W)和黄线(U)对调蓝电机粗线2V 绿3W 黄4VCC 外部电源外部24V 电源供电，驱动板允许接入电源范围：18~36V 直流电源5GND15V 电压输出，可以为外部设备供电PMSM 电机传感器专用接口霍尔传感器接口电机动力线&电源注意：请使用带电压电流保护的24V 电源供电，一般设置电源为24V 2A 输出，空载时候，电机正常运转时总电流大概是200mAPMSM 电机不使用该端子接口，直接使用驱动板左上角VGA 接口的传感器接口注意：调试时候严禁直接使用锂电池供电，必须使用带保护的电源供电。
这里电机的U(黄)线实际接驱动板的W接口；电机的W(蓝)线实际接驱动板的U接口。
注意：1.调试时候需要把开发板上的跳线帽都去掉，防止信号干扰，无刷电机例程都不需要跳线帽的2.开发板需要单独外部供电，使用USB线或者外部电源供电，如下图：霍尔传感器模式FOC控制例程连线方法对应以下例程：YSF1_PMSM-005. FOC v4.2_HallSensor_42PMSM YSF1_PMSM-008. FOC v2.0_HallSensor_42PMSM无刷电机驱动板与YS-F1Pro开发板接线说明序号模块引脚功能说明开发板引脚2U霍尔传感器霍尔传感器接口PC84V PC7 6W PC6 8U线电流电机驱动臂电流采集PC110V PC2 12W PC3 13V_BUS外部电源电压检测（过压、欠压保护）PC5 14温度环境温度检测（高温保护）PC0 15PU_H梯形方波驱动信号正弦波(SVPWM)驱动信号PA816PU_L PB1317PV_H PA918PV_L PB1419PW_H PA1020PW_L PB1522SD ShutDown引脚，停机，高电平有效与GND连接或者悬空21GND电源线开发板和驱动板至少需要连接一根GND线。
永磁同步电动机PMSM 电流控制
1、引言
由于结构简单、体积小、重量轻、低速性能好，永磁同步电动机(PMSM)在机器人、数控机床、航空航天、办公自动化等高性能伺服驱动领域受到了广泛关注[1]。
在永磁同步电动机交流伺服系统中，控制一般分成两步进行：一是位置或转速控制；二是电磁转矩或定子电流的控制。
由于电机位置或转速的控制归根结底是通过电磁转矩或定子电流的控制实现的，因此电磁转矩或定子电流控制的好坏直接决定了系统伺服性能的优劣[2]，并成为交流伺服系统的重要组成部分。
对于永磁同步电动机交流伺服系统，一般采用矢量控制方法或直接转矩控制方法。
矢量控制可通过一系列的矢量变换，使转子磁链与定子磁链正交，电磁转矩控制性能好，调速范围宽，但转子参数的变化对控制性能有较大的影响。
直接转矩控制则直接对电机的转矩进行反馈控制，从而可以抑制磁链变化对转矩的影响，近似实现转矩与磁链的解耦，控制结构简单，动态响应好，但电机转矩脉动大，低速性能较差[3-4]。
正是由于传统控制方法具有一定的局限性，人们开始探讨永磁同步电动机的新型控制策略，并试图把现代控制理论的成果应用到永磁同步电动机的控制中，以解决永磁同步电动机数学模型的非线性和强耦合问题。
到目前为止，已有多种控制方法被应用到永磁同步电动机中，如自适应控制、滑模变结构控制、非线性控制、智能控制等。
但有的控制算法过于复杂，导致实现困难或实时性极差；有的控制算法则过分依赖于电机的精确数学模型[5]，鲁棒性较差等等。
为此，本文从PMSM 电磁转矩与三相电流幅值之间的关系出发，研究了一种简易的电流控制方法。
该方法仅用一个电流幅值控制器，即可实现三相电流以及电磁转矩的间接控制，且不需复杂的坐标变换，简化了系统控制结构，提高了系统的实时性。
本文以下部分是这样安排的：第二部分对PMSM 的数学模型进行了简单介绍；第三部分则给出了PMSM 的简易电流控制方法；第四部分则对电流幅值反馈信号如何提取进行了研究；第五部分则以某PMSM 为例，对本文的方法进行了实验验证；第六部分给出了本文的结论。
2、PMSM 工作原理
为方便起见，对PMSM 做如下假设：
假设1：定子三相绕组对称，Y 型连接；
假设2：磁路是线性的，不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；
假设3：定子相绕组的感应电动势为正弦波，定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场高次谐波的影响。
在以上假设下，可写出PMSM 在三相静止坐标系中的电压平衡方程为：
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡dt d dt d dt d i i i r r r U U U c b a c b a c b
a c
b a ///000000ψψψ -------------------------(1) 其中，r a 、r b 、r
c 是绕组电阻，r a =r b =r c ；Ua 、Ub 、Uc 是定子电枢绕组端电压；ψa 、ψb 、ψc 是三相磁链，且
()f
e e e c b a e i i i M L ψπθπθθψ⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡-=)3/2cos()3/2cos(cos 111 ----------(2) 其中，L 为定子绕组自感，M 为定子绕组间互感；ψf 为转子磁链；θe 为转子电角度。
由式(2)可见，气隙磁链由两部分组成：一部分是定子电流在绕组电感上产生的，另一部分是由转子磁链产生的。
电磁转矩为：
ωc
c b b a a e i e i e i e T ++= ------------------------------------------------------(3)
其中，ω是电机转速，e a 、e b 、e c 分别是是定子绕组切割转子磁场所产生的各相反电势，且
⎪⎩⎪⎨⎧+=-==)3/2sin()3/2sin(sin πθπθθe c
e b e a E e E e E e -------------------------------------------------(4)
其中，E 是反电势幅值。
3、简易电流控制方法
为使PMSM 获得较好的转矩控制性能，根据式(4)的反电势，其三相电流应具备如下形式：
⎪⎩⎪⎨⎧+=-==)3/2sin()3/2sin(sin πθπθθe c
e b e a I i I i I i -------------------------------------------------(5)
将式(4)、式(5)代入式(3)，可得到电磁转矩为：
KeI I E T e ⋅=⋅=2/32/3ω ------------------------------------------(6)
其中，K e 是反电势系数，I 是相电流幅值。
可见，在相电流与反电势同相的前提下，控制相电流的幅值I 就可以控制电磁转矩的大小。
因此，PMSM 电磁转矩的控制可以转化为相电流幅值的控制，控制系统的结构图如图1所示。
与传统矢量控制方法相比，该方案有以下特点：
(1)电流环只需一个电流控制器，系统结构简化；
(2)根据位置传感器生成三相电流相位给定，保证各相电流与相反电势同相。
(3)无需复杂的坐标变换，简化了控制算法。
图 1 控制系统结构原理图
4、反馈信号提取与处理
为实现相电流幅值的反馈控制，需获得相电流幅值信息。
由式(5)可知，对于PMSM 来说，绕组三相电流是在空间互差120
22222/3I i i i c b a ⋅=++ ---------------(7)
因此，瞬时相电流幅值表示为：
)(3/2222c b a i i i I ++⋅= ------------(8)
5、实验结果与分析
为验证本文电流控制方法的有效性，在此针对一台5对极PMSM ，采用TMS320F2812，搭建了图1所示的实验平台。
在不同的电流幅值给定下，可以得到实验结果如图2至图5所示。
当电流幅值给定为0.21A 时，三相电流如图2所示，相电流幅值误差如图3所示。
由图
2、图3可以看出，三相电流较好的跟踪了三相给定，形成在空间互差120°电角度的正弦波。
相电流幅值与期望幅值接近，幅值误差很小，从而保证了电磁转矩的平稳性。
图2 三相电流实验波形（I=0.21A ）
图3 相电流幅值误差曲线（I=0.21A ）
当相电流幅值给定为1.1A 时，三相电流如图4所示，相电流幅值误差如图5所示。
与图2、图3类似，图4、图5同样实现了较好的电流控制效果，电流幅值误差保持在5%以内，达到了控制的基本要求。
图4 三相电流实验波形（I=1.1A）
图5 相电流幅值误差曲线（I=1.1A）
6、结论
本文从永磁同步电动机电磁转矩与相电流幅值之间的关系出发，研究了一种简易的电流控制方法。
该方法仅用一个电流幅值控制器，即可实现三相电流及电磁转矩的间接控制。
单电流控制器不仅简化了系统控制结构、提高了系统可靠性，同时还提高了系统的实时性，为PMSM控制提供了一种新的思路。
参考文献
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