永磁同步电机控制的SVPWM算法—扇区判断与切换时间确定

SVPWM的算法及仿真研究

1 引言

随着电力电子技术和微处理器的发展，脉宽调制(pulse width modulation，pwm)技术在电力传动领域得到了广泛应用。在各种pwm技术中，空间矢量pwm(space vector pwm，svpwm)技术以其物理概念清晰、算法简单、电压利用率高且易于数字化实现等特点，在高性能全数字化交流调速系统中得到了较多应用[1]。

本文首先介绍了svpwm的基本原理，在分析机理的基础上详细推导了svpwm 算法，然后在matlab/simulink环境下通过利用功能模块和编写基于m文件的s 函数相结合的方法实现了该算法。

2 空间矢量脉宽调制原理[2]

三相电压型逆变器共有6个功率开关管，任何时刻有且仅有3个开关器件导通，而且上、下桥臂的开关器件是互锁的，因此逆变器实际上只有8个基本的开关状态。若用数字“1”表示相应上桥臂开关器件处于导通状态，而下桥臂开关器件处于关断状态；用数字“0”表示相应上桥臂开关器件处于导通状态，而下桥臂开关器件处于关断状态。则这8种开关状态可用8个开关相量表示，分别为“000，100，110，...，101，111”。对应的8个电压空间矢量如图1所示。

图1 三相逆变器输出电压空间矢量图

图1中的电压空间矢量包括6个幅值相等、相位互差π/3电角度的非零矢量u1～u6，它们将复平面分成了6个扇区i～vi；还有两个位于复平面中心的幅值为零的零矢量u0、u7。为了便于研究，将三相坐标系转换到两相α-β直角坐标系。

svpwm线性组合的控制策略就是通过合理控制两个相邻非零矢量及零矢量之间的切换，在每个开关周期内去逼近旋转参考矢量uref，使合成电压矢量的轨

迹逼近圆形，进而得到如图1所示的六个扇区。以参考矢量uref位于扇区i为例，在一个采样周期内uref可由非零电压矢量u1、u2及零电压矢量u0、u7合成，通过控制逆变器输出电压矢量u1、u2 及u0、u7的切换时刻，可以逼近uref。于是有：

(1)

式中t0、t1、t2、t7 分别为电压矢量u0、u1、u2、u7的作用时间，ts为采样周期。

3 sv实现算法[3]

pwm3.1 判断参考电压uref所处的扇区

要对参考电压uref进行控制，首先要确定参考电压所处的扇区，设uref在α-β直角坐标系中的分量分别为uα、uβ，定义如下三个变量

(2)

根据这三个变量可得到扇区的信息：如果uref1>0，则a=1，否则a=0；如果uref2>0，则b=1，否则b=0；如果uref3>0，则c=1，否则c=0。计算如下表达式

(3)

可以得到时扇区号与n值的关系，如表1所示。

表1 扇区与n值的关系

3.2 各扇区内电压矢量的作用时间计算

判断出参考电压所在扇区后，便可以分别计算各扇区内相邻电压矢量的作用时间，从而制定各开关器件的通断顺序及通断时刻。仍以参考电压uref在扇区i 为例，根据空间矢量作用等效的原则，可得式(1)，但由于零矢量u0=u7=0，则式(1)可写成

(4)

由于t1、t2之和不一定等于ts，因此在其余时间插入零矢量开关状态来补充，这样并不影响输出电压的大小，即一个采样周期内各电压矢量的作用时间满足关系式

(5)

而为了减小开关器件的通断次数，一般使u0和u7各占一半的时间，因此

(6)

为了使逆变器输出电压波形对称，把各电压矢量的作用时间都一分为二。另外，为满足最小开关损耗的要求，每次切换开关状态时，只切换一个开关器件，并且一个采样周期中电压均以零矢量开始和零矢量结束。这样就可以画出如图2所示的扇区 i 的开关序列。

当参考电压在扇区 i 时，仍然根据空间矢量作用等效的原则，

图2 扇区i的开关序列

(7)

由，结合式(7)可得

(8)

同理可计算出其他相邻电压矢量的作用时间，见表2，其中

表2 各扇区电压矢量的作用时间

(9)

对于不同扇区的相邻电压矢量td、tq按表2取值后，还要对其进行过调制处理。表3为各扇区电压矢量的作用时间的对应关系，若td+tq>ts，则取

表3 各扇区电压矢量的作用时间的对应关系

(10)

(11)

3.3 逆变器开关状态切换点计算

svpwm脉宽调制是用一定频率(1/ts)和幅值(ts/2)的等效时间三角波去调制3个输入时间tcm1、tcm2、tcm3。由此产生三相pwm脉冲，连同反相后的三相共6路pwm波送到逆变器的开关管。同样以uref在扇区i为例来进行判断，记

(12)

设各开关器件的切换时刻为tcma、tcmb、tcmc，由图2和表3可知，

(13)

同理可得其余扇区内各电压矢量的切换时刻，见表4。

表4 各扇区电压矢量的切换时刻扇区

4 svpwm在simulink的建模与仿真[4]

在matlab\simulink环境下建立的svpwm控制模块的仿真模型如图3所示，其中各matlab-function模块均采用基于m文件的s-函数来构建。

图3 svpwm控制模块的仿真模型

图4 逆变器通用模型的内部及其封装仿真模型

基于simulink的通用逆变器内部及其封装仿真模型如图4所示。

将三角波调制信号的周期作为采样周期ts，与切换点tcma、tcmb、tcmc相比较，即可调制出svpwm波。利用图4中的逆变器通用模型，建立如图5所示的svpwm逆变器仿真模型。

图5 svpwm逆变器仿真模型

仿真参数设置如下：直流电压ud=600v，正弦波频率f1=20hz，三角波频率f2=1260hz，采样周期ts=1/f2，三角波幅值为ts/2。仿真得到的逆变器输出相电压ua及线电压uab分别如图6和图7所示，图8和图9还分别给出了tcma

与三角波的比较图及其局部放大图，经滤波后的相电压ua和线电压波形图分别如图10、图11所示。

图6 svpwm逆变器输出相电压ua

图7 svpwm逆变器输出线电压uab

图8 tcma与三角波的比较图

图9 tcma与三角波比较的局部放大图

图10 滤波后相电压ua 波形

图11 滤波后线电压波形

5 结束语

空间矢量脉宽调制可以看作一种在正弦调制波中加入了某种零序分量的特殊规则采样的调制方式。零序分量的加入加大了线性工作范围，提高了直流电压利用率。利用matlab\simulink建立的svpwm算法仿真模型简单易懂，通用性好，仿真效率高，并且对其仿真后得到了较为理想的结果，为优化交流调速系统的设计打下了良好的基础。

异步起动永磁同步电机设计

Ansoft EM专题讨论（三）——异步启动永磁同步电机设计最近有感于论坛Ansoft版区学习的氛围越来越好了，这与各位版主的努力都是分不开的。看到前面两个专题中，我们的超版和技术精英们都做了很多工作，本着向大家学习的原则，我也来凑个热闹 本人在读研期间曾经涉猎过这种电机的设计与仿真，下面就把我很久以前做的一个练习分享给大家。做的不一定对，希望大家多多批评指正！这也是和大家学习的过程，望各位不吝赐教 其实，这种电机在实际设计过程中需要注意的问题还是很多的。很遗憾在校期间没能彻底解决这个领域的一些问题。这里也希望大家广泛针对该类电机的设计进行讨论和交流，向大家学习了! 下面先给出电机结构示意图 电机为典型的4极36槽结构，绕组为单层交叉，Y接形式，内置径向W型永磁体，采用冲片类型为DW315-50。具体的其他的电机参数将在RMxprt设计中给出区别于前面两位版主的纯V11仿真，该算例采用了Ansoft RMxprt V5.0版本与Maxwell V11.1版进行了简易的联合2D仿真。对新人而言，V5.0的界面更加人性化和易于上手，推荐新同学使用。 运用Ansoft RMxprt V5.0进行基本的电磁设计，输入相应电机参数反复调试运行。下面给出本例的参数设置

基本参数 定子内外径和槽形尺寸

转子内外径和磁钢设计

转子槽形和端环设计 以上需要补充说明的是Ansoft RMxprt V5.0的材料设置问题和绕组编辑问题 就材料设置而言，大家可以利用软件自带的.h-b文件自行添加所需要的硅钢片材料，主要是需要查找一些手册来添加磁化曲线和损耗曲线，用记事本的格式进行编辑添加，放在指定的文件夹中，即可在设计中引用，图例DW315-50的.h-b文件，要对应操作窗口的各项参数进行添加，方可正确使用

永磁同步电动机矢量控制(结构及方法)

第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但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 2-1(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安装在转子轴的内部，如图 2-1(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。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，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，就可以改变转子的转速和位置。

永磁同步电机控制方法以及常见问题

永磁同步电机控制方法以及常见问题永磁同步电机控制方法以及常见问题。永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 1.掌握永磁同步电机的成熟控制方法和开发内容后如何转型 (1)仿真：连续simulink+线性电机模型仿真，离散模型+线性电机+线性电机模型，q 格式离散模型+线性电机模型，simplorer+ansoft+无位置开环和闭环q格式仿真，模拟实际电机的线性电机模型建立，matlabgui+simulink仿真。都是无位置开环切闭环模式，各种仿真变着花样玩，ekf，hfi，pll，atan，磁连观测，扩展反电视等各种无位置仿真。仿真和实际跑板子其实只要电流采样底层做得好，过调制出得来都可以和仿真对的上。 (2)电机参数识别，通过变频器激励与响应实现，其余的表示不靠谱，可以在电机启动前10s内辨识出来。没啥用。 (3) 控制性能优化，6次谐波自适应陷波滤波，sogi等手段。 (4) 压缩机驱动自动力矩补偿。

(5) svpwm简单快速实现与单电阻采样结合研究。 (6) 各种各样电机调试与性能测试，我调试的电机型号应该有上千款了，仅限于 10w-20kw永磁同步电机，都快调试吐了，测试电机单体性能，带变频器运行极限测试 2.永磁同步电机初始角设置的问题 电机控制的调试里除却方波驱动，基本都会有一个类似于超前角的变量，该变量非常重要，直接影响速度，效率和抖动性。改变该角可以降低输出转矩，但可能会带来其他问题。 旋转转子使d轴指向A+与A-的中心线，就找到了初始角！但是对模型的初始角修改一下之后，在同样Thet角下，转矩下降好多！现在问题是在在修改初始角之后输出转矩能够稳定吗？这个输出转矩应该是与负载大小有关! 修改后的初始角与原来A相反电势为0对应的初始角，他们对应的输出转矩一定会变化的，且修改后的初始角中设定的功率角不是真正的模型功率角；至于设定负载我还没尝试过，不过我觉得你说的应该是对的。 其实我刚开始主要是对修改初始角后模型输出转矩稳定性有疑问，按照你的说法现在转矩应该是稳定的！那么对于一个永磁同步电机模型，峰值转矩可以达到，但是要求的额定转矩却过大，当修改模型之后达到要求的额定转矩时，峰值转矩却达不到，敢问你觉得应该从方面修改模型？？或是我修改模型的思路有问题 3.永磁同步电机控制的建模问题讨论，如模型仿真慢、联合仿真问题、PI控制问题等 两种控制方式不一样的所有输出量不一样。 永磁同步是电流源控制模式，电流源频率定了，当然转速也定了，所有你看的永磁同步设置多少转速计算出来也是多少转速。 无刷电机是电压源控制模式，而且计算出来都是开环的。性能由空载转速，电阻，电感

永磁同步电机矢量控制原理

永磁交流同步电机矢量控制理论基础 0、失量控制的理论基础是两个坐标系变换，这是每一个学习过交流调速的人应 该熟记的两种变换。介于目前市面上流行的各类书籍的这一部分总有些这里那里的问题（也就是错误）。为了自己不被误导，干脆自己推导一边，整理如下。所有的推导针对3相永磁同步电机的矢量控制。 1、永磁交流同步电机的物理模型。 首先看几张搜集的图/照片，图1~7： 现分别说明如下： a.图1~3可以看出电机定子的情况。我和大家都比较熟悉圆圈中间加个“叉” 或者“点”的定子，通过这几张图应该比较清楚地认识定子的结构了。 b.图1中留出4个抽头，其中一个应该是中线，但是，在伺服用的永磁同步 电机，只连接3根线的。 c.图2是一个模型，红蓝黄三色代表三相绕组，在定子齿槽中上下穿梭，形 成回路的。 d.定子绕线连接可以从图7很清楚地看到，从A进入开始，分别经过1（上）， 7（下），2（上），8（下），14（上），8（下），13（上），7（下），

13（上），19（下），14(上)，20（下），2（上），20（下），1（上）， 19（下）然后到X。一相绕组经过8个齿槽，占全部齿槽的1/3，每个齿 槽过两次，但每次方向是相同的。最后上上下下的方向如同图6所示。 e.三相绕组通电后，形成如同图6所示的电流分布，每相邻的6根是电流同 方向的。这样，如果把1和24像纸的里面拉，将这一长排围城一个圆， 则，1和7之间向里形成N（磁力线出）极的中心，12和13之间形成S （磁力线入）极的中心。这里，个人认为图6中的N、S分段有些错误， 中心偏移了，不知道是不是理解错误，欢迎指正，这图是我找的，不是我 画的，版权不属我：）。 f.同极磁场的分布有中心向两侧减弱的，大家都说是正弦分布，我是没分析 过，权且认同吧，如图5所示。 g.如图1同步电机的运转就是通过旋转定子磁场，转子永磁磁极与定子的磁 极是对应的N、S相吸，可以同步地运行。 h.实际电机定子槽数较多，绕线方式也有不同。旋转磁场的旋转是通过如图 6中的一个磁极6个齿槽一起向右/左侧移位 2、永磁同步电机数学模型 这才是本文的重点。学习这部分，先不要考虑电机，直接死记两种变换。 这两个变换都是定子侧的电流旋转，旋转的原则是，不论怎么变换都是其实都是一种假想的坐标系，一种变换游戏，都只有原始的三相绕线，通三相电流。 变换的目的是从中找出另外一个与电机转矩又直接关系的“状态量”——转矩电流，来控制转矩。实际矢量控制时，这一切变换都是在计算机里完成，最后又通过控制三相电流的，但此时的三相电流给定值可以保证这个“状态量”是我想要的那个数值。为什么非要变换？因为要对电机进行控制（速度控制），使电机按照你的意图运转，必须控制加到电机转子上的转矩，而转矩与三相电流之间的直接对应关系是没法直接写出来的，（如同质量与重量之间的关系，速度与位移之间的关系这么简单）。只有通过变换，才可以清楚地找出这个对应关系，其实， 图8定子静止三相到静止两图9 静止两相到旋转两相的变换

永磁同步电机的原理及结构

完美格式整理版 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是 其在异步转矩、永磁发电制动转矩、 矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起 动过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其 他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁 同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。

永磁同步电机无传感器控制技术

哈尔滨工业大学，电气工程系 Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名：沈召源 学号：14S006040 2016年1月

目录 1.1 研究背景 (1) 1.2 国内外研究现状 (1) 1.3 系统模型 (2) 1.4 控制方法设计 (4) 1.5 系统仿真 (7) 1.6 结论 (8) 参考文献 (8)

1.1 研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点，在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中，使用最多的是矢量控制和直接转矩控制，而这两种控制方式都需要转子位置，但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量，这不但提高了驱动装置的造价，而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路，使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点，成为近年来研究的一个热点。 1.2 国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情况下，利用电机绕组中的有关电信号，通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量，利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速，取代机械传感器，实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是一个多变量、强耦合的非线性系统，所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出θ和ω。该方法的基本思想是基于场旋转理论，即在电机稳态运行时，定子磁链和转子磁链同步旋转，且两磁链之间的夹角相差一个功角δ，该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单，动态响应快，但对电机参数的准确性要求比较高，应用这种方法时需要结合电机参数的在线辨识。 (2)模型参考自适应(MRAS)方法。该方法的主要思想是先假设转子所在位置，利用电机模型计算出该假设位置电机的电压和电流值，并通过与实测的电压、电流比较得出两者的差值，该差值正比于假设位置与实际位置之间的角度差。当该值减小为零时，则可认为此时假设位置为真实位置。采用这种方法，位置精度与模型的选取有关。该方法应用于PMSM时有一些新的需要解决的问题。 (3)观测器基础上的估计方法。观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直接测量的变量，如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使输出信号在一定条件下等价于原系统的状态。目前主要存在的观测器:全阶状态观测器、降阶状态观测器、推广卡尔曼滤波和滑模观测器。其中滑模观测器有很好的鲁棒性，但其在本质上是不连续的开关控制，因此会引起系统发生抖动，这对于矢量控制在低速下运行是有害的，将会引起较大的转矩脉动。扩展卡尔曼滤波器提供了一种迭代形式的非线性估计方法，避免了对测量的微分

永磁同步电动机及控制策略综述

永磁同步电动机及控制策略综述 点击数：401 王毅兰，徐艳平 西安理工大学自动化学院电气工程系，陕西西安710048 摘要综述了永磁同步电动机的发展，阐释了永磁同步电动机的控制策略，提出了最新进展与研究热点，展望了永磁同步电机的应用前景。 关键字永磁同步电动机；控制策略；综述 Overviews of Permanent Magnet Synchronous Motor and Its Control Strategies WANG Yilan，XU Yanping Xi’an University of Technology，Xi'an Shaanxi 710048 China Abstract The development of permanent magnet synchronous is overviewed，the control strategies of permanent magnet synchronous is introduced，the applied foreground of permanent magnet synchronous is prospected. Keywords permanent magnet synchronous motor(PMSM)；control strategies；overviews

材料技术的发展，特别是稀土永磁材料，磁性复合材料的出现，加之我国拥有—铁—硼)的储量，使得永磁电机活跃在各个工业生产中。永磁同步电机（PM 的电机，具有转子转动惯量小、效率高、功率密度大、可靠性高的优点，因此例如在数控机床等场合，永磁同步电动机正在逐步取代直流电机和感应电机。，明显地减小了体积，减轻了重量，降低了损耗，避免了电机发热，从而提高效果。 MSM 运动控制系统中，它比异步电动机更便于实现磁场定向控制，可以获得特性，使控制系统具有十分优良的动、静态特性。 机的种类和基本结构 ，永磁同步电机分凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，如图1 所示，前两种阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即Ld=Lq，表现为隐极性质；另，因此Ld

(完整word版)开题报告：永磁同步电机控制系统仿真

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 - 1 -

基于FPGA 的永磁同步电动机矢量控制IP 核的研究

基于FPGA的永磁同步电动机矢量控制IP核的研究 赵品志 摘要 论文首先分析了永磁同步电动机的数学模型及矢量控制的原理。研究了使用现代EDA工程设计方法，在FPGA上实现单芯片交流伺服控制系统的结构和具体实现方法。其次，详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理，利用Verilog HDL硬件电路描述语言，编写了SVPWM、坐标变换、串行通信、位置检测等IP模块，并进行了仿真和验证。最后，将本文编写的主要SVPWM IP模块、串行通信、位置检测等IP模块在Quartus II 3.0软件中进行综合编译，并通过ByteBlaster II下载电缆将生成的网络表配置到NIOS II开发板上的Cyclone 系列FPGA EP1C20F400C7芯片中，经过实验测试，验证了所编写的IP模块的正确性。 关键词：矢量控制，空间矢量脉宽调制，FPGA，IP 引言 为满足现代数控系统技术与市场发展需求，伺服系统出现交流化、数字化、智能化三个主要发展动向。伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类：直流伺服系统和交流伺服系统，其中交流伺服系统又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统[1]。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在伺服系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1972年，德国西门子的Blaschke提出了交流异步电动机的矢量控制理论。该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，得到类似直流电动机的解耦的数学模型，使交流电动机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性能。1980年，德国人Leonhard为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化[2]。90年代以来，随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，永磁同步伺服电动机得到了长足的发展。交流伺服系统采用永磁同步伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于永磁同步伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前永磁同步交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为：交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制[3][4]。 最初，交流伺服电机的变频调速都是由分立器件实现的，不可避免地存在温漂、老化等问题。这种方法所使用的器件数目非常多，而且结构也很复杂，这就使得系统的可靠性、精度很难保证在一个较高的水平。另外，用分立元件实现数字脉宽调制需要使用波形发生器，而分立元件的工作频率有限，因而很难实现高性能高精度的数字脉宽调制。利用分立元件实现较复杂的脉宽调制技术（如SVPWM）有很大的困难，复杂的逻辑关系难以实现。这些都驱使人们寻求其它实现数字脉宽调制的方法。其中单芯片系统（SOPC）使这种想法成为可能，在单芯片上可以实现复杂而精确的逻辑运算，运算速度比分立元件高得多，因而越来越受到人们的重视。本文对实现SOPC有很大帮助，利用Quartus软件生成的网络表可以直接用于芯片的生产[5]。

永磁同步电机矢量控制原理

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换都是线性变换。 在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。

基于某SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真

基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真随着电动机在社会生产中的广泛应用，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、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间

电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于α轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α-β坐标系也是静止坐标系。 3)转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。 矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke 变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。 1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） 三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为α轴，由α起逆时针旋转90°作β轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（α-β）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生的磁动势。如图1.1所示。

永磁同步电动机矢量控制

第2章永磁同步电机结构及控制方法 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但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2-1(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安装在转子轴的内部，如图2-1(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。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，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，就可以改变转子的转速和位置。

电动汽车用永磁同步电机控制系统设计

硕士学位论文 二0一五 年 六 月 作者姓名 指导教师 学科专业 控制工程 电动汽车用永磁同步电机控制系统设计 Design of permanent magnet synchronous motor control system for electric vehicle

摘要 本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出，PMSM采用直接转矩控制DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。 随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对PMSM的直接转矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最终得出了DTC 较其它控制方式的稳定性。 其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于SVM技术的SVPWM的控制方式，即空间矢量调制DTC控制策略，通过Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSM DTC有着更好的稳定性。 TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计，两个方面研究了该芯片。DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；DSP；SVPWM

永磁同步电机的原理及结构

第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在 异步转矩、永磁发电制动转矩、矩起的磁阻转矩和单轴转由转子磁路不对称而引 等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动 过程中，质的转矩，只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他 的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。

永磁同步电机的原理和结构

WORD文档可编辑 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流，在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引等一系列的因素共同作用 起的磁阻转矩和单轴转 矩 下而引起的，所以在这个过程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，质的转矩， 只有异步转矩是驱动性电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入式而言，各种结构都各有其各自的优点。

永磁同步电机矢量控制简要原理

关于1.5KＷ永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制,采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速,为防止失步，采用自控方式,利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率,同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量,并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id＝０，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和ｉｑ乘积成正比。由于给定Id=0,那么主磁通就基本恒定,这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分,输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电,并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。

原理框图如下： 基本控制过程:速度给定信号与检测到的转子信号相比较,经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Ｉsq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Iｓd＿ｒｅf由外部给定,当励磁分量为零时,从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定,简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流,经过Clarｋe变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流,再通过ｐark变换将其变为d-ｑ两相旋转坐标系下电流Ｉsq,Iｓｄ,分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Ｖsd_rｅf 和Ｖsq_ref，再经过ｐark逆变换,得到Vsa_ｒeｆ和Ｖsｂ_ｒｅf作为

永磁同步电机的原理和结构

WoRD文档可编辑 第一章永磁同步电机的原理及结构 1.1永磁同步电机的基本工作原理 永磁同步电机的原理如下在电动机的定子绕组中通入三相电流， 在通入电流后就会在电动机的定子绕组中形成旋转磁场，由于在转子上 安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥 的原理，在定子中产生的旋转磁场会带动转子进行旋转，最终达到转子 的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等，所以可以把永磁同步 电机的起动过程看成是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步 启动的研究阶段中，电动机的转速是从零开始逐渐增大的，造成上诉的 主要原因是其在异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的，所以在这个过 程中转速是振荡着上升的。在起动过程中，只有异步转矩是驱动性质的转矩， 电动机就是以这转矩来得以加速的，其他的转矩大部分以制动性质为 主。在电动机的速度由零增加到接近定子的磁场旋转转速时，在永磁体 脉振转矩的影响下永磁同步电机的转速有可能会超过同步转速，而出现 转速的超调现象。但经过一段时间的转速振荡后，最终在同步转矩的作用下而被牵入同步。 1.2永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要是由转子、端盖、及定子等各部件组成的。 一般来说，永磁同步电机的最大的特点是它的定子结构与普通的感应电机的结构非常非常的相似，主要是区别于转子的独特的结构与其它电机形成了差别。和常用的异步电机的最大不同则是转子的独特的结构，在转子上放有高质量的永磁体磁极。由于在转子上安放永磁体的位置有很多选择，所以永磁同步电机通常会被分为三大类：内嵌式、面贴式以及插入式，如图 1.1所示。永磁同步电机的运行性能是最受关注的，影响其性能的因素有很多，但是最主要的则是永磁同步电机的结构。就面贴式、插入式和嵌入 式而言，各种结构都各有其各自的优点。