双三相永磁同步电机双电机矢量控制剖析
双三相永磁同步电机矢量控制技术
开题报告
1. 课题来源及研究目的和意义
多电机驱动系统作为运动控制研究领域的重要内容之一，广泛应用于地铁，机车牵引，挤压机组，机器人等应用场合。而要推出性能优良的机车牵引，机器人等工业驱动以及综合电力舰船系统就需要解决同一直流母线电源和同一逆变器供电的多台电机独立运行问题[1]。
在过去的二十多年，越来越多的研究人员关注研究多相电机，因为多相电机相对于传统的三相电机存在诸多的显著优点，包括：减少转矩脉动，降低直流母线电流谐波含量，潜在的高效率，降低各相功率，由于较高的容错能力大大提高可靠性[2]。最常见的一种多相电机是双三相电机[3]，而双三相永磁同步电机是目前研究较为广泛的一种多相电机，与传统的三相电机相比，双三相电机将基波电流产生的最低次谐波磁势提高到了11次，消除了对电机性能影响最大的5次、7次谐波磁势，大大减少了电机的转矩脉动，提升了电机性能[4]。所以我以双三相永磁同步电机为例来研究多相电机的多电机串联控制。
多相电机驱动控制策略中，最具影响力和代表性的是基于空间矢量解耦的矢量控制。矢量控制方式的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。简单的说，空间矢量控制就是通过坐标变换将交流电机模型等效为直流电机，实现磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。所以对双三相永磁同步电机空间矢量控制技术的研究具有一定的研究意义。
2. 国内外双三相电机矢量控制技术的历史和现状
1995年Yifan Zhao和T.A.Lipo等人从向量空间解耦的角度构造了相移30°双三相感应电机的变换矩阵[5]。该方法通过适当的坐标变化，将自然坐标系下六维空间中的变量映像到新基下的六维空间，新的一组基形成三个相互正交的二维子空间，从而可以在每个子空间中分别进行控制，而且每一个子
空间中的分量对应于电机变量中一定次数的谐波。湖南大学的欧阳洪林和成兰仙等人基于此种方法建立了双三相永磁同步电动机的数学模型，但其研究对象主要为隐极电机，使得电机模型简化，不具备代表性。
2003年Nelson、Wu和1997年Aghaebrahimi等人则从双绕组的角度分别建立了双三相感应电机和同步电机的数学模型[6,7]。他们把双三相电机看成是两个三相电机的组合，用分析三相电机的方法来分析六相电机。所选用的变换矩阵为两个Clarke变换矩阵或Park变换阵的组合。这种变换方法一般称为双d-q变换。上海海事大学的谢卫、黄家圣以及哈尔滨工程大学的张敬南、刘勇、丛望基于这种方法对六相永磁同步电励磁电动机进行了建模分析，并利用MATLAB/SIMULINK软件建立了其仿真模型，对其性能和参数影响做了系统的研究，但是所建立的数学模型不精确，仿真效果并不理想。Wu将推导出的同步电机模型标么化处理后，得到了双三相同步电机的等效电路图。范子超等人在此基础上运用戴维南定理，提出了与普通同步电机完全等效的单绕组模型，并用理论分析和电压谐波分别证明和验证了等效模型的正确性。最后，仿真结果再次验证了等效模型，并从起动过程、转矩脉动、定转子电流等方面与普通同步电机做了对比。
2009年赵兴涛以六相双Y 移30°绕组永磁同步电动机为研究对象，详细分析了其数学模型和工作原理，提出了一种新的控制方法，并最终开发出一套高性能、高可靠性的双三相永磁同步电机驱动系统。该系统的实现在多相电机驱动系统研究领域具有一定的理论和实践意义[8]。
2010年1月孟超研究了双Y移30°永磁同步电动机电压空间矢量脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术的2种矢量选择方式，提出一种新颖的空间矢量过调制技术[9]。过调制区域根据调制度分为4种模式。在过调制方式Ⅰ和Ⅱ中，对z1-z2电压平面上的电压矢量采用不同的优化策略。依据电压输出矢量自身的特性，提出了一种易于DSP实现的寻找次优解的方法。为进一步提高直流母线电压利用率，过调制方式Ⅲ和Ⅳ采用两电压矢量调制，不再对z1-z电压平面上的电压矢量进行优化。他通过仿真计算，对输出电压的波形和谐波成分进行分析。构造基于低功耗定点数字信号处理器TMS320F2812的7.5kW双Y移30永磁同步电动机控制系统。实验结果证实了提出方法的正确性和可行性。
2010年6月杨金波针对相移30°Y型连接双三相永磁同步电机，分别采用双d-q变换和矢量空间解耦的方法建立了电机的数学模型[10]。前者从两套三相子系统的角度给出了电磁转矩的表达式以及两套绕组之间存在的耦合关系，后者则揭示了不同的电流谐波分量对机电能量转换所产生的不同的作用。
根据两种不同的模型搭建了两套双三相永磁同步电机矢量控制系统，通过对两种控制策略的比较分析，指出了两者之间的内在联系和在控制效果上的等价性。开环的仿真实验对两种建模方法的一致性进行了验证，而闭环的仿真和实验结果则表明两种矢量控制方案在相同的控制参数下具有一样的控制性能。
2012年刘陵顺，张海洋，苗正戈[1]研究了SVPWM 控制2台双Y 移30°PMSM 串联系统。一定数量的多相电机通过适当的相序转换规则串联起来，使得该系统可以由1台逆变器供电而实现对所有串联电机的独立控制。以1台逆变器驱动2台双Y 移30°PMSM 的串联为例，给出了串联系统的工作原理，为实现两电机的解耦运行，提出了一种新颖的SVPWM 控制串联系统的方法。分析了SVPWM 基本原理的具体实现方法。在Matlab/Simulink 环境下，结合i d =0的矢量控制策略，对电机的变载，变速运行进行了分析，验证了所提出的SVPWM 控制策略的可行性。
2014年Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi 等人研究了双三相永磁同步电机的解耦矢量控制[2]。双三相电机与传统的三相电机相比有许多优点。然而，对于这类电机，目前的挑战是，使用电流控制很难产生足够的驱动能力。本文提出了一种改进的双三相永磁同步电机的矢量控制方案。本研究包括关键控制部分的详细解决方案，如：坐标变换，电流控制回路的解耦和调制。利用有限元分析和试验结果评价了所提出的控制方案的性能。结果表明，该方案可以产生期望的动态电流控制和保证平衡电流绕组之间的共享。此外，所提出的解决方案能够减少由电机的内部结构产生的电流谐波。然而，这个问题只是部分地解决了，因为彻底消除谐波是不可实现的。但是，所提出的控制方案克服了许多其他控制解决方案中发现的缺点。改善控制性使得双三相驱动的全部优点被有效利用，即使在苛刻的应用条件下。
3. 主要研究内容
3.1 双三相永磁同步电机静止坐标系下数学模型
在三相电机数学模型的基础上，分析双三相永磁同步电动机的绕组结构，双三相永磁同步电机的定子由两套Y 型连接的三相对称绕组组成，两套绕组在空间上相距30°电角度（一般两套绕组的中性点N1，N2是相互独立的）。
由此可建立双三相永磁同步电动机在自然坐标系下的数学模型[8]
。静止坐标系下的数学模型如下：
电压方程：
d
=+
dt
s s s s U R I ψ (3-1) 其中s U 为定子各相电压（V ）；s I 为定子各相电流（A ）；s ψ为定子各相
磁链（Wb ）；*
s R =s 66
R I ,其中s R 为定子每相电阻值（Ω）
磁链方程：
s f ψ=+ψs s L I F(θ) (3-2)
其中f ψ为转子永磁磁链（Wb ）；s L 为定子电感矩阵，包括绕组自感和各绕组间的互感（H ）；θF()——各相磁链作用系数，θ为定子A 相绕组与转子轴线的夹角（rad ）；
cos θcos(θ-α)cos(θ-4α)=cos(θ-5α)cos(θ-8α)cos(θ-9α)??
????????????????
F(θ) (3-3)
1
cos cos 4cos5cos8cos9cos 1cos3cos 4cos 7cos8cos 4cos31cos cos 4cos5cos5cos 4cos 1cos3cos 4cos8cos 7cos 4cos31cos cos9cos8cos5cos 4cos 1m L αααααααααααααααααααααααααα
α
α
α
α
?????
???
=+?
?????
?
???
s ls 6*6
L L I (3-4) 其中ls L 为定子各相漏感（H ）；m L 为任意两相绕组间的互感最大值（H ）。 电磁转矩方程：
1[]2T co e n f W T p θψθθθ
???=
=+???ss s s s L F()
I I I (3-5) 其中n p 为电机的极对数。
运动方程：
-r
e l r d T T J
B dt
ωω=+ (3-6) 其中l T 为负载转矩（N m ?）；J 为转动惯量（2kg m ?）；B 为粘滞系数；r
ω为电机的机械角速度（rad/s ）。
3.2 双三相永磁同步电机解耦旋转坐标系下数学模型
主要分析双三相永磁同步电机在六相静止坐标系下的数学模型，应用矢量空间解耦理论，推导出矢量空间解耦矩阵，由于双三相永磁同步电机的矢量控制都是在旋转坐标系进行的，所以需要将电机变量从六相静止坐标系变换到解耦后的旋转坐标系，推导出双三相永磁同步电机在解耦旋转坐标系下的数学模型[11]，并指出对电机的控制等同于对d-q 平面分量的控制，由此可将三相电机的控制策略经扩展应用到双三相电机上。解耦旋转坐标系下的数学模型如下：
电压方程：
11122200d d d q q q q d s e z z z z z z u i u i R p u i u i ψψψψωψ
ψ??????-??
????????????????=++????????????????
??????????????
??
(3-7)
磁链方程：
1112220000000000000
0z d d d q q q f
z z z z z i L
L i L i L i ψψψ
ψψ????
????????????
????=+?????????????????????????
???
????
?? (3-8) 其中d L 为等效直轴电感（H ），3d q m l
s L L L L ==+；1z L 为等效的
1z 轴电感（H ）
，12z z ls L L L ==。 电磁转矩方程为：
())e n f q d q q d T p i L L i i =+- (3-9)
运动方程：
-r
e l r d T T J
B dt
ωω=+ (3-10) 推导变换矩阵的方法：
(1) 通过双三相永磁同步电机的不同次数的谐波矢量形式定义一个谐波向量，找到一组彼此正交的六维矢量组成新的标准正交基，通过这组标准正交基可以将这个六维系统内的任意矢量和子空间线性表出[10]。根据这组标准正交基可以得到双三相永磁同步电机从自然静止坐标系转换到αβ轴系下的
变换公式。再根据双三相永磁同步电机从αβ轴系下变换到dq 轴系下的变换公式得到双三相永磁同步电机的数学模型由静止坐标系变换到dq 轴系下的变换矩阵。
(2) 相移30°的双三相电机绕组并不完全对称，不能直接采用多相Clarke 变换理论[11]。但是由于其本质上是一个对称十二相电机，可以先按照十二相电机来选取变换矩阵，由多相Clarke 变换理论得到的十二相静止变换矩阵，然后再利用各相电流和电压之间的约束关系来进行简化，得到从自然静止坐标系转换到αβ轴系下的变换公式，进而得到双三相电机的变换矩阵，再根据双三相永磁同步电机从αβ轴系下变换到dq 轴系下的变换公式得到双三相永磁同步电机的数学模型由静止坐标系变换到dq 轴系下的变换矩阵。
最后，根据双三相永磁同步电机的坐标变换矩阵可以得到双三相永磁同步电机双电机串联系统的坐标变换矩阵如下。
静止坐标系转换到αβ轴下的变换公式：
6/225431cos cos cos
cos cos
6363225430sin sin
sin
sin
sin
6363254231cos cos
cos cos
cos 636
3254230sin
sin
sin sin
sin 636
321010100
10
1
1s s
ππ
πππππππππππ
πππππ
ππ?
????
??????
??=
?????
???
?
???T (3-11)
αβ轴系下变换到dq 轴系下的变换公式：
1111222/22
2
cos sin 0000sin cos 000000cos sin 000
0sin cos 000000100
00
01s r
θθθθ
θθθθ??
??-????
=?
?-????
?
???
T (3-12) 静止坐标系变换到dq 轴系下的变换矩阵：
254
cos cos()cos()cos()cos()cos()
111111
63632
254
sin sin()sin()sin()sin()sin()
111111
63632
1254
cos cos()cos()cos()cos()cos() 6/2222222
63632
sin sin(
2
s r
πππππ
θθθθθθ
πππππ
θθθθθθ
πππππ
θθθθθθ
θθ
-----
-----------
-----
--
T
254
)sin()sin()sin()sin()
22222
63632
101010
010101
πππππ
θθθθ
---------
??
??
??
??
??
?
?
??
??
??
??
(3-12)
3.3 双三相永磁同步电机双电机串联系统
定子绕组对称分布的多相电机通过一定的相序转换规则可以实现单逆变器驱动多电机串联系统，其原因在于冗余自由度的存在，非对称的多相电机同样具有冗余自由度，也能实现此类控制方案。主要分析单逆变器驱动双三相永磁同步电机双电机串联系统的运行原理，基于磁动势分析法，研究双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规则。
对六相静止坐标系下的电机模型通过变换矩阵进行解耦变换得到的矢量空间解耦数学模型与对称多相电机经过广义Clark变换得到的数学模型具有相似的性质：变换后得到的三对电流变量中，只有αβ
-电流分量参与机电能
量转换，
12
-
z z电流分量（相当于对称电机中的-
x y电流分量）和
12
o o
-电流分量只作为零序分量存在，因此，对定子绕组正弦分布的双三相永磁同步电机，也能实现单逆变器驱动多电机串联系统。
由于只有一组
12
-
z z电流分量，所以非对称六相电机串联系统中只有两台电机。可以根据六相自然静止坐标系转换到αβ轴系下的变换矩阵的列来确定两台电机的连接的方式。得到双三相永磁同步电机双电机串联系统的结构：
电机1电机2
逆变器
图1 单逆变器驱动双三相PMSM 双电机串联系统
3.4 双三相永磁同步电机双电机串联系统矢量控制技术
六相全桥逆变器共有2６=64个空间电压矢量，其中62个非零电压矢量，２个零电压矢量。另外62个非零电压矢量中有２个矢量21(0 1 0 1 0 1)和42(1 0 1 0 1 0)为无效矢量，即ａｂｃ或ｘｙｚ绕组所在桥
首先对64个空间电压矢量进行计算，通过计算结果绘出空间电压矢量分布图，如图1图2所示；然后是基本电压矢量的选取与计算；最后对工作平面采用一定的方法进行选取。
νν11
51
图1 αβ-平面空间电压矢量分布图
61
3ννx
图2 12z z -平面空间电压矢量分布图
选取基本电压矢量的方法：
(1) 最大两矢量[11]
如果只考虑与机电能量转换相关的αβ
-平面内的电压矢量的合成，选取αβ
-平面最外层的12个电压矢量作为基本电压矢量来合成参考电压。
(2) 最大四矢量[10，11]
如果同时控制两个子空间中的电压矢量，仅选取两个基本矢量是不够的，至少应该选用四个基本矢量才能够完成对一个四维参考矢量的合成。通常选取αβ
-平面幅值最大且相邻的四个电压矢量作为基本电压矢量来合成电压参考矢量。
(3) 两个最大矢量和两个次大矢量[10]
最大四矢量控制算法直流母线利用率较高，但电流谐波含量较大，如果选取αβ
-平面两个幅值最大的电压矢量和同一方向上两个幅值次大的电压
矢量作为基本电压矢量来合成电压参考矢量，能够有效降低谐波含量，但它是以牺牲直流母线利用率为代价的。
工作平面的选取：
参考电压矢量的选取必须能够提高直流母线电压的利用率，这里通过一个周期内判断ｄ-ｑ参考矢量和参考矢量的大小来决定开关矢量的选择，即如果ｄ-ｑ平面的参考矢量大于ｘ-ｙ平面的参考矢量，则开关矢量由ｄ-ｑ平面的基本电压矢量决定，反之，如果ｘ-ｙ平面的参考矢量大于ｄ-ｑ平面的参考矢量，则开关矢量由ｘ-ｙ平面的基本电压矢量决定。参考电压矢量的选择流程。
3.5 双三相永磁同步电机双电机串联系统仿真
i=的矢量控制策略，搭建双三相利用MATLAB仿真工具，采用基于0
d
永磁同步电机双电机串联系统仿真模型，根据三相电机的工程设计方法设计其控制参数，通过仿真结果验证控制方法的正确性和空间矢量控制方法下两台双三相永磁同步电动机的独立运行。双三相电机双电机串联系统框图如下：
图1 双三相电机双电机串联系统框图
4. 研究方案及进度安排，预期达到的目标
研究方案：
根据基本的电路和电磁感应原理，推导出双三相永磁同步电机的数学模型；采用矢量空间解耦的建模方法，建立双三相永磁同步电机的矢量空间解耦数学模型；根据研究多相电机相序转换规则的方法研究双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规则，建立基于磁动势分析法的相序转换规则；采用SVPWM算法对双三相永磁同步电机双电机串联系统进行控制，使用Simulink仿真验证双三相永磁同步电机双电机的独立运行。
进度安排：
2013.12.16-2014.02.28: 查找阅读参考文献并筛选一篇英文参考文献翻译，推导双三相永磁同步电机的数学模型，研究串联系统相序转换规则和矢量控制技术；
2014.03.01-2014.03.31: 撰写开题报告，制作PPT；
2014.04.01-2014.05.10: 搭建仿真模型进行仿真实验，撰写中期报告；
2014.05.11-2014.06.22: 完善前期设计并撰写毕业论文；修改毕业论文，准备毕业答辩；
2014.06.25-2014.06.27: 提交论文等材料。
预期实现的目标：
推导出双三相永磁同步电机的数学模型和矢量空间解耦数学模型，研究明白双三相永磁同步电机双电机串联系统的相序转换规和矢量控制技术，仿真验证双三相永磁同步电机双点击串联系统的独立运行。
5．为完成课题已具备和所需的条件和经费
已具备和所需的条件：电脑和MATLAB软件。
已具备和所需的经费：无。
6. 研究中可能遇到的问题和解决的措施
研究中可能遇到的问题：双三相永磁同步电机的矢量控制需要64个电压矢量，计算和仿真时都十分繁琐，容易出现问题；PI调节器的参数不易确定。
解决的措施：仔细计算64个电压矢量，尽量采用编程的方法降低繁琐程度，仿真时要认真，寻求更简单但不失准确的简洁方法；调节PI参数时注意调节规律并灵活使用。
7. 主要参考文献：
[1]刘陵顺, 张海洋, 苗正戈. SVPWM控制2台双Y移30°PMSM串联系统的
研究[J]. 电气传动, 2012, 42(8): 39-42.
[2] Jussi Karttunen, Samuli Kallio, Pasi Peltoniemi. Decoupled Vector Control Scheme for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Machines. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2014, 61(5): 2185-2196
[3] E. Levi, R. Bojoi, F. Profumo, H. A. Toliyat, and S. Williamson, Multiphase induction motor drives—A technology status review, IET Elect. Power Appl., vol. 4, no. 1, pp. 489–516, Jul. 2007.
[4] 杨金波, 杨贵杰, 李铁才. 双三相永磁同步电机的建模与矢量控制[J]. 电机与控制学报, 2010, 14(6): 1-7.
[5] Zhao Yifan，Lipo T A. Space vector PWM control of dual-three phase induction machine using vector space decomposition [J]. IEEE Transactions on Industry Applications,1995,31(5)：1100-1109.
[6] Wu Xiaojie, Jiang Jianguo, Dai Peng, Zuo Dongsheng. Full Digital Control and Application of High Power Synchronous Motor Drive with Dual Stator Winding Fed by Cycloconverter. The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems. 2003, (2):1194 - 1199
[7] M.R.Aghaebrahimi, R.W.Menzies. A Transient Model for the Dual Wound Synchronous Machine. IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. 1997, 2: 862 – 865.
[8] 赵兴涛. 双三相永磁同步电动机驱动控制系统的研究[D]. 哈尔滨工业大学硕士学位论文, 2009: 20-27.
[9]孟超, 欧阳红林, 刘伟候, 王铭. 双Y移30°永磁同步电机的空间矢量调制[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(3): 90-98.
[10]孟超. 双三相永磁同步电机驱动系统的研究[D]. 湖南大学博士学位论文, 2011: 23-25.
[11] 杨金波. 双三相永磁同步电机驱动技术研究[D]. 哈尔滨工业大学博士学位论文, 2011: 20-27.
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SVPWM
三相永磁同步电机实验
实验三三相永磁同步电机实验 一、实验目的 1、掌握三相永磁同步电机结构特点 2、掌握三相永磁同步电机工作原理 3、掌握三相永磁同步电机运行特性 二、预习要点 1、三相永磁同步电机的工作原理 2、三相永磁同步电机的运行特性 三、实验项目 1、测量定子绕组的冷态电阻。 2、速度—频率n=f（f）测试 3、压频—转矩特性的测定 4、测取三相永磁同步电机在工频下的工作特性。 四、实验方法 1 2、屏上挂件排列顺序 HK91 3、测量定子绕组的冷态直流电阻。 将电机在室内放置一段时间，用温度计测量电机绕组端部或铁心的温度。当所测温度与冷却介质温度之差不超过2K时，即为实际冷态。记录此时的温度和测量定子绕组的直流电阻，此阻值即为冷态直流电阻。
(1) 伏安法 测量线路图为图3-1。直流电源用主控屏上电枢电源先调到50V。开关S选用D51挂件上的双刀双掷开关，R用1800Ω可调电阻。 图3-1 三相交流绕组电阻测定 量程的选择：测量时通过的测量电流应小于额定电流的20%，约为50毫安，因而直流电流表的量程用200mA档，直流电压表量程用20V档。 按图3-1接线。把R调至最大位置，合上开关S，调节直流电源及R阻值使试验电流不超过电机额定电流的20%，以防因试验电流过大而引起绕组的温度上升，读取电流值，再读取电压值。 调节R使A表分别为50mA，40mA，30mA测取三次，取其平均值，测量定子三相绕组的电阻值，记录于表3-1中。 4、速度—频率n=f（f）测试 (1) 按图3-2接线。电机绕组为Y接法，直接与涡流测功机同轴联接。
图3-2 速度—频率n=f（f）测试接线图 (2) 按下控制屏上的“启动”按钮，把交流调压器调至电压380V，首先按下变频器上的PU/EXT按钮，调节左侧旋钮使频率显示为零，然后按下RUN使电机运转起来，然后调节变频器左侧旋钮既可调节频率从而改变转速。观察电机旋转方向，每10H Z记录电机转速，（涡流测功机不加载）将得到的数据记录表3-2中。 5、压频—转矩特性的测定 (1) 测量接线图同图3-2,调节变频频率为10 Hz，调节涡流测功机加载，达到额定转矩 T N= 1.15N.m并保持不变。然后调节变频器旋钮，测取不同频率对应的电压值将数据记录于表3-3中。 比较带负载与不带负载时的压频特性曲线。 6、测取三相永磁同步电机在工频下的工作特性 （1）测量接线图同图3-3，同轴联接测功电机。
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
永磁同步电机矢量控制 1 引言 永磁同步电机(PMSM)体积小，重量轻，转子无发热问题，具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，因此在高控制精度与高可靠性等方面显示出优越的性能，永磁同步电动机调速系统正在成为近代交流调速领域中研究的一个热门课题。 2 基本原理 (1) PMSM 的数学模型 dq0 坐标系中，永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为 d s d d q q s q q d u R i p u R i p ψωψψωψ=+-=++ 式中u d ，u q 为定子电压的直、交轴分量；R s 为定子绕组电阻；p 为微分算子；ω为电动机转子角频率。 定子磁链方程为 d d d f q q q L i l i ψψψ=+= 式中ψd ，ψq 为转子坐标系下直、交轴磁链；L d ，L q 为PMSM 的直轴、交轴电感；i d ，i q 为定子电流的直、交轴分量；ψf 为转子磁钢在定子上的耦合磁链。 永磁同步电机的转矩方程为 ()()33 22 e m d q q q m f q d q d q T p i i p i L L i i ψψψ??= -=+-?? 式中p m 为永磁同步电机的极对数。 (2) PMSM 的转子磁场定向控制策略 PMSM 的电磁转矩基本上取决于定子交轴分量和直轴电流分量，在矢量控制下，采用按转子磁链定向(i d =0)控制策略，使定子电流矢量位于q 轴，而无d 轴分量，既定子电流全部用来产生转矩，此时，PMSM 的电压方程可写为： d q q s q q d u u R i p ωψψωψ==++ 电磁转矩方程为： 3 2 e m f q T p i ψ= 此种控制方式最为简单，只要准确地检测出转子空间位置(d 轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q 轴上，那么，PMSM 的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩，此时PMSM 的控制就类似于直流电机的控制。图1给出PMSM 调速控制系统原理框图。
双三相永磁同步电机双电机矢量控制剖析
双三相永磁同步电机矢量控制技术 开题报告 1. 课题来源及研究目的和意义 多电机驱动系统作为运动控制研究领域的重要内容之一，广泛应用于地铁，机车牵引，挤压机组，机器人等应用场合。而要推出性能优良的机车牵引，机器人等工业驱动以及综合电力舰船系统就需要解决同一直流母线电源和同一逆变器供电的多台电机独立运行问题[1]。 在过去的二十多年，越来越多的研究人员关注研究多相电机，因为多相电机相对于传统的三相电机存在诸多的显著优点，包括：减少转矩脉动，降低直流母线电流谐波含量，潜在的高效率，降低各相功率，由于较高的容错能力大大提高可靠性[2]。最常见的一种多相电机是双三相电机[3]，而双三相永磁同步电机是目前研究较为广泛的一种多相电机，与传统的三相电机相比，双三相电机将基波电流产生的最低次谐波磁势提高到了11次，消除了对电机性能影响最大的5次、7次谐波磁势，大大减少了电机的转矩脉动，提升了电机性能[4]。所以我以双三相永磁同步电机为例来研究多相电机的多电机串联控制。 多相电机驱动控制策略中，最具影响力和代表性的是基于空间矢量解耦的矢量控制。矢量控制方式的实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。简单的说，空间矢量控制就是通过坐标变换将交流电机模型等效为直流电机，实现磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。所以对双三相永磁同步电机空间矢量控制技术的研究具有一定的研究意义。 2. 国内外双三相电机矢量控制技术的历史和现状 1995年Yifan Zhao和T.A.Lipo等人从向量空间解耦的角度构造了相移30°双三相感应电机的变换矩阵[5]。该方法通过适当的坐标变化，将自然坐标系下六维空间中的变量映像到新基下的六维空间，新的一组基形成三个相互正交的二维子空间，从而可以在每个子空间中分别进行控制，而且每一个子
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。
永磁同步电机基础知识
(一) PMSM 的数学模型 交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。永磁同步电机的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上。在永磁同步电机运行过程中，定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组，绕组与绕组之间相互影响，电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，要建立永磁同步电机精确的数学模型是很困难的。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们通常做如下假设： 1) 忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的； 2) 不考虑涡流和磁滞损耗； 3) 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波； 4) 驱动开关管和续流二极管为理想元件； 5) 忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响。 永磁同步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和机械运动方程组成，在两相旋转坐标系下的数学模型如下： (l)电机在两相旋转坐标系中的电压方程如下式所示: d d s d d c q q q s q q c d di u R i L dt di u R i L dt ωψωψ?=+-????=++?? 其中，Rs 为定子电阻；ud 、uq 分别为d 、q 轴上的两相电压；id 、iq 分别为d 、q 轴上对应的两相电流；Ld 、Lq 分别为直轴电感和交轴电感；ωc 为电角速度；ψd 、ψq 分别为直轴磁链和交轴磁链。 若要获得三相静止坐标系下的电压方程，则需做两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换，如下式所示。 cos sin 22cos()sin()3322cos()sin()33a d b q c u u u u u θθθπθπθπθπ?? ?-????? ??=--- ? ???? ???? ?+-+? ? (2)d/q 轴磁链方程： d d d f q q q L i L i ψψψ=+???=?? 其中，ψf 为永磁体产生的磁链，为常数，0f r e ωψ=，而c r p ωω=是机械角速度，p 为同步电机的极对数，ωc 为电角速度，e0为空载反电动势，其值为每项 倍。
永磁同步电机的原理和结构
第一章永磁同步电机的原理及结构 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。 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。
永磁同步伺服电机(PMSM)驱动器原理
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理 来源：开关柜无线测温 https://www.360docs.net/doc/3517027020.html, 摘要：永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现 做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆 变部分的脉宽调制（PWM）技术的实现、控制单元相应 的算法等三个部分。 关键词： DSP 整流逆变 PWM 矢量控制 1 引言 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁
同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 图1 交流永磁同步伺服驱动器结构 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，
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]。
双三相永磁同步电机无位置传感器控制研究
双三相永磁同步电机无位置传感器控制研究随着现代控制理论和电力电子技术的进步,交流传动系统的大功率化已然成为发展趋势。而多相电机由于其高功率密度、高可靠性的特点,能很好地满足大功率高可靠性交流传动系统的要求。本文借鉴了传统三相电机的一些研究方法,选择了与传统三相电机较为相近的双三相电机进行研究。首先介绍了双三相永磁同步电机(PMSM)的应用场合、数学建模和控制策略。考虑到双三相永磁同步电机广泛应用于工况复杂的航空航天、电动汽车、机车动车和船舶舰艇等领域,电机驱动系统的可靠性十分重要,因此文章分析了电机驱动系统中常见的故障类型以及故障应对措施,并对故障发生率高且故障影响较大的传感器故障展开了详细的研究。通过对电压/电流传感器和位置传感器的故障数据比较,说明了无位置传感器控制作为一种“应急备用”的重要性。其次讨论了双三相PMSM的数学建模。为了控制算法的实现,需要对双三相PMSM进行旋转坐标变换,因此本文分析了基于矢量空间解耦的电机数学模型和基于双d-q坐标变换的电机数学模型,并分析了两种数学模型对应的PWM控制策略以及矢量控制的差异。然后基于双三相PMSM数学模型,研究了双三相PMSM的无位置传感器控制,在低速段采取高频信号注入方法,在高速段采取基于优化的滑模控制策略,并通过观测转速的方法,将两种方法有效结合,实现双三相PMSM 在全速范围内的无位置传感器控制,在位置传感器发生故障时能维持基本的安全运行,避免极端工况下因机械传感器引起的可靠性降低问题。最后介绍了双三相PMSM驱动控制实验平台的构造、软件设计和
通信故障检测,设计了双三相PMSM基于双d-q坐标变换控制算法的DSP实现方案,并对实验平台数据通讯部分进行了实验验证。
永磁同步电机综合保护器工作原理
永磁同步电机工作原理 同步发电机为了实现能量的转换，需要有一个直流磁场而产生这个磁场的直流电流，称为发电机的励磁电流。根据励磁电流的供给方式，凡是从其它电源获得励磁电流的发电机，称为他励发电机，从发电机本身获得励磁电源的，则称为自励发电机。 一、发电机获得励磁电流的几种方式 1、直流发电机供电的励磁方式：这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。 2、交流励磁机供电的励磁方式，现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。 3、无励磁机的励磁方式： 在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除没有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。 二、发电机与励磁电流的有关特性 1、电压的调节 自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端
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。
永磁同步电机的工作原理
永磁同步电机的工作原理 永磁同步电机的工作原理与同步电机的工作原理是相同的。永磁同步电机在现在应用及其广泛。和感应电机一样是一种常用的交流电机。特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又不变得关系n=ns=60f/p，ns成为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。 同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频异步电动机又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式〔鼠笼式异步电机〕绕线式异步电动机。 永磁同步电机的工作原理如下： 永磁同步电机主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 永磁同步电机的载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 永磁同步电机的切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 永磁同步电机交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。 永磁同步电机的交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。 下一篇：限压式变量叶片泵的特性曲线
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。
永磁同步电机原理
永磁同步电机原理、特点、应用详解 电机对于工农业来说至关重要，本文将会对电机的定义、分类、电机驱动的分类进行简介，并详细介绍永磁同步电机的原理、特点以及应用。 电机的定义 所谓电机，顾名思义，就是将电能与机械能相互转换的一种电力元器件。当电能被转换成机械能时，电机表现出电动机的工作特性；当电能被转换成机械能时，电机表现出发电机的工作特性。电机主要由转子，定子绕组，转速传感器以及外壳，冷却等零部件组成。 电机的分类 按结构和工作原理划分：直流电动机、异步电动机、同步电动机。 按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。 交流电机还可分：单相电机和三相电机。 直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。 有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。 电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。 永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钻永磁直流电动机。 按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。 同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。 异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。 感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。 交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机
永磁同步电机 所谓永磁，指的是在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能得到进一步的提升。而所谓同步，则指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。因此，通过控制电机的定子绕组输入电流频率，电动汽车的车速将最终被控制。而如何调节电流频率，则是电控部分所要解决的问题。 永磁同步电动机的特点 永磁电动机具有较高的功率/质量比，体积更小，质量更轻，比其他类型电动机的输出转矩更大，电动机的极限转速和制动性能也比较优异，因此永磁同步电动机已成为现今电动汽车应用最多的电动机。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降，或发生退磁现象，有可能降低永磁电动机的性能。另外，稀土式永磁同步电动机要用到稀土材料，制造成本不太稳定 永磁同步电机与异步电机 除了永磁同步电机，异步电机也因特斯拉的使用而被广泛关注。与同步电机相比起来，电机转子的转速总是小于旋转磁场（由定子绕组电流产生）的转速。因此，转子看起来与定子绕组的电流频率总是“不一致”，这也是其为什么叫异步电机的原因。 相比于永磁同步电机，异步电机的优点是成本低，工艺简单；当然其缺点就是其功率密度与转矩密度要低于永磁同步电机。而特斯拉Models为何选用异步电机而不是永磁同步电机，除了控制成本这个主要原因之外，较大的Models车体能够有足够空间放的下相对大一点的异步电机，也是一个很重要的因素。 永磁同步电动机怎样产生动力？ 在交流异步电动机中，转子磁场的形成要分两步走：第一步是定子旋转磁场先在转子绕组中感应出电流；第二步是感应电流再产生转子磁场。在楞次定律的作用下，转子跟随定子旋转磁场转动，但又“永远追不上”，因此才称其为异步电动机。如果转子绕组中的电流不是由定子旋转磁场感应的，而是自己产生的，则转子磁场与定子旋转磁场无关，而且其磁极方向是固定的，那么根据同性相斥、异性相吸的原理，定子的旋转磁场就会拉动转子旋转，并且使转子磁场及转子与定子旋转磁场“同步”旋转。这就是同步电动机的工作原理。 根据转子自生磁场产生方式的不同，又可以将同步电动机分为两种： 一是将转子绕组通上外接直流电（励磁电流），然后由励磁电流产生转子磁场，进而使转子与 定子磁场同步旋转。这种由励磁电流产生转子磁场的同步电动机称为励磁同步电动机。 二是干脆在转子上嵌上永久磁体，直接产生磁场，省去了励磁电流或感应电流的环节。这种由永久磁体产生转子磁场的同步电动机，就称为永磁同步电动机。