永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理
三相永磁同步电机(PMSM)矢量控制建模与仿真
目录1 引言 (1)1.1 课题的背景与意义 (1)1.1.1 课题背景 (1)1.1.2 课题意义 (1)1.2 永磁电机发展概况 (1)2 机电能量转换和拉格朗日方程 (2)2.1 机电能量转换 (2)2.2 三相同步电机电磁转矩 (7)2.3 拉格朗日方程 (9)3 三相永磁同步电机的数学模型 (11)3.1 三相PMSM的基本数学模型 (11)3.2 三相PMSM的坐标变换 (13)3.2.1 Clark变换 (13)3.2.2 Park变换 (14)3.3 同步旋转坐标系下PMSM的数学模型 (14)4 三相永磁同步电机的矢量控制 (16)4.1 转速环PI调节器的参数整定 (16)4.2 电流环PI调节器的参数整定 (17)4.3 三相PMSM矢量控制系统的仿真 (19)4.3.1 仿真建模 (19)4.3.2 仿真结果分析 (22)总结 (23)参考文献 (23)三相永磁同步电机矢量控制建模与仿真摘要：永磁同步电机具有体积小、效率和功率因数高等优点，因此越来越多的应用在各种功率等级的场合。
永磁同步电机的控制是永磁同步电机应用的关键技术，永磁同步电机的结构特点使得采用矢量控制系统有很大的优势。
本文首先分析了永磁同步电机矢量控制的发展概况，然后从机电能量转换的角度出发，解释三相永磁同步电机的机电能量转换原理，推导拉格朗日运动方程。
此外，列写出永磁同步电机在三相静止坐标系和dq坐标系下的数学模型。
基于Simulink建立了转速电流双闭环矢量控制系统的仿真模型，通过对仿真结果分析，验证了永磁同步电机矢量控制系统性能的优越性。
关键词：永磁同步电机，矢量控制，Simulink1 引言1.1 课题的背景与意义1.1.1 课题背景交流电机的控制性能在磁场定向矢量控制技术提出后才有了质的飞跃。
磁场定向矢量控制技术采用的是励磁电流和转矩电流的解稱控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。
永磁同步电动机电流环矢量控制文档
永磁同步电动机电流环矢量控制文档永磁同步电动机的数学模型和矢量控制1.坐标变换原理（1）坐标系介绍三种：三相静止坐标系（abc）、两相静止坐标系（αβ）以及同步旋转坐标系（dq）（2）坐标变换主要目的是为了将交流电机的物理模型等效地变成直流电机的物理模型，使控制大大简化。
不同电机模型等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相同。
三相静止坐标系与两相静止坐标系之间转换为方便起见，取α轴与A轴重合，设三相系统每相绕组的有效匝数为N3，两相系统每相绕组的有效匝数为N2，各相磁动势均为有效匝数及其瞬时电流的乘积。
交流电流的磁动势大小随时间耳边，图中磁动势矢量的长短是任意画的。
设磁动势波形是正弦分布，当三相磁动势与两相磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在α、β上的投影应当相等。
为了便于求反变换，最好将变换阵表示成可逆的方阵。
为此，在两相系统上人为地增加一相零轴磁动势N2i，并定义为将以上三式合在一起，写成矩阵形式，得式中是三相坐标系变换到两相坐标系的变换阵。
满足功率不变条件时应有显然，两矩阵的乘积应该为单位阵，由此求得这就是满足功率不变约束条件时的参数关系。
由此得到在实际电机中并没有零轴电流，因此实际的电流变换式为如果三相绕组是星形不带零线接法则整理得●两相静止/两相旋转变换●由三相静止坐标系到任意两相旋转坐标系上的变换2.永磁同步电动机的数学模型当永磁同步电动机的定子通入三相交流电I时，电枢电流在定子绕组电枢电阻R上产生电压降IR。
由三相交流电流I产生的旋转电枢磁动势Fa，及建立的电S枢磁场aφ，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应反电动势a E，另一方面以电磁力拖动转子以同步转速n旋转。
电枢电流I还会产生仅与定子绕组相交s链的定子绕组漏磁通。
并在定子绕组中产生感应漏电动势Eσ。
此外转子永磁极产生的磁场0φ以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势0E。
因此永磁同步电动机运行时的电磁关系如下所示：该变换将转子两相旋转坐标系中的量直接变换到定子三相静止坐标系中，对电流、电压、磁链都适用、由此可得：由转矩方程可以看出来，永磁同步电机的电磁转矩基本上决定于定子交轴电流分量和转子次梁。
永磁同步电机控制原理
iq PI
uq
r
id
id PI
ud
iq id
u
d，q
α，β u
d，q
i
i
α，β
SV PWM
驱动模块
逆变器
α，β
ia
ib
a，b，c
d / dt
控制模块
高压直流电输入输出 电机控制器外部低压输入信号 电机控制器内部输入信号 数学计算输出信号 控制程序输出信号 IGBT信号
电机控制器
PMSM
旋转变压器
永磁同步电机控制原理
控制方式
永磁同步电机 （PMSM）
矢量控制 控制方式
直接转矩控制
矢量控制（磁场定向控制）
矢量控制实现的基本原理是测量和控制电机定子电流矢量
根据磁场定向原理分别对电机的励磁电流和转矩电流进行 控制，从而达到控制电机转速和转矩的目的
对电流的空间矢量 进行坐标变换，并 进行控制，所以叫 矢量控制
数据 观测
上位机
RS232
LED 显示
外部 存储器 仿真器
DAC
键盘控制
I/O
PDPINT
SCI
CPU
PWM
产生
SPI
存储器
模块
EMIF
ADC PLL
JTAG
WD/RTI
DSP
QEP
U DC C
故障检 测电路
光
驱
三相
耦
动
逆变
隔
电
电路
离
路
IPM
电流 检测
位置 检测
PMSM
IPM内部集成： 6个IGBT 驱动电路 保护电路
驱动电机总成
软件流程图
永磁同步电机矢量控制分析
永磁同步电机矢量控制分析一、本文概述永磁同步电机（PMSM）作为一种高性能的电机类型，在现代工业、交通以及新能源等领域的应用日益广泛。
其矢量控制技术，即通过对电机电流的精确控制，实现对电机转矩和磁场的独立调节，从而实现电机的高效、稳定运行。
本文旨在全面分析永磁同步电机的矢量控制技术，包括其基本原理、控制策略、实现方法以及在实际应用中的优缺点，为相关领域的研究者和工程师提供有益的参考。
本文将对永磁同步电机的基本结构和工作原理进行简要介绍，为后续的分析奠定理论基础。
然后，将重点讨论矢量控制技术的理论基础和实现方法，包括空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术、电流环和速度环的设计与控制策略等。
在此基础上，本文将深入分析矢量控制技术在永磁同步电机中的应用，包括其在提高电机效率、优化动态性能以及提升系统稳定性等方面的作用。
本文还将对矢量控制技术在永磁同步电机应用中的挑战和前景进行探讨。
一方面，将分析当前矢量控制技术在实际应用中面临的主要问题，如参数敏感性、控制复杂度以及成本等；另一方面，将展望未来的发展趋势，如智能化、集成化以及优化算法的应用等。
本文将对永磁同步电机矢量控制技术的未来发展提出展望，以期为该领域的进一步研究和应用提供参考。
二、永磁同步电机基本原理永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）是一种高效、高功率密度的电机，广泛应用于电动汽车、风力发电、工业自动化等领域。
其基本原理主要基于电磁感应和磁场相互作用。
PMSM的核心部件是永磁体，这些永磁体通常嵌入在电机的转子中，形成固定的磁场。
当电机通电时，定子中的电流会产生一个旋转磁场。
这个旋转磁场与转子中的永磁体磁场相互作用，使得转子开始旋转。
通过精确控制定子中的电流，可以实现对转子旋转速度、方向和扭矩的精确控制。
在PMSM中，矢量控制是一种重要的控制策略。
矢量控制通过独立控制电机的磁通和扭矩分量，实现了对电机的高效、高性能控制。
永磁同步电机矢量控制
2.电压空间矢量PWM 的基本原理交流电动机输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，将逆变器与电动机视为一个整体，以圆形磁场为目标来控制逆变器工作，这种控制方法称作“磁链跟踪控制”，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空间矢量实现的。
与直接的SPWM 技术相比，SVPWM 算法的优点主要有：1、SVPWM 优化谐波程度高，消除谐波效果好，可以提高电压利用率。
2、SVPWM 算法提高了电机的动态响应速度，同时减小了电机的转矩脉动。
3、SVPWM 比较适合于数字化控制系统。
如图1所示，A 、B 、C 分别表示在空间静止的电动机定子三相绕组的轴线,他们在空间上互差2π⁄3，三相定子相电压u a 、u b 、u c 分别加在三相绕组上，可以定义三个定子电压空间矢量U A (t)、U B (t)、U C (t),他们在时间上互差2π⁄3，并且在各自轴线上按正弦规律变化。
U A (t )=U m cos (ωt )U B (t )=U m cos(ωt−2π/3)U C (t )=U m cos(ωt +2π/3)A(e j 0)图2.1 电压空间矢量可以得到三相电压合成矢量为：U s =U A (t )+U B (t )e i2π/3+U C (t )e −i2π/3=32U m e ωt+π/2 从上式中可以看出，电压空间矢量U s 是以角速度ω逆时针旋转的一个电压矢量，其幅值为相电压幅值的1.5倍。
又当电动机转速较高时，由定子电阻所引起的压降可以忽略不计，则定子合成电压与合成磁链空间矢量之间的关系可以写为：u s =dψsdt当电动机有三相平衡正弦电压供电时，电动机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢量顶端的运动轨迹为圆形。
将ψs =ψs e iωt+iφ代入上式可以得到u s =ωψs e i(ωt+φ+π/2)由上式知u s 的方向与磁链矢量ψs 正交，当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续的按磁链圆的切线方向运动2π弧度，因此电机旋转磁场轨迹问题可以转化为电压空间矢量的运动轨迹问题。
永磁同步电机的矢量控制原理
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。
正弦波和方波的区别在于正弦波电流的瞬时值随相位变化。
交流永磁同步电动机的理
想状态是使定子绕组的电流在转子磁场强度最大的位置达到最大，从而使电动机在相同的
输入电流下获得最大的输出转矩。
为了实现这一目标，必须同时控制定子电流的幅值和相位。
振幅和相位构成电流矢量，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为定子坐标系。
④ 转子坐标系下的定子电流
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。
永磁同步电机的数学模型与矢量控制原理
永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理WAA磁同步电机的转F上水盛体的安装方式的不同，则电机的制造丄适用场所、运行•性能、控制方法也郁有所五同。
根据氷磁体在转子上的位貰不同，永磁同步电机可分为小叫(i)表骷式永磁同应电机t Surface-mounted PMSM.简称SPMSM A. SPM)* Jt转f结构如下图所示。
SPM电机转子上的永磁体位于转子铁芯的表面,通常呈瓦片形, 为电机提供径向磁通。
另外,因外包钢膜上的感生涡流损耗,遣成较大的铁损，而且气隙较大•导致其效率较低。
但磁阻转矩较小.若对其进行合理的控制可获得较好的低速运转特性。
(ii)内埋式永磁同步电机(Interior PMSM,简称1PMSM或IPM),此类电机转子上的永磁体位于转了内部，通常呈条状。
由丁此种转子具仃不对称的磴路給构,所以它比SPMSM 分磁阳转矩，从而大大提离了电机的功率密度F实现屈磁控制。
同时，由于永磁休在转子铁芯内部，所以这类电机有更加坚固的转子結构,适合运转于高速场IPM 的定子电感随转『鎚极位西非线性变化.所以1PM的捽制性能随;匸子电流换柑相移影响口SPM与IPM的转于结构如图2.1所示。
本文上嘤研究SPMSM的数学模型及其矢豐控制方法。
水磁体铁芯<a> SPM转子结构<b) IPM转予结构图2.【永毬同歩电机转子蒂构2.2永磁同步电机的数学模型木节苜先建立PMSM的数学模型，这也是后续研究PMSM矢丘控制算法的屣础"接卜來分别对三相静止坐标系、两和邯止坐标系和两相旋转堰标系F的PMSM 的数学模型进行描述。
严格的说，永磁同步电机是一个存在非线性磁化特性和饱和效应的电磁装留，它的 动态方程式一个高阶微分方程，很难对它进行粘确求解，所以必须对它进行一定程度的 简化，将它化成一个二阶微分方程组。
为了突出主婆何题，先忽略次要因素，作如下假 设叫（1） 忽略谐波效应，设定子三相绕组完全对称且在空间中互差120°电角度，所 产生理想正弦磁动势；（2） 忽略永磁体的非线件饱和因素，认为各相绕纽的阴值、电感都是恒定的，FI Ro = R 、= R< = &丄（! = — = Lc ；（3） 不计电机的磁滞损耗和涡流损耗等： （4） 不考电频率和温度变化对电机参数的场响： （5） 转子上没有阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用。
永磁同步电机矢量控制总结
目录永磁同步电机数学模型........................................................................2永磁同步电动机矢量控制原理...............................................................3（SVPWM ）电压空间矢量PWM 控制原理.......................................................4SVPWM 控制算法. (5)1、计算扇区N ：............................................................................................82、计算作用时间1T 、2T ，并用X 、Y 、Z 表示：.....................................93、计算占空比：..........................................................................................104、求出切换点1cm T 、2cm T 、3cm T 。
.. (11)MATLAB 仿真实现SVPWM (12)1、判断扇区：..............................................................................................122、求出X 、Y 、Z ：.....................................................................................123、求出1T 、2T .............................................................................................134、求出切换点1cm T 、2cm T 、3cm T ...............................................................135、输出PWM 波形：. (14)永磁同步电动机矢量控制仿真.............................................................15PI 调节：.. (15)1、电流环：..................................................................................................162、转速环：.. (17)基于TMS320F2812程序实现： (18)永磁同步电机矢量控制总结永磁同步电机数学模型永磁同步电机最常用的方法就是q d-轴数学模型，为了建立正弦波永磁同步电机的数学模型，首先假设：忽略电动机铁芯的永磁饱和；不计电动机的涡流和磁滞损耗；电动机的电流为对称的三相正弦电流。