基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究与实现

1、隶韵大嘤硕士学位论文基于的永磁同步电机伺服控制系统的研究与实现本论文工作受国家自然科学基金（）资助蚵），哪东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：舛日期：圳东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩

2、印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：导师签名：出多摘要摘要永磁同步电机伺服系统在工业、农业和航天等领域应用十分广泛，由于其作为一种新型的交流伺服系统比直流电机伺服系统具有明显的优势，在很多场合已经取代了直流电机成为伺服系统的主流。本文针对永磁同步电机的空间矢量控制原理和技术进行了分析和研究，并且分析了永磁同步电机的数学模型，并在【中建立了基于空间矢量脉宽调制的永磁同步电

3、机双闭环模型，验证了调制算法的优缺点。在此基础上，针对永磁同步电机模型高度非线性化的特点，给出了一种滑模控制算法，并针对普通滑模控制所产生误差和抖振的缺点，给出了改进的滑模控制算法，结合自带的三相永磁同步电机模型进行了仿真，结果表明了所给算法的有效性。针对矢量控制实现较为复杂的缺点，文章还重点分析了直接转矩控制的控制方法，并给出了相关的仿真分析了控制效果。此外，结合一台交流永磁同步电机，设计了其相关的控制器的硬件和软件。硬件结构包括控制部分、接口部分和功率驱动部分。控制芯片采用公司的芯片，该芯片专门针对电机控制领域的应用，其高性能的处理能力为控制算法的实现提供了可能。软件系统部分使用语言进行编

4、写，保证了软件的高效性和较好的可维护性。文章中给出了主要模块及控制算法软件实现的流程图。最后在设计伺服平台上进行了一系列的测试，结果表明该系统该方案设计具有良好的动、静态特性，控制精度高，基本能够满足预期的目标。关键词：永磁同步电机、直接转矩控制、滑模、诵恤咄唧，杜地趾嬲），仃锄，锄，：协【，锄锄删培甜）丽仕哆，也，昀盟，玛弘，伍脓曲够嘶乏毗证，胁，锄眦，眦，、：，目录目录摘要目录第一章绪论弓言永磁同步电机发展概况【】交流调速的概况电力电子技术的新发展永磁同步电机控制方式及研究国内外研究动态。本课题研究的意义。本课题研究的内容第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理交流永磁同步电机永磁同步电机

5、的结构与特点交流永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的矢量控制控制弱磁控制空间矢量脉宽调制空间矢量脉宽调制原理空间矢量脉宽调制算法永磁同步电机控制系统在中的建模仿真建模仿真工具，简介闭环控制系统仿真模型仿真结果及分析本章小结第三章交流永磁同步电机控制算法研究。滑模变结构控制滑模变结构控制定义。滑模变结构控制器的设计步骤基于趋近率的滑模控制永磁同步电机的滑模控制本章小结第四章永磁同步电机直接转矩控制策略的研究直接转矩控制的基本思想永磁同步电机直接转矩控制的实现逆变器模型和空间电压矢量的应用东南大学硕士学位论文永磁同步电机直接转矩控制的开关表磁链滞环比较器和转矩滞环比较器定子磁链和转矩的估算永磁同步

6、电机直接转矩控制系统的仿真研究仿真模型的建立仿真结果仿真结果分析本章小结第五章基于的永磁同步电机伺服系统硬件电路设计控制器的选型处理器介绍。电机控制电路设计系统电源的设计控制电路设计电机驱动电路设计功率管的选择驱动系统电源设计信号隔离电路设计故障信号处理电路驱动电路整体设计本章小结第六章基于的永磁同步电机伺服系统软件设计¨引言。开发软件介绍转速检测程序设计电流检测程序设计电机转子的初始位置判断角度的计算砌变换和变换名程序设计上位机软件的设计本章小结第七章实验结果及其分析。实验参数与实验平台介绍实验结果及其分析波形的测试电流波形电机频率响应曲线电机的转速波形本章小结第八章总结与展望全文

7、总结第一章绪论第一章绪论引言伴随着交流电机调速理论的不断发展，人们对伺服控制产品的性能要求越来越高，以交流伺服电机为执行元件的交流伺服控制系统具有可与直流伺服系统媲美的性能，而且能够充分发挥交流电动机的优势，现代伺服驱动控制也逐步朝着交流伺服电机控制的方向发展。在此社会和行业背景下，研究和开发高品质的交流伺服控制系统，具有及其重要的现实意义。永磁同步电机发展概况川例传统的直流电机调速控制已经有几十年的历史了，但由于机械换相器和电刷的固有缺陷已逐渐退出历史舞台。由于电力电子器件以及微处理器技术的迅速发展，使交流电机调速运行成为可能，并逐渐成熟。交流电机分为异步电机和同步电机。异步电机转子结构简单

8、、可靠，在工业中被大量运用，但功率因数低、效率也受影响。电励磁同步电机转子结构复杂，但功率因数高、效率也高。如果用永磁体励磁构成永磁同步电机，则可兼顾两者优点，因此永磁同步电机及其高性能控制的研究已成为当前的研究热点。永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密不可分。但早期所用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁能密度很低，用它制成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。直至稀土钴永磁和钦铁硼永磁（二者统称稀土永磁）的相继问世，它们的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线等优异磁性能特别适用于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时期。世纪年代以后，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是钦铁

9、硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，再加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等各个方面获得越来越广泛的应用，同时稀土永磁电机的研究开发也进入一个新阶段。交流调速的概况交流电机从发明至今，广泛用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活当中。交流调速的发展，经历了漫长的探索和研究，应该说，现今高性能交流调速是功率器件、微电子技术和控制方法综合发展的结果。晶闸管研究的成功开创了电力电子发展的新时代，同时也使交流调速产生了一次飞跃，从低效耗能的不能调速或串电阻、电磁离合器等调速过渡到高效的变频

10、调速。此后，公司的等人引入了在通信领域东南大学硕士学位论文常用的脉宽调制（）思想，有力推进了交流调速的发展。早期的交流调速采用变压变频）速度开环的方式，基频以下是恒压频比控制，且低速时通过提升电压来获得比较大的转矩，基频以上弱磁升速。开环调速方式导致动态性能很差，另外在某些速度段的震荡也影响了稳定性能，但是由于实现简单，现在开环调速仍广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不高的场合。世纪七十年代，交流电机的控制技术取得突破性进展。德国工程师【提出了矢量控制原理【】，使得交流调速技术产生了一次质的飞跃。基于永磁同步电机模型的特点。即多变量、强耦合、非线性，永磁同步电机矢量控制也引入了坐标变换，将原

11、本复杂的永磁同步电机模型等效为转子同步旋转坐标系下的模型，即通过按转子直轴永磁磁场定向的同步旋转变换实现定子电流直轴与交轴（力矩）电流分量之间的解耦，达到对永磁同步电机的磁链和转矩分别控制的目的，化简为简单的类似于直流电机的模型。由于坐标变换后的永磁同步电机模型考虑了瞬态情况，不仅可以较准确地控制电机的稳态性能。因此，以矢量控制思想作为主要控制算法的永磁同步电机调速系统很快地发展起来。年德国鲁尔大学教授和日本的教授分别提出了直接转矩控制的方法，其中前者是基于六边形磁链轨迹来进行控制的，后者是基于圆形磁链轨迹来进行控制的。一开始，称之为，简称【。在后来的文章中，毗才将之命名为直接转矩控制。在直接

12、转矩控制中不需要对转矩和磁链进行解耦，因此没有复杂的坐标变换。基于定子侧的变量进行控制，因此对电机参数变化的鲁棒性高；以磁链和转矩为直接控制对象，因此可以获得很高的动态性能。直接转矩控制具有新颖的控制思想，简洁明了的系统结构和优良的动、静态性能给高性能的交流调速注入了新的活力。但是传统的直接转矩控制是基于有限个的电压矢量来进行控制的，难免会导致低速时产生比较大的转矩脉动，因此如何采用新的直接转矩控制策略来降低低速时转矩脉动成为众多学者目前研究的焦剧引。电力电子技术的新发展电力电子技术一直是电机控制发展最重要的物质基础，大功率半导体器件的发展也制约着电机控制的水平。从最初的晶闸管（）到第二代的电

13、子晶体管（）、场效应晶体管（）再到第三代的绝缘栅双极型晶体管（），大功率半导体器件的性能逐渐提高。比晶闸管具有控制方便、是全控型自关断元件和工作频率高等优点。而又具有比双极型功率晶体管控制简单，是电压控制器件和安全工作区大等优点。而则集的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电阻的特点与一体，开关频率高，可达，噪声较小，有静音王之美称【】。在功率开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。现在已可以做到使用一片驱动电路，个驱动电源就驱动三相六个开关管。不必再为每个开关元件单独提供第一章绪论电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化

14、方向发展。智能功率模块（）是向第四代器件功率集成电路（）的过渡产品。它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，具有过流保护、短路保护、欠压保护和过压保护等功能。外界只需提供信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。而且如果与单片控制芯片结合，则可以实现两片式系统。不但提高了可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅度减少，从而为抢占市场创造了良好的先决条件。永磁同步电机控制方式及研究由于永磁同步电机的非线性特性以及控制

15、参数多，因此控制比较灵活，同时也比较复杂。为了获得良好的转速特性和转矩输出，控制算法及优化算法的设计非常重要。文献【】研究了一种基于的永磁同步电机速度辨识方案，该方案在高、低速以及转速突变时均能准确检测转子的速度，提高系统的静动态性能；文献【】针对永磁同步电机非线性、强耦合等特点提出了一种基于模糊神经网络的控制方法，使系统的反应速度变快，超调变小，性能得到较大的提高，但是对于系统硬件和软件的要求较高：文献】【】均是针对永磁同步电机的非线性强耦合、抖振的特点以及高性能控制的要求，提出了几种改进的滑模控制方法，使系统的性能得到优化，抖振得到抑制，控制更为灵活。国内外研究动态交流伺服系统的研究国外开

16、始于年代，年代进入实用阶段，到年代技术趋于成熟，其中以美国的公司、公司、公司、德国的公司为代表。与发达国家相比，我国的交流伺服控制的研究起步较晚，年代末开始研究和引进交流伺服控制技术，到年代逐渐形成研究热点，在控制理论上与发达国家的差距很小，但实际应用上，与国外相比，在调速范围、控制精度等主要技术指标方面还有很大差距。目前国内外伺服系统的研究与发展趋势可以概括为以下几个方面【：、交流化：伺服技术将继续迅速地由伺服系统转向伺服系统。交流控制系统具备了调速范围宽等良好的技术性能。从目前国际市场的情况看，几乎所有的新产品都是伺服系统。在工业发达国家，伺服电机的市场占有率已经超过。在不远的将来，除了某

17、些微型电机领域之外，伺服电机将完全取代伺服电机。、全数字化：采用新型告诉微处理器和专用数字信号处理器（）的伺服控制单元东南大学硕士学位论文将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。我国目前所应用的交流伺服系统产品仍以数字模拟混合式为主，由于受运算速度的限制，动态响应最快的电流环控制仍由模拟电路完成，因此国产交流伺服系统普遍存在外观尺寸大、笨重和可靠性低等缺点。面对电机控制开发的芯片，不但可以实现如矢量控制、直接转矩控制这样的控制算法，而且也有条件完成现代控制理论或智能控制理论的一些复杂的算法，如自适应控制、模糊控制、神经网络等。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控

18、制变成了软件控制伺服，使伺服控制系统的精度以及鲁棒性得到了更好的保证。、高度集成化：新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精第一章绪论本课题研究的内容永磁同步电机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系统领域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，采用电压空间矢量控制方法和直接转矩控制的方法，实现了永磁同步电机交流伺

19、服驱动系统的全数字化设计。为进一步改善系统的性能，本文对交流永磁同步电机采取了一些先进的控制算法并进行了仿真研究。在本课题的研究中，作者通过以下六个方面的研究，来实现永磁同步电机的控制，并设计硬件电路，进行软件调试、仿真来验证所设计方案的可行性。、空间矢量脉宽调制实现方法的研究；、直接转矩控制实现方法的研究：、先进伺服系统控制算法的研究设计；、控制器的硬件设计；、控制器的软件设计以及空间电压矢量脉宽调制方法的实现；、控制系统在环境下的仿真研究。第一章介绍了永磁同步电机的发展概况、国内外的研究动态，说明了本课题的研究意义，并大致介绍了本文研究的内容。第二章介绍了永磁同步电机在静止坐标系和旋转坐标

20、系下的模型并简单介绍了空间矢量脉宽调制的原理，并在此基础上做了永磁同步电机基于空间矢量脉宽调制的闭环仿真，给出了仿真结果。第三章针对控制算法进行研究，提出了滑模变结构控制算法，并在环境下进行了仿真，与传统的控制算法进行了比较，总结出了优缺点。第四章详细研究了永磁同步电机直接转矩控制策略，分析了直接转矩控制中每个模块的功能和原理，最后进行了仿真研究，分析了此控制策略的优缺点。第五章和第六章针对本人设计的一套永磁同步电机伺服系统，分模块介绍了其硬件设计的原理和软件设计的框架。第七章针对前两章介绍的伺服系统，将其应用于一台三洋的的永磁同步电机上，测试了其运行的效果，给出了测试波形图，并分析了性能的优

21、劣。第八章对全文进行了总结，并且针对已完成的工作量一些不足的地方进行了分析和改进的计划，规划了今后一段时间的工作计划。东南大学硕士学位论文第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理本文的研究对象为交流永磁同步电机，为此，本章先介绍一下关于永磁同步电机的基础知识，主要包括永磁同步电机的结构特点、数学模型、控制方法等，并且在中做了关于永磁同步电机空间矢量脉宽调制的仿真。交流永磁同步电机在伺服系统中，应用较为普遍的永磁伺服电机主要有两类：一类为无刷直流电机（）；另一类为三相永磁同步电机（）。前者采用方波电流驱动，后者是采用三相正弦电流驱动。尽管伺服系统有转子位置传感器简单、成本低、材料利用率高、控制简

22、单等优点，但是由于其原理上存在固有的缺陷，使得转矩脉冲较大，铁心附加损耗较大，因此只适用于一般精度及性能的场合；而伺服系统能克服系统的不足，常用于高精度、高性能要求的场合。永磁同步电机的结构与特点永磁同步电机是用永磁体来代替直流励磁作为恒定励磁的一种电机。在永磁同步电机上外加一个转子位置检测元件就成为永磁同步伺服电树。永磁同步电机主要是由转子和定子两部分组成。电机的定子指的是电机在运转时的不动部分，主要是由硅钢冲压片，三相对称地分布在它们的槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。永磁同步电机的定子和异步电动机的定子结构基本相同。电机的转子是指电动机运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、

23、励磁绕组、永磁磁钢及磁轭等部分组成。磁极铁心由钢板片叠压而成，磁极上套有励磁绕组。励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈与交替排列。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定【。永磁同步电机按转子形状可以分为两类：一类是凸极式永磁同步电机，另一类是隐极式永磁同步电机。它们的根本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，而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的。凸极式转子具

24、有明显的磁极，转子跟定子之间的气隙是不均匀的，因此其磁路与转子的位置有关。根据转子极对数的不同，永磁同步电机可分为单极电机和多极电机。永磁同步电机的工作原理是当通入由三相逆变器经脉冲调制的三相交流电源后，电机的定子绕组会产生一个旋转磁场，它与转子永磁磁钢产生的磁场相互作用，产生与定第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理子绕组旋转磁场方向一致的旋转转矩。当电磁转矩克服了转子本身的惯量以及由永磁同步电机转子中永磁体磁钢的存在所产生的阻尼转矩时，电机就开始转动起来，并且不断加速直到定子旋转磁场带动转子永磁体磁钢一起同步运行。永磁材料的使用给永磁同步电机带来了许多优点，永磁同步电机与有刷直流电机相比

25、，除了具有无机械换向器和电刷、结构简单、体积小、运行可靠、易实现高速、环境适应能力强等优点外，还具有如下优点：易实现正反转切换、定子绕组发散热容易、快速响应能力好、可以采用较高的工作电压、易实现大容量化【。永磁同步电机与感应电机相比，具有如下优点：转子没有损耗、具有更高的效率、电机体积小，由转子磁钢产生气隙磁密、功率因数较高，在相同输出功率下，所需整流器和逆变器的容量较小；具有小的转动惯量、快速响应能力好；在感应电机中，转子电流产生的磁通的大小是不固定的，而且也不和定子产生的磁场正交，因为它是由励磁磁通感应而产生的。因此，感应电机的矢量控制比较复杂，而永磁同步电机的励磁磁通大小不变并且与电枢电

26、流有着固定的相位关系，因此控制比较简单【】。交流永磁同步电机的数学模型永磁同步电机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速转移的旋转磁场。在稳态情况下，同步电机的转速恒为同步转速。于是，定子旋转磁场与转子旋转磁场保持相对静止，此即同步的由来。永磁同步伺服电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势（反电动势）与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的，那么永磁同步伺服电机的数学模型就与电励磁同步电机基本相同。根据矢量控制原理，电机的数学模型推导前作如下假设【】

27、：、忽略铁心饱和、涡流和磁滞损耗；、感应电动势及气隙磁场均按正弦分布，且不计磁场的各次谐波；、转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；、反电势是正弦的；、永磁体磁动势恒定，即等效的励磁电流恒定不变；、三相定子绕组在空间呈对称星形分布，定子各绕组的电枢电阻相等；定子各相绕组的电感相等；、不考虑温度对电机的影响。永磁同步电机在定子坐标系上的模型方程永磁同步电机定子三相集中绕组分别为、，各相绕组的轴线在与转子轴垂直东南大学硕士学位论文的且过电机几何中心的平面上，分布如图所示。、口图三相集中绕组分布图刚专谧纠其中：爿，为三相绕组各自绕组端电压。，为三相绕组各组的线电流。，为三相绕组各自总磁链。（）且

28、（秒）（臼）（矽）如陋：陋高乏翟象矧陋篙【肘（乡）（臼）（臼）【，昂（占）（），（口）其中：臼国，国，为转子旋转电角速度。”（臼），占（），占（）为转子磁链在，三相绕组中产生的交链，均为伊的函数。三。（口）为三相绕组各相绕组的自感，。（乡）为三相绕组各相绕组之间的互感。转子磁链气隙为正弦分布，磁场转子磁链与定子各相绕组之间的交链分别为：第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理杪，以脚，（目），矗埘，（秒一。）虬施，（目一。）为转子磁极轴线与定子相绕组轴线重合时互感的幅值，为等效的励磁电流幅值，对永磁同步电机来说埘，的值为常数。三相绕组在空间上呈星形对称分布，而且通入三相绕组中的电流是对称的，不

29、考虑磁场的各次谐波则有以下条件成立：厶三厶三鸠坞一，且如刚：矛黜卜，鼹：；卜，一如一万，埘，（一。）（）。础【（护一。）以定子轴轴向为口轴。逆时针旋转。为轴建立，）坐标系（如图）。由（，。引小一压万、，），七永磁同步电机在转子旋转坐标系（，）上的模型方程坐标变换，从数学角度来说，就是将方程式原来的一组变量，用一组新的变量来代替，使分析计算得到简化。若新旧变量之间为线性关系，则变换为线性变换【】。对于永磁同步电机来说，用固定于转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线（磁极轴线）为轴（直轴），而轴（交轴）顺着旋转方向（此处设为逆时针方向）超前轴。电角度

30、。，轴系随同转子以电角速度（电角频率）万，一起旋转。轴坐标系如图所示。东南大学硕士学位论文图轴坐标系示意图轴上的分量可以由定子三相绕组经三相坐标系变换或矢量变换得到，即进行三相轴系到旋转轴系的变换。如对定子电流，采用坐标系变换则有：印。（已一娶）“（包一姿）压怄一（争痂（争（）哆础僦信延、互上述变换关系同样适用于电压和磁链变量变换。对于这个平衡系统，若两参考轴系间的输入功率满足下述条件：“一甜且如甜如“屯甜（）则由轴系计算出的电磁转矩就是电动机的实际值。为满足这种功率不变约束，轴定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效值匝数的芝倍，如果原三相绕组为对称的正弦稳态量，在一定的条件下，变换后的量就

31、为恒定值，该值为原正弦量有效值的倍。、轴系的定子电压矢量方程可以表示为：”印。心鲁丢（咿可将式电压方程变换到两相同步旋转轴系中得：。屯妒一国，缈。（）（）（）口妒一国，第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理丽（）轴系电机的磁链表达式为：（）（）织（）轴系电机的转矩方程表达式为：丁吾。（仍一）。仍口一（）【）其中，。，屯，。，幺，。分别是定子绕组、轴的磁链、电压、电流和电感。玑，织，为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；伊，为转子磁钢在定子侧的耦合磁链；见，国，为电机极对数、电磁转矩和角频率，为微分算子。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标轴系下的数学模型。永磁同步电机的矢量控制矢量控制最初是针对感

32、应电机提出的，其工作原理和方法同样适用于永磁同步电机。由于永磁同步电机不存在转差频率电流（感应电机中存在）和高性能永磁材料的选用，使永磁同步电机的功率密度高于感应电机，这样也使矢量控制在永磁同步电机中更容易实现。永磁同步电机矢量控制技术的基本思想是建立在坐标变换及电机的电磁转矩方程上，通过对定子电流矢量的相位和幅值的控制来实现的转矩控制，即通过控制，轴电流，经过矢量变换或坐标变换而实现的。其优点在于不论在低速还是在高速，只要系统给定了在该转速下所需要的电流波形，电机电流均能很好地响应，则所得电流的交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机的响应性能十分优异【】。从前面的讨论可以看出，当永磁体产生

33、的磁链，和直交轴电感，。确定后，电机的电磁转矩便取决于定子电流矢量。，而。的大小和相位取决于屯和。，因此只要控制屯和乞便可以控制电机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的和。永磁同步电机的矢量控制框图如图所示：东南大学硕士学位论文图永磁同步电机矢量控制原理框图我们必须根据不同的要求选择不同的控制方法，当转速在基速以下时，在定子电流给定的情况下，控制屯，这样只要控制的大小就能控制转速和转矩，从而实现矢量控制；当转速在基速以上时，因为永久磁铁的励磁磁链为常数，电机感应电动势随着电机转速成正比例增加，电机感应电压也随着提高，但是电机相电压有效值的极限值“和相电流有效值的极限值要受到与电机端相连的逆变器

34、的直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制，所以必须进行弱磁升速；通过控制屯来控制磁链，通过控制。来控制转速，实现矢量控制。控制用屯控制时，从电机端口看，相当于一台他励直流电机，定子电流中的直轴分量等于，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，等于度，此时乙。沙，口吧此时的，。，在生产所要求转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高；对控制系统来说，只要检测出转子位置（轴），使三相定子电流的合成电流矢量位于轴上就可以了。从电机的电压方程（忽略转子上存在的阻尼绕组）和转矩方程可得到采用屯控制时，在逆变器极限电压下电机最高转速为：刃。甜。（。厂）（三矿，）（）从上式可以看出

35、，采用屯控制时，电机的最高转速受逆变器可提供的最高电压和第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理电机的输出转矩两方面的影响。其特点是控制简单，定子电流与电磁转矩输出成正比，无弱磁电流分量。弱磁控制弱磁控制原理永磁同步电机的弱磁控制思想类似于他励直流电动机的调磁控制，在电枢电压额定的条件下，永磁同步电机在转子看来励磁磁场被定子电枢反应磁场削弱的同时，定子电枢反应磁场的空间转速相对于电枢绕组在不断提高。因为当电压达到极限值时，为了使电机能以更高的转速运行，必须维持电机内部的反电势等于额定状态时的大小，而反电势与转速和气隙磁通的乘积成正比，因此必须使转速与气隙磁通的乘积保持不变，也就是要使气隙磁通随

36、转速增加而减小，即所谓的弱磁控制【。当永磁同步电机采用逆变器供电时，电机的电枢电流。和端电压要受逆变器直流侧（直流母线）最大电压和逆变器的最大输出电流的限制。甓知坳逆变器是依靠外施直流电压向电动机强迫输入电流的，当电动机为连接时，逆变器向电动机可提供的线电压最大为出，而相电压基波有效值的最大值被限定为：彘等亿由电机电压方程有：“，“（缈，缈，三屯尺，）（，屯一国，）（）电动机高速运行时电阻压降可以忽略，于是有：“，缈，三（）（屯）（厶三）（）由上式可知，当电动机电压达到逆变器所能输出的最大电压时，即材，扰，一时，速度如果要继续升高，只有调节，乞来实现。增加电动机直轴去磁电流来部分地抵消永磁体励

37、磁磁场，以此削弱气隙磁通值。此即称之为弱磁。东南大学硕士学位论文弱磁控制实现采用弱磁控制可以扩展永磁同步电机的调速范围，在高速段避免电流控制器饱和，即提高高速运行时永磁同步电机矢量控制系统的调速性能。进行弱磁控制时，首先必须确定弱磁控制区域，即确定永磁同步电机何时采用弱磁控制【】。电流控制器的饱和是由于电机的反电势升高，当电机的端电压达到逆变器能够输出的最高电压、电机电流不能跟随给定电流而引起的。定义：电机的端电压比为电机负载情况下的端电压和空载时的端电压之比，即：趾老芳瓜而万面和，从而确定是否开始弱磁控制。若甜。麟缈，则电流控制器未饱和：若“，一缈，则进入弱磁控制。该弱磁控制的算法如下：构造

38、辅助函数，（屯，）（）（屯三）五疋一。【，（三一三）屯）在永磁同步电机电枢电流控制中，只需监视端电压比，即可决定电流控制器是否饱式中元为拉格朗日乘子。对上式分别求偏导，令其等于零，对得到的方程求解，可得到在最小端电压比电流控制下的交、直轴电流关系如下：空间矢量脉宽调制经典的（正弦脉宽调制）控制主要使逆变器输出电压尽量接近于正弦波，目的是使电流会受负载或电路参数的影响。电流跟踪控制直接控制三相输出电流是否按正弦变化，这比只考察输出电压波形有一定的进步。但同步电机输入三相电流的最终目的是形成圆形旋转磁场，以产生恒定的电磁转矩。但是按照这一目标，如果把三相逆变器和同步电机看做一个整体，尽量形成圆形旋

39、转磁场来控制效果会更好。德国学者提出了基于电压空间矢量脉宽调制技术不仅使得电机转矩脉动降低，使电流波形畸变减小，而且与技术相比直流电压利用率有很大提高，更易于数字化实现【。电压空间矢量脉宽调制技术实际是磁通，其特点是从电机角度出发，着眼于通过控制电机端电压，使电机获得幅值恒定的空间旋转磁场。德国的一仁堕型堕生蜂竺坚兰盟“一）（）、第二章交流永磁同步电机模型及矢量控制原理教授提出的电压空间矢量脉宽调制策略，与常规的技术相比，空间矢量脉宽调制的逆变器输出电压高出引。三相同步电机要求定子输入三相对称正弦电流的最终目的是在电机内产生圆形气隙旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。因此，把逆变器和电机视为一体

40、，以跟踪圆形旋转磁场为目的来控制逆变器的输出电压波形，一定会产生更好的控制效果。从这一思路出发，年代中期，国外学者在交流电机提速中提出了磁通轨迹控制的思想，而磁通轨迹的控制是通过电压空间矢量的合成实现的，所以又称为电压空间矢量（，）控制。空间矢量脉宽调制原理在变频调速系统中，逆变器为电动机提供的是经过调制的电压。图是典型的三相电压逆变器示意图。图三相电压逆变器结构图最终的矿驴是逆变器的输出，到是六个功率晶体管，他们分别由六个信号控制。因为逆变器的上桥臂和下桥臂的开关状态互补，当同一桥臂的上一晶体管处于导通时，则下一晶体管处于关闭状态。由破变换定义的电压空间矢量为：一一三（口口）（），三！式中口一。如果把上桥臂的功率开关器件的导通状态用“表示，关断状态用“”表示，那么上桥臂的三个功率开关器件的开关状态共