永磁同步直线电机的数学建模
永磁同步电动机(PMSM)三相坐标系的数学模型
永磁同步电动机(PMSM)三相坐标系的数学模型2 PMSM 三相坐标系的数学模型为方便分析起见，将三相永磁的同步电动机看作是理想的电机，也就是说它符合下列假设：(1) 转子上面没有阻尼绕组；定子中各个绕组的电枢电阻、电感值相等，三相定子的绕组按对称的星形分布；(2) 其气隙磁场服从正弦分布而且各次谐波忽略不计，感应电动势也服从正弦分布；(3) 永磁体的等效的励磁电流恒定不改变；电机中的涡流、趋肤效应、电机铁芯饱和和磁滞损耗的影响均忽略不计；温度与频率不影响电机的参数。
坐标系正方向的选取： (1) 转子逆时针方向旋转为正； (2) 正向电流生出正向磁链；(3) 电压，电流的正方向按照电动机的惯例。
则静止三相坐标系里PMSM 的定子侧电压方程3333s s s s u R i p ψ=⋅+ (4-1)静止三相坐标系里PMSM 的定子侧磁链方程3333()s s s f s L i F ψψθ=⋅+⋅ (4-2) 式中，3A s B C i i i i ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，3000000s R R R R ⎛⎫ ⎪=⎪ ⎪⎝⎭，3A s B C ψψψψ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦ 3A s B C u u u u ⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦，3sin ()sin(120)sin(120)s F θθθθ⎡⎤⎢⎥=-︒⎢⎥⎢⎥+︒⎣⎦3331cos120cos 240100cos1201cos120010cos 240cos1201001s m l L L L ︒︒⎛⎫⎛⎫⎪ ⎪=︒︒+ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪︒︒⎝⎭⎝⎭电机统一理论和机电能量转换告诉我们，电机的电磁力矩[37]*I m ()s s e p T n i ψ=- (4-3) 式中，*代表取共轭复数，Im 代表取虚部。
3 PMSMdq 坐标系的数学模型三相交流电机是一个耦合强、非线性、阶次高的多变量系统，它在三相静止的坐标系里的数学模型相当复杂，应用传统的控制策略对其实现交流调速有很大的困难，所以对于一般的三相交流电机常常应用矢量控制的方法，采用坐标变换，把三相交流的绕组等效变换成两相互相垂直的交流绕组或者旋转的两相直流的绕组，等效变换以后其产生的磁动势相等，系统的变量之间得到了部分的解耦，它的数学模型得到了大大简化，使得对于系统的分析和控制也简化了很多，使得它的数学模型与比较简单的直流电机类似[52]。
永磁同步直线伺服电机机电动力学模型的建立与仿真
２ 永磁 同步直线伺服 电机 的机 电动力 学模型 ：
在建立永磁 同步伺服直线电机数学模型之前 ， 做如下假设 ：
ａ ． 忽略铁 心饱 和 ； ｂ ． 不 计涡 流 和磁 滞 损耗 ；
Ｃ ． 动子上没有阻尼绕组 ， 永磁体也没有阻尼作用； ｄ ．电动 势是 正
基金项 目： 内蒙古工业大学科学研究项 目（ Ｚ Ｓ ２ ０ １ ｌ ｌ ５ ）
作者简介 ： 闫军（ １ ９ ７ ４～） ， 男， 研究方 向： 机 电动力学 。
１ ｌ ２
内蒙古工 业大学学报
２ ０ １ ３年
不 变 。直线 电机 可 以是 短初 级长 次级 ， 也 可 以是 长初 级短 次级 。
ｆ
丢 （ 老 ） 一 ＋ 差 ＋ 差＝ 吲１ ‘ ， ２ ， － － － ， ｍ ）
ｄ（ Ｏ Ｌ）
一
＋
ｌ ＇ ２ ， …
拉格 朗 日函数 和耗 散 函数为 ：
ｒ
Ｌ＝ｒ （ ｑ ｊ ， ） 一Ｖ （ ｑ ｊ ） ＋ （ ， ｅ ）一 （ ， ｅ ）
闫 军 ， 周 志 霞 ， 武建新‘
（１ ．内蒙古工业 大学 机械学院 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ５ １ ； ２ ．内蒙古工业大学 电力学 院 ， 呼和浩特 ０ １ ０ ０ ５ １）
摘要： 永磁 同步 直线 伺服电机的机 电动力学系统是一个 多变量 、 非线性 、 强
耦 合的系统 。它 的理论研究 与实际应 用有一定 的难 度。应用 能量 的方 法 来解 决此类 问题 ， 能达到较好的效果 。应用拉格朗 １ ３一 麦克斯 韦方程建立 系统 的机电动力学模型 ， 通 过 ｃ变换将 三相 参考 系 的拉 格 朗 日 一麦克 斯
原理 结构 图如 图 １ 所示。
永磁同步直线电机数学模型
永磁同步直线电机数学模型永磁同步直线电机是一种应用于直线运动控制系统的新型电机。
它具有高效率、高精度、高刚度和快速响应的特点，广泛应用于工业自动化、高速列车、机床、印刷、数控机床、半导体设备等领域。
永磁同步直线电机的数学模型是描述其运动规律的数学表达式。
通过建立数学模型，可以分析和预测电机的性能，并设计出最优的控制策略。
永磁同步直线电机的数学模型主要包括动态模型和静态模型两部分。
动态模型描述了电机的运动状态和响应特性。
它基于牛顿第二定律和电机动态方程建立，考虑了电机的负载惯性、摩擦力和电磁力等因素。
动态模型可以用于分析电机的加速度、速度和位置等动态性能。
静态模型描述了电机的静态特性。
它基于电机的静态平衡方程建立，考虑了电机的电磁力、重力和摩擦力等因素。
静态模型可以用于分析电机的静态力学性能，如电机的负载能力和刚度等。
在建立永磁同步直线电机的数学模型时，需要考虑电机的结构参数、电磁参数和控制参数等因素。
结构参数包括电机的长度、宽度和高度等几何尺寸，电磁参数包括电机的磁极数、电流和磁链等参数，控制参数包括电机的控制电流和控制电压等参数。
根据实际应用需求，可以对模型进行简化或者增加更多的参数，以提高模型的准确性和适用性。
通过数学模型，可以对永磁同步直线电机的性能进行分析和优化。
例如，可以通过模型预测电机的响应时间、稳态误差和精度等指标，在设计过程中选择合适的结构参数和控制参数，以实现最佳性能。
此外，还可以通过模型分析电机的负载能力和刚度，评估电机在不同工况下的可靠性和稳定性。
永磁同步直线电机的数学模型是分析和设计电机的重要工具。
通过建立准确的数学模型，可以深入理解电机的运动规律和特性，为电机的应用和控制提供有效的指导。
同时，也可以通过模型优化电机的性能，提高电机的效率和精度，满足不同领域和应用的需求。
永磁同步电机的模型和方法ppt课件
线重合， β轴超前α 轴90度，在α 、 β 、o坐标系中的电压电流，
可以直接从A 、B、C三相坐标系中的电压电流通过简单的线性
变换可以得到。一个旋转矢量从A 、B、C三相定子坐标系变换
到α 、 β 、o坐标系成为3/2变换，有
• 经过变换后得到α 、 β 、o坐标系的电压方
围。
• 力矩平衡方程式为：
• − =
+
• 从上述分析可以看出在d 、q、0坐标系下的
数学模型简单的多，方便控制
• 根据电机的数学模型，可以将永磁同步电
机简化为如图所示的d，q轴模型。永磁同
步电机的转矩方程表示发电机的电磁转矩
可以通过控制定子电流的d，q轴分量进行
控制。
程为：
• α 、 β 、o坐标系的磁链方程为：
• 其中：Ld、Lq分别是同步电机直轴交轴电感；
为永磁极产生的与定子绕组交链的磁链
在α 、 β 、o坐标系中，经过线性变换使A 、
B、C三相坐标系中的电机数学模型方程得到一定
简化。针对内永磁同步电机，因为转子的直、交
轴的不对称而具有凸极效应，因此在α 、 β 、o
永磁同步发电机控制策略
• 永磁同步发电机常用的矢量控制策略有：
（1）isd=0 控制；
• （2）最大转矩电流比控制：
• （3）单位功率因数控制；
• （4）最小损耗控制等。
• 每种控制策略都有其优缺点，于是针对永
磁同步电机不同控制目标下的矢量控制策
略进行比较分析。
• 2.1 id=0电流控制
• id=0的控制称为磁场定向控制，这种控制
永磁同步直线电机的数学模型分析
舰 船 电 子 工 程
Ｓ ｉ ｅ ｔ ｏ ｉ Ｅ ｇ ｎ ｅ ｉｇ ｈ ｐ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ ｎ ｉ ｅ ｒｎ
Ｖｏ ． Ｏ Ｎｏ ９ １３ ．
１Ｏ ２
永 磁 同步 直 线 电机 的 数 学模 型 分 析
余凤 豪 吕 飞 张松 涛
ｃ ｎ ｒ ｌ ｄ ｍｅ ｅ ．Ｔｈ ｉ ｌ ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｄ ｌ ｓｒ ｆ ｒ ｎ ｅ ｐ ｒ ｏ ｅ ｆ ｒ ｆ ｒ ｈ ｒａ ｐ ｏ ｃ ． ｏ ｔ ｏ ｌ ｍｂ ｒ ｅ ｅ ｓｍｐ ｅ ｔｅ ｔ ｌ ｃ ｍｏ ｅ ｅ ｅ ｅ ｃ ｕ ｐ ｓ ｏ ｕ ｔ ｅ ｐ ｒ ａ ｈ ｉ Ｋｅ ｏ ｄ Ｐ Ｓ ｙＷ ｒ ｓ Ｍ ＬＭ ，ｅ ｄ ｅ ｆ ｃ ，ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｄ ｌ ｏ ｐ ｅ ｎ ｆｅ ｔ ｔｅ ｔ ｌ ｃ ｍｏ ｅ ，ｃ ｕ ｌ Ｃｌｓ ｍ ｂ ｒ ＴＭ ］ ａ ｓ Ｎｕ ｅ ５
Ａ
置 的 函数 。
ｒ
跏
电枢
；
ｑ 轴
铁轨
：
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＼ ： ／ ： 、 磁 体 永
图 １ Ｐ Ｓ 的结 构 模 型 ＭＬ Ｍ
如 图 ２ 示 ， 设 动子 在 ｚ处 时 ， 所 假 ｄ轴 与 ａ轴
合 成行波磁 场 的 角 速 度 。若 ｚ一０时 ， ｄ轴 与 ａ 轴 的初始夹 角为 （ 电气 角 ） 假 设磁 极 沿 直线 均 匀 ，
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哲
（ 军 蚌 埠 士 官 学 校机 电 系 海 摘
一
２３１） ３０ ２
要
文 章 推 导 了永 磁 同步 直 线 电 机 （ ＭＬ Ｍ） 磁 链 方 程 、 Ｐ Ｓ 的 电压 方 程 和 电磁 推 力 方 程 ， 到永 磁 同步 直 线 电 机 是 得
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 qL 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。
基于Matlab7_1_Simulink的永磁直线同步电机的建模与仿真
图 2 永磁直线同步电机直接推力控制系统结构框图
该系统控制原理为 :逆变器输出电压经测量模 块检测 ,输出三相电压 V abc和两相电流 iab ,进入磁 链 、推力计算及磁链观测模块算得磁链 、推力的真 实值 ,与给定值进行滞环比较 ,来确定开关电压矢 量的选取 ,进而确定逆变器的开关状态 。
第 4 期 贺 凯等 :基于 Matlab7. 1/ Simulink 的永磁直线同步电机的建模与仿真 45 1
和 D TFC 控制系统模型的有效性 ,验证了其控制算 法 ,为 PML SM D TFC 控制系统的设计和调试提供 了理论基础 。
2 永磁直线同步电机的数学模型
为了简化分析 ,假设 : (1) 初级绕组 Y 型连接 ; (2) 气隙磁场呈正弦分布 ; (3) 不考虑电源引起的电 压和电流谐波及磁饱和效应 ; (4) 忽略涡流和磁滞 损耗 ; (5) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影 响 ; (6) 永磁次级无阻尼绕组 。图 1 为永磁直线同 步电机的矢量图 。
通过 PML SM 本体模块 、磁链和推力计算模 块 、磁链扇区观测模块 、开关表模块 、滞环比较模 块 、逆变器模块和电压电流检测模块的有机整合 ,
图 7 永磁直线同步电机直接推力控制系统仿真模型方框图
关于系统仿真模型的几点说明 : 1) 简 化 分 析 时 , 若 忽 略 边 端 效 应 的 影 响 ,
质量 ; B 为粘滞摩擦系数 ; Fl 为负载阻力 。 式 (1) ～ (7) 即为永磁直线同步电机在 d2q 轴
坐标系下的数学模型 。
3 基于 Matlab7. 1/ Simulink 的 PML SM 直 接推力控制系统模型的建立
在 Matlab7. 1 环境下 ,参照文献[ 4 ]和[ 5 ] ,利用 Simulink 和 SimPowerSystems 中丰富的元器件库 , 建立 PML SM D TFC 系统的仿真模型 。系统结构 框图如图 2 所示 。
永磁同步电机的模型和方法课件
电流方程
电流方程描述了PMSM的定子 电流与转子位置之间的关系。
电流方程通常表示为：I = Iq×sin(θr) + Id×cos(θr)，其中 I是电流矢量，Iq是定子电流矢 量，Id是直轴电流矢量，θr是转
子位置角。
该方程反映了随着转子位置的变 化，定子电流矢量的变化情况。
磁链方程
磁链方程通常表示为：Ψ = L0×I + L1×(θr)，其中Ψ 是磁通链数，L0和L1是与电机结构有关的常数，θr 是转子位置角。
06 参考文献
参考文献
01
总结词
详细描述了PMSM的数学模型和等效电路模型，并给出了仿真结果和实
验结果。
02 03
详细描述
本文介绍了永磁同步电机的数学模型和等效电路模型，通过仿真和实验 验证了模型的准确性和有效性。该文还对PMSM的控制器设计进行了详 细讨论，为PMSM的控制提供了理论依据。
总结词
磁链方程描述了PMSM的磁通链数与转子位置角之间 的关系。
该方程反映了随着转子位置的变化，磁通链数的变化 情况。
转矩方程
转矩方程描述了PMSM的输出转矩与定子电流之间的关系。
转矩方程通常表示为：T = (P/2π)×(θr×Iq)，其中T是输出转矩，P是电机极对数，θr是转 子位置角，Iq是定子电流矢量中的直交分量。
永磁同步电机的发展趋势和挑战
发展趋势
随着技术的不断发展，永磁同步电机将朝着更高效率、更高可靠性、更小体积和更低成本的方向发展 。同时，随着智能制造和物联网技术的快速发展，永磁同步电机的智能化和网络化也将成为未来的发 展趋势。
挑战
尽管永磁同步电机具有许多优点，但在高温、高湿、高海拔等恶劣环境下运行时，仍存在一些挑战。 例如，高温会导致永磁材料性能下降，高湿会使电机腐蚀生锈，高海拔会使电机功率下降等。因此， 提高永磁同步电机的环境适应性是当前面临的重要问题之一。
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R=3.740625Ω
永磁同步直线电机的 d-q 轴模型
参数： L 为电枢轴电感 p 为极对数 Ψf为定子永磁体在电枢中的耦合磁链 Ke= Ψf· 为反电动势系数 p Kt=K·Ψf为推力系数 v 为电机速度 M 为动子和负载的质量 B为粘滞摩擦系数 Fm为电磁推力 Fd为负载阻力
永磁同步直线电机的数学模型框图
电枢电阻的计算
数学建模
永磁同步直线电机
为了e变换 • 两相交流变量 Park变换 • 两轴直流变量
三相交流静止坐标系
变 换 矩 阵
两相交流静止坐标系
变 换 矩 阵
两相旋转坐标系
建模前的假设
• 1）不考虑磁路饱和，忽略端部效应(如极数尽量取多，行 程两端留有较长的磁轨等) • 2）气隙中的磁场在空间上按正弦分布。