svpwm永磁同步电机的设计
基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究
基于SVPWM的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究永磁同步电机直接转矩空间矢量脉宽调制Matlab/Simulink1引言空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术是在一个控制周期内，通过相邻基本电压矢量和零电压矢量合成得到所需的任意电压矢量，实现电压矢量的线性连续可调的技术[1,2]。
本文运用了一种基于空间矢量脉宽调制（SVPWM）的永磁同步电机的直接转矩控制算法，其原理是根据转矩和定子磁链的误差，通过驱使误差为零的原则确定参考电压空间矢量，然后通过SVPWM技术合成该矢量[3]，由于在下一个控制周期内，采样时刻的电压和磁链误差可以得到补偿，因此转矩和磁链的误差始终能够控制在一个很小的范围，二者的脉动很小。
2SVPWM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。
因此，如果把逆变器和交流电机看成一个整体，控制逆变器的工作状态以此来产生跟踪圆形的旋转磁场，能够达到很好的控制效果。
SVPWM将逆变器和交流电机视为一个整体观念，把三相对称的正弦波电源供电时交流电机产生的理想磁链圆作为参考对象，通过选择三相逆变器的六个功率开关器件的特定开关模式，生成SVPWM脉宽调制波，从而使电机的实际磁链尽可能地逼近理想的圆形，产生恒定的电磁转矩[4]。
由电压源型逆变器产生的8个基本电压空间矢量如图1所示。
6个非零基本电压空间矢量将整个电压空间矢量平面区域分成六个60°的扇区Ⅰ-Ⅵ。
图1 电压矢量在空间的分布图交流电动机仅由常规的逆变器供电，得到的是六边形的旋转磁场。
这是因为在一个周期内逆变器只切换六次工作状态，因此只能形成6个电压空间矢量。
如果想获得更多边线或逼近圆形的旋转磁场，就必须在每一个π/3期间内出现多个工作状态，以形成更多的相位不同的电压空间矢量。
为此，采用线性组合法控制SVPWM的开关时间，改造后的逆变器可以得到逼近圆形的旋转磁场。
3SVPWM控制算法的研究及实现原理3.1 参考电压矢量所在扇区的判断由图1所示，SVPWM分为六个扇区，电压矢量所在的扇区是由Urefα和Urefβ决定的。
基于SVPWM的永磁同步电机控制器设计
• 167•基于SVPWM的永磁同步电机控制器设计广东理工学院电气工程系 梁永忠【摘要】本文详细分析了空间矢量脉宽调制(SVPWM)的工作原理，设计了永磁同步电机(PMSM)的硬件控制方案，采用STM32F103C8T6单片机实现了该方案的控制程序，通过实验验证了该方案的可行性。
【关键词】空间矢量脉宽调制；永磁同步电机；单片机Design of PMSM Controller Based on SVPWMLiang Yongzhong（Department of Electrical Engineering Guang Dong Polytechnic College ，Zhaoqing 526100，China ）ABSTRACT ：This paper analyzes the working principle of Space Vector Pulse Width Modulation in detail ，and the hardware control scheme of the PMSM is designed.The control program of the scheme is realized by using STM32F103C8T6.The feasibility of the scheme is verified by the experiment.Key words ：SVPWM ；PMSM ；MCU0 引言永磁同步电动机(PMSM)由于其控制特性良好，结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率和功率因数高，已广泛应用于各种工业传动领域，并取得显著的节能效果[1]。
传统的交流电动机采用正弦脉宽(SPWM)调制技术输出一个频率和电压可调、三相对称的正弦波电动机供电电源，这种方法虽然具有数学模型简单、易于实现的优点，但是它的电压利用率太低。
空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术将逆变系统和电机看作一个整体来考虑，使实际磁链矢量追踪理想磁链圆，其控制简单，开关损耗小，电压利用率比一般的SPWM 高[2]。
基于SVPWM永磁同步电机控制系统的建模与仿真
基于SVPWM永磁同步电机控制系统的建模与仿真张海啸 王淑红（太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024）摘要本文研究永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统。
采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法，在Matlab/Simulink环境下,通过对坐标系转换、SVPWM逆变器、速度控制器等功能模块的建立与组合,构建了PMSM控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。
仿真结果证明了该系统模型具有很好的静态、稳态性能。
关键词：永磁同步电机；空间矢量脉宽调制；仿真Modeling and Simulation of PMSM Control System Based on SVPWMZhang Haixiao Wang Shuhong(Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024)Abstract Vector control of PMSM was studied in the paper.A novel method for modeling and simulation of PMSM system in Matlab had been proposed. In Matlab/ Simulink , the independent functional blocks and such as vector controller block , hysteresis current controller block and speed controller,ect.,had been modeled. By the organic combination of these blocks , the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results.Key words：PMSM；SVPWM；modeling and simulation1引言永磁同步电机(PMSM)广泛应用于诸如高性能机床进给控制、位置控制、机器人等领域。
基于SVPWM的永磁同步电机控制18页文档
因此通过坐标变换将电机方程转换为一系列 的常系数微分方程，以简化分析便于研究。
01 永磁同步电机及其矢量控制系统
1.2 永磁同步电机的数学模型
其中，Clark变换、Park变换已在前面介绍，用到的角度由编码器反馈经过计算 后得到。经过变换后，三相定子电流解耦变成两个直流分量iq和id，在实际中矢量控 制的目的是使id趋近于零、iq跟踪速度调节器的输出。控制分别由三个PI调节器完成。
谢谢观看
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
第三步：计算矢量切换点： Ts
TTb aTTa 0/ Tc Tb
4 Tx
2 Ty
2
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
00001100
0
T0/2
T4/2
T6/2
T7/2
T7/2
T6/2
T4/2
T0/2
在不同的扇区内将Ta，Tb，Tc，分别赋给比较寄存器CMPR1，CMPR2，CMPR3。
03 永磁同步电机双闭环控制系统
基于SVPWM的永磁同步 电机控制
人的差异在于业余时间
基于SVPWM的永磁同步 电机控制
采用SVPWM的永磁同步电动机系统建模与仿真
中图分类号:T M 351 T M341 文献标识码:A 文章编号:100126848(2006)0920038204采用S VP WM 的永磁同步电动机系统建模与仿真安群涛,李 波,王有琨(哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨 150001)摘 要:为了兼顾永磁同步电动机的成本和控制性能,在分析永磁同步电动机数学模型的基础上,基于Matlab/Si m ulink 建立了永磁同步电动机磁场定向控制系统仿真模型。
重点阐述了电压空间矢量脉宽调制(S V P WM )的原理及算法,给出了利用Si m ulink 的实现方法。
该模型较之以往论文给出的滞环电流控制型永磁同步电动机系统更具有普遍性和实用性。
仿真结果证明了该模型的有效性,并验证了其他控制算法,为永磁同步电动机系统的设计和调试提供了思路。
关键词:永磁同步电动机;磁场定向控制;建模;空间矢量脉宽调制M ode li ng an d S i m ula t ion of P M S M Syste m Usi n g SVPWMAN Qun 2tao,L I Bo,WANG Y ou 2kun(D e p t .of Electrical Engineering,Harbin Institute of Technol ogy,Harbin 150001,China)ABSTRAC T:A t the basis of analysis ofm odel of Per m anentMagnet Synchr onousMot or,this paper es 2tablished the si mula tion model of field 2orientated control syste m of P MS M ba sed on Matlab /Si m ulink .Princ i p le of S VP WM was expa tiated,and i m ple m ent m ethod was given in this pa per .The reas onabilityand validity have been testified by the si m ulation r e sults,other contr ol a rithm etic can be validated andthis method offers a thought w ay f or de signing and debugging ac tual mot ors .KEY W O RDS:P MS M;Field 2orienta ted contr ol;Syste m m odeling;S V P WM收稿日期5226修稿日期625250 引 言永磁同步电动机(P MS M )控制特性良好,结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率和功率因数高,已经逐步取代直流伺服电动机而用于高性能的伺服系统中[1]。
SVPWM永磁交流
ACDC3
A
驱 N N D O C D O C C O D D O C V
C
动 C
D
O
信
号 8 5 8 7 6 5 DC7 6 5
8
7
6
5
8
7
6
5
8
7
6
DC+
拉
8
7
6
5
VCCW
为 G VCCU
A
A G G VCC 高 G N N N D N G VCCV VCC VCC
电 2 D D U R18 2 R16 D 5
7
Header
JP2
1 U-LEM
2
3
4
5
6
7
CON1
CON1
CON1
CON1
CON1 L
CON1
V-LEM
L
W 1 1 1 1 1
L 2
1
1
3
SGND
Drv6
Drv4
Drv2
Drv5
Drv3
Drv1
SGND
IPMV
1 SX3 R SX2 SX1
驱
IPMW
IPMU
2
R13
2
R11
2
R
2
0 9 动 0 7
SVPWM调制的原理和仿真
一、研究背景 二、永磁同步电机的数学模型及矢量控制方法 三、SVPWM调制的原理及仿真 四、伺服系统硬件和软件设计 五、下一步工作计划
SVPWM调制的原理和仿真
1、SVPWM调制的原理 实质：圆形气隙磁链轨迹控制。？ 定子输入对称三相正弦电压——理想圆 形磁链基准—控制逆变器输出电压产生磁链 跟踪基准磁链圆——在跟踪基准磁链圆时适 当改变逆变器的开关状态产生PWM波
基于SVPWM算法的永磁同步电机闭环控制
有下面的公式：
图1.2 静止 DQ 轴系与同步旋转 dq轴系
(1.5)
由静止（ABC）坐标轴系到静止（αβ）坐标轴系的变换只完成了由三相到两相的 “相数变换”，而静止（αβ）坐标轴系到同步旋转（dq）坐标轴系的变换是一种 “频率变换”。在直流电动机中，电枢绕组中的交流电流是通过换向器和电刷变成直 流电的。而式 1.4 和式 1.5 所起到的作用也相当于换向器的作用，经过这两种变换 最终将交流永磁同步电机等效为直流电机，使其的控制性能有了很大的提升。
永磁同步电机伺服控制系统
目录
一、永磁同步电机矢量控制系统
1.1 永磁同步电机的结构和数学模型 1.2 永磁同步电机矢量控制基本原理
二、永磁同步电机的 SVPWM 控制
2.1 空间矢量调制理论 2.2 SVPWM算法程序实现
三、永磁同步电机双闭环控制系统
3.1 矢量控制系统结构
一、永磁同步电机矢量控制 系统
2.1 空间矢量调制理论
在理想的供电情况下，定子相电压为三相平衡正弦电压时，三相电压 合成矢量us是一个以电源角频率ωs为角速度作恒速旋转的空间矢量，它
的幅值是相电压幅值的 3 2倍，当某一相电压为最大值时，三相电压
合成矢量us就将与该相的轴线重合。当电动机转速稳定的时候，定子电 流的空间矢量is和磁链的空间矢量Ψs的幅值恒定，以电源角频率ωs为 电气角速度在空间作恒速旋转。
②计算T1、T2、T0，即计算扇区内相邻两电压矢量及零矢量各自的作用 时间
③计算逆变器开关状态切换点Tcm1、Tcm2、Tcm3 SVPWM脉宽调制是用等效的时间三角波来跟Tcm1、Tcm2、Tcm3比较，
当两 者的值相等时，逆变器开关状态就会改变。从而产生正确PWM波形，用
基于SVPWM永磁同步电机控制系统的建模与仿真
理论便可得到路 q轴下 PMsM数学模型。
电压平衡方程:
仇 二 心 p化一 汽 尺 + 衅
式中， p为微分算子; R:为电 枢绕组电阻( 。) :
U。 凡 +夕 = 几 几+衅 礼
( 1)
补 翁 罪迎
位宜与 庄公 砚 翻
僻为 子 速 (r 眺); 化、 确 q轴 链。 转 角 度a 九为 磁
. 2 2 PMSM 矢量控制系统
( 1) 矢量控制原理 矢量控制技术可以实现交流电动机产生转矩
和产生磁通的电流分量之间的解祸控制，使交流电
入嘛 、谕 。 后 相电 检 电 检 然 由 流 测 路 测到礼 、 . 0 1 经 标 换 到 、 ， 、 分 与 坐 变 得 与 i 将与 与 别 它 v ， 们的参考给定愉 、瑞 进 较 这里控制 、 行比 嗬 =0 通 个电 I 调 器 到 ， 过两 流P 节 得 理想的 控
文在分析PMSM数学模型的基础上，借助Ma a 强 l t b
大的 真 模能 在 m n 中 立了 于 仿 建 力， 影 u k 建 基 i l
SVPw M的PMSM控制系统的仿真模型， 并进行了仿 真实验，为PMSM伺服控制系统的分析与设计提供 了有效理论依据。
目 PMsM的矢量控制己 前， 被证明是一种高性 能的控制策略.1 ，但系统结构、具体实现方案还需 ] 进一步研究。脉宽调制技术以正弦脉宽 ( SPWM)
者提出了空间电压矢量脉宽调制 ( SVPWM) 方法， 它具有线性范围宽，高次谐波少，易于数字实现等 优点，在新型的驱动器中得到了普遍应用。仿真和 建模是各工程领域分析、设计各种复杂系统的有利 工具，因此，如何建立有效的Ph1SM控制系统的仿
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永磁同步电机 整个系统的仿真框图
第五章 仿真结果
第一种仿真条件
转速n=1000r/min,转 矩T的时间为0.1s.运 行时间为0.1s。仿真 结果如下： 转速n的图形
转矩T的图形
三相电流图形
第二种情况下的仿真
转速n不变，转矩为0.1 Nm，运行时间为0.2s， 阶跃时间起在2-4s之间。 仿真结果如下： 转速n的图形
三相电流的图形
转矩T的图形
第三种情况下的仿真
改变了转速，让转速 在500-1000 r/min之 间产生阶跃，转矩不 变，还是0.1 Nm，这 次的运行时间为0.1s。 仿真结果如下： 转速n的图形
转矩T的图形
三相电流的图形
第四种情况下的仿真
转速如同第三种情况不 变，转矩阶跃时间为 0.2s，运行时间为0.4s， 阶跃时间起在2-4s之间。 仿真结果如下： 转速n的图形 转矩T的图形
电流经整流后变为直流再经过逆变电路 输出PWM波进行控制，三相逆变电路如图所示。
电压空间矢量SVPWM原理
根据空间矢量的定义，可以得到8个夹角 互为60°的基本矢量，V0和V7为零矢量， 其他6个矢量为工作矢量。8个基本矢量 的分布如图所示。
V3 010
Ia
2 1
3
V2 110
V4 011
基于空间矢量PWM的永磁同步电机 控制系统设计
论文研究的主要内容
绪论 永磁同步电机 电压空间矢量脉宽调制的研究 SVPWM控制技术仿真模型 仿真结果
第一章 绪论
研究意义：
永磁同步电动机的常用的调试方法 有两种：直接转矩控制和空间矢量控制。 本文研究的是空间矢量控制。空间矢量 SVPWM的永磁同步电机的控制系统越来越 受人们的关注，成为人们研究热点而且 前景会越来越明显。
变量X、Y、Z计算模块
X 3U Ts / U dc Y ( 3U 3U ) Ts / 2U dc Z ( 3U 3U ) Ts / 2U dc
根据上式建立模型
基于电压空间矢量作用时间的确定
X Y ( Z ( 3u Qref T0 Ud T 3 3 u Qref u Dref ) 0 2 2 Ud T 3 3 u Qref u Dref ) 0 2 2 Ud
六个扇区的波形图
第四章 SVPWM控制技术仿真模型
根据SVPWM算法，SVPWM模块的建立 主要分为五个环节来建立: 判断扇区 变量X、Y、Z计算模块 确定基本电压矢量作用时间模型的实现 矢量切换点模型的实现 最后转换成六个脉冲的SVPWM的输出模块 的实现
永磁同步电机矢量控制系统结构框图
SVPWM各个仿真模块模型
致谢
感谢我的导师的亲切关怀和悉心指 导！ 感谢在座的各位答辩老师，你们辛 苦了！ 向电气的全体老师表示由衷的谢意! 感谢他们四年来的辛勤栽培，他们的谆 谆教诲使我终身受益！
仿真模型如下图
电压空间矢量切换点的计算
Ta (T0 t1 t 2 ) / 4 Tb Ta t1 / 2 T T t / 2 b 2 c
仿真模型如下图
SVPWM的输出模块
输出为六个脉冲
SVPWM的仿真模型
在设计了基于SVPWM策略的永磁 同步电机控制系统框图的基础上，用 MATLAB/SIMULINK所提供的丰富模块 功能搭建了整个系统的仿真框图
三相电流的图形
总结
本文深入研究永磁同步电动机的矢 量控制理论，采用SVPWM控制技术，在此 基础上建立了PMSM数学模型，构建了采 用速度和电流双闭环的矢量控制策略。 利用MATLAB/Simulink仿真软件对系统进 行了仿真，仿真结果可以看言
这篇论文的写作以及系统开发的过程， 也是我越来越认识到自己知识与经验缺 乏的过程。 虽然，我尽可能地收集材料，竭尽所能 运用自己所学的知识进行论文写作，但 论文还是存在许多不足之处, 有待改进。 请各位评委老师多批评指正，让我在今 后的学习中学到更多。
V0 000
V7 111
4
VT
T1 V1 T5
2
T5
V2
V1 100
Re
6
V6 101
5
V5 001
六个扇区的PWM波形
为了使电压波形对称，把每种状态的作 用时间都一分为二，而且不同开关状态的顺 序必须遵守的原则是：每次切换开关状态时， 只切换一个功率开关器件，以满足最小开关 损耗。 在不同扇区内的切换点可根据下表赋值
第二章 永磁同步电机
永磁同步电机的特点：
永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Machines, PMSM)具有体积 小、重量轻；功率密度高、效率和功率 因素高(功率因素等于1或接近于1)等明 显的特点。
第三章 电压空间矢量 脉宽调制的研究
SVPWM的基本原理：
电压空间矢量扇区的判断
b0 u Qref b sin 60 u sin 30 u Qref 1 Dref b sin 60 u sin 30 u Qref Dref 2
sign( x)是符号函数，如果
x>0 ,=1；如果x<0, =0。
P 4sign(b2 ) 2sign(b1 ) sign(b0 )