永磁同步电机转矩控制原理

永磁同步电机矢量控制原理

1.永磁同步电动机简介

永磁式同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和其他类型交流电动机相比，它由于没有励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比较大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。近些年，人们对它的研究也越来越感兴趣，在医疗器械、化工、轻纺、数控机床、工业机器人、计算机外设、仪器仪表、微型汽车和电动自行车等领域中都获得应用。

1.1 永磁同步电机系统的结构

永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。

2.坐标变换

2.1 坐标变换

坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。电动机中用到的坐标变

沈阳理工大学学士学位论文

摘 要

永磁同步电机以其结构简单、效率高、调速范围宽等优点，广泛应用于机械加工、航空航天和电力牵引等领域，而直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型高性能的交流调速技术，因此，永磁同步电机的直接转矩控制系统成为研究的热点。本文以研究高性能的永磁同步电机直接转矩控制系统为目的，具有重要的理论和实际意义。

本文结合大量的文献资料，介绍了永磁同步电机的结构、控制策略以及其直接转矩控制的研究现状与方向。

从空间矢量原理出发，介绍了调速系统中常涉及到的三种坐标系以及它们之间的变换理论，推导了永磁同步电机在各种坐标系下的数学模型，在此基础上详细地分析了永磁同步电机传统直接转矩控制和基于SVPWM的直接转矩控制系统的原理，并推导了SVPWM算法实现过程。最后，在MATLAB/Simulink环境下对传统的直接转矩控制系统进行仿真研究。

关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；仿真；空间矢量脉宽调制技术

I

沈阳理工大学学士学位论文

Abstract

Permanent magnet synchronous machine with its simple structure,high effic

永磁同步电机的矢量控制原理

交流永磁同步电机采用的是正弦波供电方式，它可以消除方波电流突变带来的转矩脉动，其运行稳，动，静态特性好，但控制也比无刷直流电机复杂，需要采用矢量控制技术。

正弦波与方波的区别在与正弦波电流的瞬时值随着相位的变化。交流永磁同步电机的理想状态是：能在转子磁场强度为最大值的位置上，使定子绕组的电流也能够达到最大值，这样电机便能够在同样的输入电流下获得最大的输出转矩。为了实现这一目的，就必须对定子电流的幅值与相位同时进行控制。幅值与相位构成了电流矢量，因此，这种控制称为“矢量控制”。

为了对交流电机实施矢量控制，首先需要建立电机的数学模型。根据矢量控制的理论，交流永磁同步电机的数学模型可以按照以下步骤建立。

① 将三相定子电流合成为统一的合成电流。

② 将定子合成电流分解为两相正交流电，完成电流的3-2变换。

③ 将定子坐标系中的两相正交流电转换到定子坐标系上。 ④在转子坐标系中定子电流平衡方程。

⑤根据转子磁场与定子电流的正交分量建立电机的运行方程。

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第３２卷第２４期２０１２年８月２５日

中国电机工程学报

３５１

ｖ０１．３２Ｎｏ．２４

Ａｕｇ．２５，２０１２

ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ

◎２０１２Ｃｈｉｎ．Ｓｏｃ．ｆｏｒＥ１ｅｃ．Ｅｎｇ

文章编号：０２５８—８０１３（２０１２）２４—００８８—０８中图分类号：ＴＭ

文献标志码：Ａ学科分类号：４７０－４０

永磁同步电机低转矩脉动的稳健设计

郭宏，钱浩

（北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京市海淀区１００１９１）

ＲｏｂｕｓｔＤｅｓｉｇｎｆｏｒＲｅｄｕｃｉｎｇ１＇ｏｒｑｕｅＲｉｐｐｌｅｉｎＰｅｒｍａｎｅｎｔ

ＧＵＯＨｏｎｇ，ＱＩＡＮＨａｏ

（ｓｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥ１ｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎ岛ＢｅｉｊｉｎｇｕｎｉＶｅｒｓｉｔｙＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａＪｌｄＡｓ虹Ｑｎａｕｔｉｃｓ，

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Ｍａｇｎｅｔ

Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ

Ｍｏｔｏｒ

Ｄｉｓ仃ｉｃｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９ｌ，ｃｈｉｎａ）

误差、材料属性偏差等噪声因子，造成了批量生产的电机间的转矩脉动特性分散，进而影响高精度永磁同步电机系统控制性能的一致性。为保证高精度场合用永磁同步电机的转矩脉动特性具有良好的稳健性，采用田口稳健设计方法，选取的

电气082 徐冬 学号：0803731153

浅谈永磁同步电机

永磁式同步电动机，是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。 永磁式同步电动机的定子产生旋转磁场，转子由永磁材料制成。永磁同步电动机能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行，这不仅加速了永磁同步电机取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。

一、永磁同步电机原理

当永磁同步电动机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降。由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。

二、永磁同步电机的特点

永磁同步电动机结构简单、体积小、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高、功率因数高、力矩惯量比大、定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可调、控制性能好；但它与异步

T

理论研究　　　　　　　　　　　　heoryResearch

永磁同步电机直接转矩控制理论基础与仿真研究

徐祖华,黄智伟,盛义发

(南华大学,湖南衡阳421001)

PrincipleandSimulationStudyonDirectTorqueControlinPermanentMagnetSynchronousMotor

XUZu-hua,HUANGZhi-wei,SHENGYi-fa(NanhuaUniversity,HunanHengyang421001,China)

　　摘　要:在永磁同步电机直接转矩控制原理的基础上,分析了在永磁同步电机与异步电机中实施直接转矩控制的异同,并针对永磁同步电机进行了仿真研究,结果表明该方法是永磁同步电机的一种高性能控制方式。

关键词:永磁同步电机;直接转矩控制;仿真中图分类号:TM341　　文献标识码:A文章编号:1004-7018(2003)05-0006-03

Abstract:Onthebasisofprincipleofdirecttorquecontrol(DTC)inpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM),thedifferenceinDTCbetweenPMSM

永磁同步电机弱磁控制的控制策略研究

摘要

永磁同步电机是数控机床、机器人控制等的主要执行元件，随着稀土永磁材料、永磁电机设计制造技术、电力电子技术、微处理器技术的不断发展和进步，永磁同步电机控制技术成为了交流电机控制技术的一个新的发展方向。基于它的优越性，永磁同步电机获得了广泛的研究和应用。本文对永磁同步电机的弱磁控制策略进行了综述，并着重对电压极限椭圆梯度下降法弱磁控制、采用改进的超前角控制弱磁增速、内置式永磁同步电动机弱磁控制方面进行了调查、研究。

关键词：永磁同步电机、弱磁控制、电压极限椭圆梯度下降法、超前角控制、内置式永磁同步电动机

一、永磁同步电机弱磁控制研究现状

1．永磁同步电机及其控制技术的发展

任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前交流电机的控制方案有：矢量控制、恒压频比控制、直接转矩控制等[1]。

1．1 矢量控制

1971年德国西门子公司F．Blaschke等与美国P．C．Custman等几乎同时提出了交流电机磁场定向控制的原理，经过不

永磁同步电机及其运行与控制PMSM and its Operation & Control

浙江大学 电气工程学院 贺益康 教授 E-mail ykhe@ Mob: 13735884184

电机是实现机-电能量转换的电磁机械装置 ，是电能生产、变换、传输、分配、使用 和控制的重要设备。

电能的生产水力 发电

风力 发电

应用方式 电动机运行构成交流调速传动系统，满足生产过程及生产工艺 要求，实现调速节能 —— 符合节能降耗(减排)的国策

发电机运行构成风力发电系统，实现可再生能源开发—— 符合新能源开发和实现环境保护的国策

电机的分类励磁直流电机：他励、串励、复励

直流电机

永磁直流电机 异步电机 鼠笼式

电机交流电机

绕线式 普通同步电机：励磁 无换向器电机 磁阻电机 永磁同步电机

同步电机

开关磁阻电机

供电电源可变直流电源斩波

交流电源

电力 电子 功率 变换 装置

直流电机

整流

逆变

交流电机变频

永磁同步电机从交流电机原理切入，介绍：1.永磁同步电动机的控制 2.永磁同步发电机的运行 3.永磁同步电机的几个特殊问题

交流电机原理

交流电机原理运行原理 —— 基于交流旋转磁场理论， 即：

三相对称绕组馈入三相对称交流电流可建立圆形旋转磁场

旋转磁场 三相对称交流绕组通过

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永磁同步电机矢量控制策略仿真研究

摘 要

在现代化工业生产中，电机及其控制系统占有着举足轻重的地位。具有更高的运行精度，更大的调速范围，更短的调节时间的电机控制系统的开发是现代化工业控制领域的热门研究方向。而永磁同步电机因其自身优良的特性，逐渐成为了工业控制中电机伺服系统中的主流电机，因此研究能够适应现代化工业控制要求的永磁同步电机的控制系统有着越来越重要的意义。

本文研究永磁同步电机矢量控制系统。在深入学习永磁同步电机数学模型和矢量控制原理的基础上，仿真方面分析了永磁同步电机矢量控制策略的实现，建立了一个电流、速度双闭环的控制系统MATLAB仿真模型，通过仿真验证了此方案具有实际的可行性，并取得了较好的仿真控制效果。

关键词:永磁同步电机;矢量控制系统;SVPWM;DSP

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录

1 绪论 ...........................................................................................................................

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,FO