永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书
永磁同步电机矢量控制仿真
电压空间矢量PWM技术 三相电动机由三相对称正弦交流电源供电时
u= d(f me i wt ) dt = j wf me i wt = wf me
i ( wt + p 2)
该式说明，当磁链幅值一定时,U的大小ω与成正比，或者说供电电压与频率成正比，其 方向是磁链轨迹方向的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按 磁链圆的切线方向运动2π弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的 形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。 SVPWM也称作磁链轨迹法，从原理上讲，把电动机与PWM逆变器看作一体，着眼于 如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生 圆形磁链，SVPWM以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效 电压矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形。 SVPWM法则由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并 由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。
1．详细分析了永磁同步电机的数学模型，通过对数学模 型的分析，明确了永磁同步电机 的电磁约束关系，为分 析永磁同步电机的运动规律和研究高性能的控制决策提供 理论基础。 2．在分析数学模型的基础上，建立了永磁同步电机的矢 量控制系统，论述了矢量控制的 实现方法。 3．SVPWM的产生是实现矢量控制的关键，详细分析了 SVPWM的原理以及实现方法。 4．对整个系统进行了仿真，在MATLAB中建立了基于 SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型。
本控制系统采用的是令id=0，此时转矩和iq成线性关系，只要控制iq即可达到对转矩的控 制，其矢量控制仿真结构图如下：
空间电压矢量图
X Y Z判断ຫໍສະໝຸດ 扇区判断计算T1、T2
永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真
摘要本文首先简要介绍了正弦波永磁同步电动机（PMSM）的结构特点和数学模型，在此基础上阐述了永磁同步电动机矢量控制的思想和自控变频调速方法。
着重介绍了正弦波脉冲宽度调制（SPWM），电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）和电压空间矢量PWM（SVPWM）三种控制技术，并分别给出了基于这三种变频控制技术的永磁同步电动机矢量控制双闭环调速系统的Simulink仿真模型。
应用PID控制器设计方法进行系统参数整定，并进行动态仿真分析校正，最终达到了较为理想的稳、动态性能指标。
其中着重分析了转速微分负反馈在双闭环调速系统中抑制超调、改善动态性能和增强抗扰性能的作用。
关键词：永磁同步电动机矢量控制 SPWM CHBPWM SVPWM 仿真AbstractFirstly,this paper briefly describes the structural features of Sinusoidal Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) and it’s mathematical model.Then elaborating the theory of the Vector control and the method of Controlled frequency.It presents three control technology of SPWM,CHBPWM and SVPWM.It also gives the simulation model of double closed-loop control system of PMSM.We design the parameters of PID while simulating.Finally,we achieve the ideal performances of the system.It mainly analysises funtion of controlling overshoot and improving performances of the differential negative feedback of speed.Key words:PMSM Vector Control SPWM CHBPWM SVPWM Simulation目录摘要 (I)1 引言 (1)2 永磁同步电动机的数学模型 (1)2.1 永磁同步电动机的简介 (1)2.2 矢量控制原理 (2)2.2.1 矢量控制的基本原理 (2)2.2.2 矢量控制中的坐标变换 (2)2.2.3 矢量控制的磁链定向方式 (3)2.3 永磁同步电动机在dq0坐标系下的数学模型 (3)3 同步电动机变压变频(VVVF)调速系统 (4)3.1 同步电动机变压变频调速的特点及基本类型 (4)3.2 永磁同步电动机自控变频调速系统 (5)4 永磁同步电动机矢量控制调速系统Matlab/Simulink仿真 (6)4.1 基于SPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2 基于CHBPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2.1 电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术 (6)4.2.2 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (7)4.2.3 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (9)4.3 基于SVPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (15)4.3.1 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术 (15)4.3.2 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (20)4.3.3 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (21)4.4 本章小结 (22)5 总结与展望 (23)参考文献 (24)永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真1 引言随着技术的飞速发展，人们的生活水平提高，各种自动化调速系统在人们生产生活中的应用不断增多，且使用环境也日益复杂，直流调速系统由于其结构复杂、制造困难、成本高等缺点日渐难以满足各种生产生活的要求。
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。
尤其是近年来，随着永磁材料的迅速发展和电力电子和控制技术的进步，永磁同步电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观，永磁电机及其驱动控制器设计也成了电机领域研究的热点课题，因而对永磁同步电机的研究是非常有意义的。
永磁同步电机矢量控制matlab仿真
永磁同步电机矢量控制matlab仿真永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的矢量控制（也称为场向量控制或FOC）是一种先进的控制策略，用于优化电机的性能。
这种控制方法通过独立控制电机的磁通和转矩分量，实现了对电机的高性能控制。
在MATLAB中，你可以使用Simulink和SimPowerSystems库来模拟永磁同步电机的矢量控制。
以下是一个基本的步骤指南：1.建立电机模型：使用SimPowerSystems库中的Permanent Magnet SynchronousMachine模型。
你需要为电机提供适当的参数，如额定功率、额定电压、额定电流、极对数、转子惯量等。
2.建立控制器模型：矢量控制的核心是Park变换和反Park变换，用于将电机的定子电流从abc坐标系变换到dq旋转坐标系，以及从dq坐标系变换回abc坐标系。
你需要建立这些变换的模型，并设计一个适当的控制器（如PI控制器）来控制dq轴电流。
3.建立逆变器模型：使用SimPowerSystems库中的PWM Inverter模型。
这个模型将控制器的输出（dq轴电压参考值）转换为逆变器的开关信号。
4.连接模型：将电机、控制器和逆变器连接起来，形成一个闭环控制系统。
你还需要添加一个适当的负载模型来模拟电机的实际工作环境。
5.设置仿真参数并运行仿真：在Simulink的仿真设置中，你需要设置仿真时间、步长等参数。
然后，你可以运行仿真并观察结果。
6.分析结果：你可以使用Scope或其他分析工具来查看电机的转速、定子电流、电磁转矩等性能指标。
这些指标可以帮助你评估控制算法的有效性。
请注意，这只是一个基本的指南，具体的实现细节可能会因你的应用需求和电机参数而有所不同。
在进行仿真之前，建议你仔细阅读相关的文献和教程，以便更好地理解永磁同步电机的矢量控制原理。
工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真
综合训练项目三题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真1学期期：2014-2015学年第学业：自动化专1班级班级：2011 姓名：官均涛1105010105 号：学指导教师：侯利民辽宁工程技术大学成绩评定表综合训练项目三题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目的：通过搭建仿真模型，克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。
要求: 利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建PMSM矢量控制系统仿真模型，通过调节PI参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。
任务：1、学习永磁同步电机矢量控制技术；2、搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；3、调试PI调节器参数满足各种工况；4、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。
成果形式：现场演示+书面报告永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目录1 永磁同步电动机的矢量控制原理 (1)1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理 (1)1.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 (1)1.3 永磁同步电动机的矢量控制策略 (2)2 永磁同步电动机矢量控制系统i=0控制的simulink仿真 (4)d2.1 永磁同步电动机矢量控制系统的建模 (4)2.2 永磁同步电动机矢量控制系统的simulink仿真 (5)2.2.1 空载启动仿真 (5)2.2.2转速突变仿真 (6)2.2.3 负载突变仿真 (8)3 仿真结果分析 (11)综合训练项目三1 永磁同步电动机的矢量控制原理1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。
目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。
矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统的仿真研究
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统的仿真研究永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种应用广泛的高性能电机。
在工业领域，PMSM通常采用矢量控制方法来实现精确的速度和位置控制。
本文基于MATLAB对PMSM矢量控制系统进行仿真研究，探讨其工作原理及性能。
首先，PMSM的矢量控制系统由控制器、电机和传感器三部分组成。
其中，控制器根据电机的反馈信号和期望输出来计算电机的控制信号。
传感器用于测量电机的转速、位置和电流等参数，反馈给控制器。
通过调节控制信号，控制器可以实现电机的速度和位置控制。
在PMSM的矢量控制系统中，通常采用dq轴矢量控制方法，将三相电流转换为直流参考轴和旋转参考轴的dq坐标系，进而对电机进行控制。
其次，本文利用MATLAB软件对PMSM矢量控制系统进行了仿真实验。
首先，建立了PMSM电机的数学模型，包括电机的动态方程、反电动势方程和电流方程。
然后，在MATLAB环境中编写程序，实现电机模型的数值求解和控制算法的计算。
通过调节控制参数，可以对电机的速度和位置进行精确控制，并实时监测电机的工作状态。
在仿真实验中，通过改变电机的负载情况、工作电压和控制参数等条件，分析了PMSM矢量控制系统的性能。
实验结果表明，当负载增加时，电机的转动惯量增大，控制系统的响应时间变长，但依然可以实现精确的速度和位置控制。
当电机的工作电压增加时，电机的输出功率和转速增大，但也会产生更大的电流和损耗。
当控制参数的比例增益和积分时间常数变化时，系统的稳定性和动态性能均会受到影响，需要进行合理的调节。
总结起来，本文基于MATLAB对PMSM矢量控制系统进行了仿真研究，探讨了其控制原理和性能。
通过仿真实验，可以深入理解PMSM矢量控制系统的工作原理，优化系统的参数和性能，并为实际应用提供参考。
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。
1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。
该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。
控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。
矢量控制的基本思想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，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，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。
控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。
1 永磁同步电机的数学模型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。
1.2 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MATLABSimulinkSimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真
基于MATLABSimulinkSimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统建模与仿真一、本文概述随着电力电子技术和控制理论的快速发展，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的调速性能，在电动汽车、风力发电、机器人和工业自动化等领域得到了广泛应用。
然而，PMSM的高性能运行依赖于先进的控制系统，其中矢量控制（Vector Control, VC）是最常用的控制策略之一。
矢量控制，也称为场向量控制，其基本思想是通过坐标变换将电机的定子电流分解为与磁场方向正交的两个分量——转矩分量和励磁分量，并分别进行控制，从而实现电机的高性能运行。
这种控制策略需要对电机的动态行为和电磁关系有深入的理解，并且要求控制系统能够快速、准确地响应各种工况变化。
MATLAB/Simulink/SimPowerSystems是MathWorks公司开发的一套强大的电力系统和电机控制系统仿真工具。
通过Simulink的图形化建模环境和SimPowerSystems的电机及电力电子元件库，用户可以方便地进行电机控制系统的建模、仿真和分析。
本文旨在介绍基于MATLAB/Simulink/SimPowerSystems的永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真方法。
将简要概述永磁同步电机的基本结构和运行原理，然后详细介绍矢量控制的基本原理和坐标变换方法。
接着，将通过一个具体的案例，展示如何使用Simulink和SimPowerSystems进行永磁同步电机矢量控制系统的建模和仿真，并分析仿真结果，验证控制策略的有效性。
将讨论在实际应用中可能遇到的挑战和问题，并提出相应的解决方案。
通过本文的阅读，读者可以对永磁同步电机矢量控制系统有更深入的理解，并掌握使用MATLAB/Simulink/SimPowerSystems进行电机控制系统仿真的基本方法。
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永磁同步电机双闭环矢
量控制系统仿真实验指
导书
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
题目1：永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真
一． 实验目的
1．加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理
2．掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法
二．实验要求：
1. 永磁同步电机双闭环控制系统建模
2. 电流控制器设计
3. 电流环动态跟随性能仿真实验
4. 转速控制器设计
5. 转速环抗负载扰动性能仿真实验
6. 给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论
三．预习内容
注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索
Simulink的启动 在MATLAB中键入>>Simulink，进入Simulink library，2014
版本的可直接点击MATLAB界面上的Simulink library，在Simulink界面上选择
File->New->Model。如图1所示：
图1 Simulink界面
在Simulink一级标题下点击source将step(阶跃函数)拖入空白文件作为转
速给定，也可用两个ramp函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图2：
图2 转速给定
在Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem放入空白文
件并双击，删除In1和Out1的连线，如图3：
图3 子函数模块
选择Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的
Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add，连好线后保存并返回，
作为PI调节器，其中saturation可设置上下限为100和-100，如图4：
4
图4 PI子函数模块设置
此PI调节器输出结果作为Iq的电流给定，同样方法得到一个PI调节器，
输出结果作为电压给定，并设置saturation上下限为380和-380，Simulink下
math operation选择sum双击并修改第二个“+”为“-”，如图5：
图5 转速和电流反馈PI调节
选择Simulink>Ports & Subsystems下的Subsystem 拖入并双击进入子系
统，并添加2个In1和1个Out1如图6：
图6 接口模块
Simulink>math operation 下选择 Trigonometric Function、Product、
Subtract、Add加入文件，设置好后保存并退出，作为逆Park变换，如图7：
图7 反Park变换
再生成一个PI调节器，作为d轴电流调节器，Simulink>source中选择
constant并设置为0，如图8：
图8 静止坐标系电压生
svpwm模块建立过程过于复杂，可参考文献[1][2]，只列出总体框图如图9和图
10，其中Ts为开关周期，Udc为直流母线电压。
图9 SVPWM生成结构
6
图10 SVPWM生成模块
三相桥模块：早期版本MATLAB选择SimPowerSystems>specialized
Technology>Power Electronics 文件下的Universal Bridge（ATTENTION：这一步不
在Simulink一级标题下，往下寻找）, 2014 版本在Simscape> SimPowerSystems>
Technology>Power Electronics, 找不到可以在搜索框中
输入对应器件名称搜索。
直流母线电压源：SimPowerSystems>specialized Technology>Electrical
sources 选择DC voltage source，电压设置为530V，如图11：
图11 三相桥模块
添加PM电机模块：SimPowerSystems>specialized Technology>Machines 选
择Permanent Magnet Synchronous Motor, 在添加Step信号作为转矩输入，暂时
设置为0，如图12：
图12 PMSM电机模块设置
选择Simulink>Signal routing下的Bus selector，PMSM上的m连接到Bus
selector 上的输入端，双击Bus selector, 选择 Signals in the bus下的项，点击中
间的select，可以全部添加。如图13：
图13 输出参数设置
选择Simulink>Signal routing下的Mux, 双击将数字改为3，将Bus selector输
出端的A BC相电流连接到Mux的输入端，如图，并选择simulink>Sink添加示
波器Scope观测电流, 如果需要查看波形的FFT，双击scope>parameters>history,
去掉limit data point to last并勾选save data to workspace如图14:
图14电流解耦
Clark变换：simulink>Ports & Subsystems选择Subsystem，双击进入 添加
Mux 和DeMux，user-defined Functions 选择Fcn, 其中Iabc为三相电流，设置如
图15：
8
图15 Clark变换参数设置
Park变换：Clark变换的输出Ia、Ib和电机的theta角作为park变换的输
入，需要添加Mux模块，其中Function设置如图16所示：
图16 park变换参数设置
双击点击模型,点击parameter选项,根据设置的电机极对数选择对电机转子
输出的机械角度乘以极对数得到电角度,如图17红色圈所示.电机为感性负
载,Clark电流变换的角度有90°相位差,所以需要减去90度.
Simscape>SimpowerSystem>specialized Technology选择powergui添加到仿真图
中，最终仿真图如图17所示：
9
图17 总体框图
仿真参数设置Simulation>model configuration parameters，仿真步长可以设置
为定步长或者变步长，定步长，此处设置为开关周期的一百分之一即
1/600000，变步长可以设置最大步长为开关周期的百分之一，在不同步长情况
下查看仿真结果:
图18 仿真参数设置
如果仿真过程中出现Data logging exceeded available memory，可以在示波
器parameters中的参数， limit to last选项后的勾去掉，或者修改图18中仿真
步长。若要添加转矩反馈，可以添加在电流反馈环之前。调整转速PI参数看看
结果变化。
以上得到了最简易的电路图,反馈的转速单位为rad/s，给定转速单位若为
r/min，需要在反馈的转速乘以30/pi。
线电压显示：simpower下面找到voltage measurement 添加三个到电路
图，+端连接三相桥的A相，“-”连接三相桥的B相，其余两个分别连接B-C，
C-A。
相电压显示：将三相桥的直流电压给定分为两个，中间接地ground，A B C
相通过voltage measurement 与ground相减 连接示波器即可，如图19：
10
图19 实验电路全图（可加测相电压）
四． 实验报告要求：
1．对电机驱动系统的转速、电流、电压等仿真波形进行分析。
2．研究转速和电流调节器参数对驱动系统动态性能的影响。
参考文献：
[1] 范心明. 基于SIMULINK的SVPWM仿真[J]. 电气传动自动化, 2009,03:19-21+34.
[2] SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解
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