永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与实现

永磁同步电机的仿真模型1、永磁同步电机介绍永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波"定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩"旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。

它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等"而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等"凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（field orientation control,FOC）与直接转矩控制技术（direct torque control，DTC）。

在这里我们使用磁场定向矢量控制技术来建立永磁同步电机的仿真模型。

磁场定向矢量控制技术的核心是在转子旋转坐标系中针对激磁电流id和转矩电流iq分别进行控制，并且采用的是经典的PI线性调节器，系统呈现出良好的线性特性，可以按照经典的线性控制理论进行控制系统的设计，逆变器控制采用了较成熟的SPWM、SVPWM等技术。

磁场定向矢量控制技术较成熟，动态、稳态性能较佳，所以得到了广泛的实际应用。

该方法摒弃了矢量控制中转子磁场定向的思想，采用定子磁场定向，分别对定子磁链和转矩直接进行控制。

用于电动汽车的永磁同步电机驱动控制系统设计与实现1. 本文概述随着全球对可再生能源和环保意识的日益增强，电动汽车（EV）作为一种绿色、低碳的出行方式，正逐渐成为未来交通的主要趋势。

作为电动汽车的核心部件，电机驱动控制系统的性能直接影响着车辆的动力性、经济性和可靠性。

永磁同步电机（PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的控制性能，在电动汽车领域得到了广泛应用。

本文旨在探讨用于电动汽车的永磁同步电机驱动控制系统的设计与实现，为电动汽车的进一步发展提供技术支持和理论参考。

文章首先介绍了永磁同步电机的基本原理和特性，分析了其在电动汽车应用中的优势和挑战。

随后，详细阐述了永磁同步电机驱动控制系统的总体设计方案，包括硬件平台的选取、控制策略的制定以及关键技术的实现。

在硬件设计方面，文章讨论了功率电子开关的选择、电流传感器的配置以及电机参数的匹配等问题。

在控制策略方面，文章重点介绍了矢量控制、直接转矩控制等先进控制方法，并分析了它们在提高电机性能、优化能量利用等方面的作用。

文章还针对永磁同步电机驱动控制系统中的关键技术问题，如参数辨识、无位置传感器控制、热管理等进行了深入研究和探讨。

通过理论分析和实验验证，文章提出了一系列有效的解决方案，为永磁同步电机在电动汽车中的实际应用提供了有力支持。

文章总结了永磁同步电机驱动控制系统的设计与实现过程中的经验教训，展望了未来在该领域的研究方向和应用前景。

通过本文的研究，旨在为电动汽车的电机驱动控制技术的发展提供有益的参考和借鉴。

2. 永磁同步电机在电动汽车中的应用及优势提高电动汽车效率：永磁同步电机能够提供稳定和强大的磁场，提高电机的效率和输出功率，从而提高电动汽车的动力性能。

增强电动汽车性能：永磁同步电机的转子损耗很小，功率密度高，可采用多极，为采用直接驱动、全封闭结构和系统集成化提供了可能。

高效能：永磁同步电机的能效更高，不需要产生额外的磁场，转子能够快速响应变化的负载条件，实现最大功率输出。

永磁同步电机控制系统设计与仿真目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 永磁同步电机的发展概况与研究现状 (1)1.2 永磁同步电机的研究意义 (2)1.3 论文主要研究内容 (3)2 永磁同步电机系统 (4)2.1 永磁同步电机的分类和结构 (4)2.2 永磁同步电机的工作原理和特点 (4)2.3 永磁同步电机数学模型 (6)3 永磁同步电机控制策略 (8)3.1 恒压频比控制 (8)3.2 矢量控制 (8)3.2.1 矢量控制的组成和原理 (9)3.2.2 矢量控制的控制方式 (10)3.2.3 矢量控制的坐标变换 (11)3.2.4 矢量控制的基本方程 (16)3.3 直接转矩控制 (17)3.3.1 定子磁链控制 (18)3.3.2 空间矢量控制 (21)3.4 直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较 (21)3.5 小结 (22)4 基于Matlab/Simulink的永磁同步电机矢量控制系统仿真 (23)4.1 电压空间矢量脉宽调制原理 (23)4.1.1 电压空间矢量 (23)4.1.2 零矢量的作用 (25)4.1.3 空间电压矢量控制算法 (26)4.2 坐标变换模块 (27)4.3 SVPWM模块 (28)4.3.1 扇区选择 (28)4.3.2 计算X、Y、Z和TX 、TY定义 (28)4.3.3 计算矢量切换点Tcm1，Tcm2，Tcm3 (29)4.4 PMSM闭环矢量控制仿真模型 (31)4.5 仿真结果 (31)4.6 结束语 (32)5 结论 (33)5.1 研究总结 (33)5.2 未来研究方向和展望 (34)致谢 (35)参考文献 (36)永磁同步电机控制系统设计与仿真摘要由于永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率和功率因数高等明显特点，从70年代末开始，永磁同步电机就得到广泛重视。

随着高性能永磁材料的发展和价格的不断下降，永磁电机的应用越来越广泛。

现代永磁同步电机控制原理及matlab仿真1.控制原理位置控制：通过测量电机转子位置，采用位置传感器的信息反馈，使得电机的转子角度与目标角度保持一致。

位置控制主要包括两个环节：定子电流控制和电流矢量控制。

定子电流控制根据给定的目标角度计算出合适的电机定子电流矢量，以产生所需的电磁磁势，从而实现转子位置的控制。

转速控制：转速控制是为了使得电机的转速与给定的目标转速保持一致。

转速控制主要包括两个环节：PI调节器和电流矢量控制。

PI调节器根据转速误差计算出合适的电机定子电流矢量值，然后通过电流矢量控制将该矢量投射到静止转子坐标系中，从而实现转速的控制。

控制方法有三种：电流注入法、无转子定位法和定子电流控制法。

其中，定子电流控制法是最常用的控制方法。

该方法通过测量电机的电流和电机转子位置，计算出所需的定子电流矢量，并将其转换为电压值施加到电机的定子绕组上，实现对电机的控制。

2.MATLAB仿真MATLAB是一款常用的工程软件，其仿真功能强大且易于使用，适合用于现代永磁同步电机的控制仿真。

首先，在MATLAB中建立永磁同步电机的模型，包括电机的电路模型和机械模型。

然后，根据需要选择仿真方法，比如欧拉法或龙格库塔法，以及仿真的时间步长。

设置好参数后，就可以进行仿真实验了。

对于位置控制的仿真，可以设置一个给定的目标角度，并根据电机模型和控制原理计算出相应的定子电流，将其作用于电机的定子绕组中，并观察电机转子角度是否能够与给定的角度保持一致。

对于转速控制的仿真，可以设置一个给定的目标转速，并根据电机模型和控制原理计算出相应的定子电流，将其作用于电机的定子绕组中，并观察电机转速是否能够与给定的转速保持一致。

通过进行多次仿真实验，可以调整控制参数，优化控制算法，以获得更好的控制效果。

总结现代永磁同步电机的控制原理主要包括位置控制和转速控制两个方面，其中定子电流控制是最常用的控制方法。

使用MATLAB进行仿真可以有效地验证控制算法的性能，并进行参数调整和优化。

1. 课题背景及意义1.1课题研究背景、目的及意义近年来, 随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展, 交流伺服控制技术有了长足的进步, 交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统, 借助于计算机技术、现代控制理论的发展, 人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。

因此, 近年来, 世界各国在高精度速度和位置控制场合, 己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。

二十世纪八十年代以来, 随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现, 使永磁同步电机得到了很大的发展, 世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮, 在数控机床、工业机器人等小功率应用场合, 永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。

永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。

以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。

可以毫不夸张地说, 永磁同步电机已在从小到大, 从一般控制驱动到高精度的伺服驱动, 从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现, 而且前景会越来越明显。

由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低, 易于散热及维护等优点, 特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现, 在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中, 永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐, 其应用领域逐步推广, 尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。

尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展, 各种控制技术的应用也在逐步成熟, 比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。

然- 1 -而, 在实际应用中, 各种控制策略都存在着一定的不足, 如低速特性不够理想, 过分依赖于电机的参数等等。

永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真王涛;李勇;王青;贾克军【摘要】基于永磁同步电机具有多变量、非线性的复杂特性,为研究需要,对其物理模型进行简化,建立了电机的数学模型及其基本方程.在矢量控制众多方法中采用最为简单的使直轴电流id=0方法进行研究,得到了基于转子磁场定向矢量控制下的电机电磁转矩方程.在Matlab/Simulink搭建整个系统仿真模型、转速和电流控制模块,并对这些模块进行仿真.仿真结果表明所得波形符合理论分析,系统响应快、超调量小,系统运行稳定,具有良好的动、静态特性.该模型的建立和分析对电机的实际控制提供了新的研究思路.%Based on the complex system of Permanent Magnetic Synchronous Motor (PMSM) with multi-variable and nonlinear, in this paper, the physical model of PMSM is simplified and the mathematical model of the motor is established in order to facilitate research. This paper uses id = 0 control manner which is the simplest manner in vector control methods, motor electromagnetic torque equation is established based on rotor field oriented vector control. The system model,speed and current control block are built and simulated with Matlab/Simulink. Simulation results show that the waveform is consistent with theoretical analysis; the model has fast response and small overshoot. The system runs stably with good dynamic and static characteristics. So,the establishment and analysis of PMSM model provide a new study for its actual control.【期刊名称】《河北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(031)006【总页数】5页(P648-652)【关键词】永磁同步电机;矢量控制;建模;仿真【作者】王涛;李勇;王青;贾克军【作者单位】河北大学质量技术监督学院,河北保定071002;北京科技大学车辆工程研究所,北京100083;河北大学质量技术监督学院,河北保定071002;河北大学质量技术监督学院,河北保定071002【正文语种】中文【中图分类】TH39永磁同步电机与励磁同步电机相比取消了励磁电源和励磁绕组，取而代之的是能够产生稳定磁场的永磁体，这就使得永磁同步电机结构更加紧凑，重量减轻，体积减小，又由于同时也取消了励磁系统的损耗，其效率、功率因数得到了很大的提高［1-2］.永磁同步电机的励磁磁场由转子上的永磁体产生，按转子磁场定向的矢量控制实现类似于直流电机对转矩和转子磁链的分别控制，从而获得类似于直流电机的宽范围调速性能.随着电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电机具有精度高、动态性能好、调速范围大以及定位控制准确等优点，常被应用于伺服系统和高性能的调速系统，因此引起了国内外越来越多学者的广泛关注［3］.本文对永磁同步电机建立数学模型得到其基本方程，对矢量控制众多控制方法中最为简单的id＝0方法进行研究，在Matlab／Simulink平台下建立该控制方法的仿真模型并进行仿真，并对仿真结果进行分析.该模型的建立和分析对电机的实际控制提供了新的研究思路.1.1 永磁同步电机基本结构永磁同步电机的定子与一般交流电机的定子绕组相同，采用三相交流绕组.定子铁心由带有齿和槽的冲片叠成，在槽中嵌入交流绕组.当三相对称电流通入三相对称绕组时，在气隙中产生同步旋转磁场，为简化问题同时又不影响数学模型的精度，常作如下假设：1）气隙磁场即永磁体产生的励磁磁场和三相绕组产生的电枢反应磁场呈正弦分布，定子三相绕组磁通产生的感应电动势也呈正弦分布；2）由于永磁同步电机的气隙比较大，所以不计定子磁路的饱和和铁损；3）转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用［4-5］.1.2 永磁同步电机基本方程将永磁同步电机模型建立在三相静止坐标系（abc坐标系）上，可得到其各绕组电压平衡方程［6-7］式中，ea，eb，ec 为永磁体磁场在a，b，c三相电枢绕组中感应的旋转电动势，Rs 为定子绕组电阻，La，Lb，Lc 为定子绕组自感，Mab，Mbc，Mca为绕组间的互感.由于转子结构不对称，将abc坐标系（三相静止坐标系）中的a，b，c三相绕组先变换到αβ坐标系（两相静止坐标系），然后再由αβ坐标系变换到dq坐标系（两相旋转坐标系）中.采用的坐标变换关系式为［8-11］得到dq坐标系上的电压方程为dq向abc转换关系如式（5）所示.式中，Ld，Lq 为定子绕组自感，id，iq 为d，q轴电流分量，Rs 为定子绕组电阻，ud，uq 为d，q轴电压分量，ωr 为转子角速度，ψf ＝ψfm／2，ψfm 为与定子a，b，c三相绕组交链的永磁体磁链的幅值.电机在dq坐标系中转矩方程为永磁同步电机的矢量控制方法有很多种，其中使直轴电流id＝0控制是最常用的方法.此时电流矢量随负载状态的变化在q轴上移动.根据式（4），id＝0时的电磁转矩为.采用该方法消除了直轴电流带来的电枢反应，电机所有电流都用来产生电磁转矩，电流控制效率得到提高，产生最大的电磁转矩.永磁同步电机矢量控制结构图1所示.根据永磁同步电机矢量控制结构图［12-15］，在Matlab／Simulink中搭建仿真模型，如图2所示.本文采用永磁同步电机电流、速度的双闭环控制，如图3所示.内环为电流环，外环为速度环.将电流环看作是速度调节系统中的一个环节，其作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部干扰，限制最大电流以保障系统安全运行，速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动［16］.转速调节模块如图4所示.该模块由PI调节器和限幅输出模块组成.通过反复调整kp，ki参数使系统输出达到最佳状态.电流调节其实就是转矩调节模块，将转速调节器的输出电流作为转矩调节器的输入.该模块也由PI调节器和限幅输出模块组成，电流调节模型图与转速调节模型图相同［17-18］.仿真参数设置：逆变器直流电源电压380V，永磁同步电机定子绕组电阻Rs＝2.67Ω，d轴电感Ld＝0.007H，q轴电感Lq＝0.007H，极对数p＝2，电机转动惯量J＝0.006kg·m2.电机空载启动，启动转速给定n＝3 000r／min；待系统进入稳态后在0.05s时突加Tl＝6N·m的负载，仿真时间t＝0.1s.仿真结果如图5a-c 所示.从图5a中可以看出电机在启动后的0.02s内转速快速上升，并在经过0.01s的波动之后迅速达到稳定状态，电机动态响应性能良好.图5b中看出0.03s之前出现很大的振荡，这是因为电机启动初期转子转速低于定子旋转磁场转速，定子磁链和永磁体磁链产生的转矩在较短的时间内起到制动作用.当牵引转矩小于制动转矩时，电机总转矩下降，从而出现振荡现象.在0.05s突加6N·m的负载时，转速、转矩均有相应响应，但经过短暂的波动之后均达到稳定状态.由于仿真过程中使用PWM逆变器供电，定子电流中出现一定的谐波分量，影响到电磁转矩，使转矩和转速均出现一定的脉动，但不影响系统的稳定性.图5c为电机的机械特性曲线，可以看出机械特性较为理想.在分析永磁同步电机数学模型的基础之上，建立了电机的数学方程，通过数学的方法去研究永磁同步电机，并在Matlab／Simulink里搭建模型并进行仿真.由电机仿真波形可以看出，系统响应快速且平稳，转速和转矩超调量非常小，系统起动后保持恒定转矩；突加扰动时系统波动较小，充分说明系统具有较好的鲁棒性.仿真结果证明了本文所提出的永磁同步电机仿真建模方法的有效性.【相关文献】［1］曾毅.变频调速控制系统的设计和维护［M］.2版.济南：山东科学技术出版社，2002.［2］张铁军.永磁同步电机数字化控制系统研究［D］.长沙：湖南大学，2006.［3］王成元.电机现代控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2007.［4］杨文峰，孙韶元.参数自调整模糊控制交流调速系统的研究［J］.电工技术杂志，2001（9）：11-13.［5］BARRERO F，GONZÁLEZ A ，TORRALBA A，et al.Speed control of induction motors using a novel fuzzy sliding mode structure［J］.IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2002，10（3）：375-380.［6］薛峰，谢运祥，吴捷.直接转矩控制系统的转速估算模型及其参数补偿方法［J］.电工技术学报，1998，13（5）：26-30.［7］EBERHART R，KENNEDY J.A new optimizer using particl swarm theory［Z］.Proceedings of Sixth International Symposium MicroMachine and Human Science，Nagoya，Japan，1995.［8］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.2版.北京：机械工业出版社，2001.［9］陈荣.永磁同步电机伺服系统研究［D］.南京：南京航空航天大学，2004.［10］黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB 7.1／Simulink 6.1建模仿真开发与高级工程应用［M］.北京：清华大学出版社，2005.［11］李学文，李学军.基于SIMULINK的永磁同步电机建模与仿真［J］.河北大学学报：自然科学版，2007，27（S1）：28-31.［12］BOUCHIKER S，CAPOLINO G A.Vector control of a permanent magnet synchronous motor using AC matrix converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13（6）：1089-1099.［13］沈艳霞，吴定会，李三东.永磁同步电机位置跟踪控制器及Backstepping方法建模［J］.系统仿真学报，2005，17（6）：1318-1321.［14］薛花，姜建国.基于EKF永磁同步电机FMRC方法的仿真研究［J］.系统仿真学报，2006，18（11）：3324-3327.［15］林伟杰.永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较［J］.电力电子技术，2007，41（1）：26-29.［16］LI Yong，MA Fei，CHEN Shunxin，et al.PMSM simuation for AC drive in mining dump truck［Z］.The Ninth International Conference on Information and Management Sciences（IMS2010），Urumchi，2010.［17］KENNEDY J，EBERHART R.Particle swarm optimization［Z］.Pro IEEE Int Conf on Neural Networks，Perth，1995.［18］钱昊，赵荣祥.永磁同步电机矢量控制系统［J］.农机化研究，2006（2）：90-91.。

中图分类号:T M351　T M341 文献标识码:A 文章编号:100126848(2007)022*******基于Matlab 的永磁同步电机矢量控制系统仿真研究龚云飞,富历新(哈尔滨工业大学机器人研究所,哈尔滨　150001)摘　要:在现代交流伺服系统中,矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制(S VP WM )技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。

为了更好地验证基于DSP 的交流调速矢量控制系统实际设计过程中各部分输出特性的正确性并为其设计提供必要的设计参数,利用Matlab /Si m ulink 工具箱搭建了系统的仿真模型。

仿真结果符合电机实际运行特性,为实际系统的设计提供了理论依据。

关键词:永磁同步电动机;建模;仿真;空间电压矢量脉宽调制;交流调速S i m ul a ti on of P M S M Vector Con trol Syste m ba sed on M a tl abG ONG Yun 2fei,F U L i 2xin(Robot I nstitute of Harbin I nstitute of Technol ogy,Harbin 150001,China )ABSTRACT:I n t oday πs AC servo syste m ,the vect or contr ol theory and S VP WM technique make the AC mot or can achieve the perfor mance as good as DC mot or .W hen designing the AC servo syste m ,in order t o test the correctness of every part πs out puts and p r ovide the necessary design para meters f or the re 2al syste m ,we built the si m ulati on model of the whole syste m with si m ulink t oolbox in matlab .The si m u 2lati on results accord with the real mot or πs perf or mance and p r ovide the theory basis for the designing of re 2al syste m.KEY WO R D S:P MS M;Modeling,Si m ulati on;S VP WM;AC servo syste m收稿日期:2005212227修改日期:20062032211　控制原理永磁同步电机矢量控制系统基本框图如图1所示。