PMSM同步电动机矢量控制
永磁同步电机的矢量控制系统
永磁同步电机的矢量控制系统一、本文概述随着科技的不断进步和工业的快速发展，电机作为核心动力设备，在各种机械设备和工业自动化系统中扮演着至关重要的角色。
其中，永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）因其高效率、高功率密度和优良的控制性能等优点，被广泛应用于电动汽车、风力发电、机床设备等领域。
为了实现永磁同步电机的精确控制，提高其运行效率和稳定性，矢量控制（Vector Control）技术被引入到永磁同步电机的控制系统中。
本文将对永磁同步电机的矢量控制系统进行深入探讨。
文章将简要介绍永磁同步电机的基本结构和运行原理，为后续的矢量控制理论奠定基础。
接着，文章将重点阐述矢量控制的基本原理和实现方法，包括坐标变换、空间矢量脉宽调制（SVPWM）等关键技术。
文章还将分析矢量控制系统中的传感器选择、参数辨识以及控制策略优化等问题，以提高系统的控制精度和鲁棒性。
通过本文的研究，读者可以对永磁同步电机的矢量控制系统有一个全面而深入的了解，为实际应用中提高永磁同步电机的控制性能提供理论支持和指导。
本文还将探讨未来永磁同步电机矢量控制系统的发展趋势和挑战，为相关领域的研究者和工程师提供有价值的参考信息。
二、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种高效、高性能的电机类型，其工作原理基于电磁感应和磁场相互作用。
PMSM的核心组成部分包括定子、转子和永磁体。
定子通常由三相绕组构成，负责产生旋转磁场；转子则装有永磁体，这些永磁体在定子产生的旋转磁场作用下，产生转矩从而驱动电机旋转。
PMSM的工作原理可以简要概括为：当定子三相绕组通入三相交流电时，会在定子内部形成旋转磁场。
由于转子上的永磁体具有固定的磁极，它们在旋转磁场的作用下会受到力矩的作用，从而使转子跟随定子磁场的旋转而旋转。
通过控制定子电流的相位和幅值，可以精确控制旋转磁场的转速和转向，从而实现对PMSM的精确控制。
MatlabSimulink对永磁同步电机(PMSM)_矢量控制原理
基于Matlab的永磁同步电机矢量控制原理摘要：在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。
永磁同步电机（PMSM）是一个复杂耦合的非线性系统。
关键词：永磁同步电机;电压空间矢量脉宽调制0、引言永磁同步电机（PMSM）是采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。
永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展。
因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。
对于在Matlab中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。
本文介绍了电压空间矢量脉宽调制原理并给出了坐标变换模块、SVPWM模块以及整个PMSM闭环矢量控制仿真模型，给出了仿真模型结构图和仿真结果。
1、永磁同步电机的数学模型永磁同步电机在d-q轴下的理想电压方程为：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）式中，ud和uq分别为d、q轴定子电压；id和iq分别为d、q 轴定子电流；和分别为d、q轴定子磁链；ld和lq分别为定子绕组d、q轴电感；r为定子电阻；p为微分符号；lmd为定、转子间的d轴电感；ifd为永磁体的等效d轴励磁电流；pn为极对数；te为电磁转矩；tl为负载转矩；j为转动惯量；b为阻尼系数；为转子角速度。
2、电压空间矢量脉宽调制原理２.1电压空间矢量电机输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。
直接针对这个目标，把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM 电压，这样的控制方法称为“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又称“电压空间矢量PWM控制”。
空间矢量是按电压所加绕组的空间位置来定义的。
在图1中，A、B、C分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，三相定子相电压U A、U B、U C分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量U A、U B、U C，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°。
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。
详解永磁同步电机矢量控制
永磁同步电机矢量控制
由于永磁同步电机(PMSM)在诸多方面的优势，在控制领域引起了极大的兴趣。
矢量控制的基本思想[4-5]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。
按磁场定向坐标,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量互相垂直,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。
矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能．而最终仍然是对定子电流的控制。
由于在定子侧的各物理量,如电压、电流、电动势、磁动势都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,调节和控制都不容易。
因此需要借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,这时各空间矢量就都变成了直流量。
电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量i d和产生转矩的转矩电流分量i q,如图2所示,这样转矩和被控量定子电流之间的关系就一目了然。
图2.转矩和被控量定子电流之间的关系
永磁同步电机的矢量控制系统由四部分组成：1．位置、速度检测模块；2．速度环,电流环PI控制器；3．坐标变换模块；4．SVPWM模块和逆变模块。
控制过程为：速度给定信号指令与检测到的转子速度相比较,经速度控制器的调节,输出I指令信号(电流控制器得给定信号)。
同时,经过坐标变换后,定子反馈的三相电流变为i d,i q,通过电流控制器使：i d=0,i q与给定的i∗q相比较后,经过电流调节器的输出为d,q轴的电压,经Park逆变换后为α、β电压。
通过SVPWM模块输出六路PWM驱动IGBT．产生可变频率和幅值的三相正弦电流输入电机定子。
PMSM矢量控制--电流采样及坐标变换专家解析
电流采样及坐标变换前言永磁同步电机（PMSM）应用范围广泛，经常用于新能源汽车、机床、工业等领域。
在实际使用中，我们经常采用矢量控制算法（FOC）完成PMSM的高性能控制。
矢量控制中通常采用双闭环结构，其中外环为速度环，内环为电流环。
为了实现PMSM高性能控制，我们会采用各种复杂的算法来实现目标，这其中电流环相关算法又是重中之重。
但是需要指出，电流环性能好坏除了与采用的算法有关之外，还与最基本的电流采样问题以及坐标变换问题紧密相关。
只有当这些细节问题研究到位之后，高性能的控制算法才会更好发挥作用。
本文档主要探讨电流环的电流采样问题、故障保护以及坐标变换问题。
1 单相电流采样模型及补偿图1为实际系统中电流采样系统示意图，主要电源（含参考源）、HALL电流传感器、放大及滤波电路、AD转换器。
对于实际采样系统而言，各个器件均不是理想的，综合起来会产生明显的赋值衰减和相位滞后，这势必会降低控制性能。
图1 电流采样系统示意图HALL电流传感器：（1）增益非线性：即使采样的电流为直流时，也会在电流较大时产生增益下降，即增益非线性（饱和效应）。
进行建模时，认为增益非线性只是改变了输出HALL输出电压幅值，并不产生相位滞后。
记为G。
Non（2） 低通特性：此特性会随着电流频率的变化而产生不同程度的相位滞后和幅值衰减。
记为()LPF1G s 。
由上述可知，HALL 传感器的传递函数为()()HALL Non LPF1G s G G s =⋅。
图2为传输非线性Non G 的示意图。
由此图可见在-400A~400A 是线性区域，增益为1pu ；而电流处于-700A~-400A 以及400A~700A 范围内时增益下降到了0.98pu ；当电流处于-900A~-700A 以及700A~900A 范围内时增益下降到了0.952pu 。
为了后续分析方便，这里假设()LPF11=3e -061G s s +。
实际系统的()LPF1G s 可由测试或者查询HALL 传感器的数据手册得到。
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PMSM矢量控制系统的研究
永磁同步电动机PM SM矢量控制系统的研究夏燕兰(南京工业职业技术学院，南京2100146)研究与开发摘要本文根据永磁同步电动机PM SM I钩数学模型，分析了PM SM的矢量控制原理，对PM SM矢量控制系统。
进行了分析和仿真，实验结果证明PM SM矢量控制系统具有优良的动、静态性能。
关键词：PM SM；数学模型；矢量控制R es ear ch of V ect or C ont r ol Sys t em f or PM SMX i d Y anl an(N anj i ng I nst i t ut e of l ndust ry and Technol ogy,N anj i ng210046)A bs t r act A cc or di ng t o t he m at hem at i cal m ode l of PM SM，t he paper i nt r oduces t he pri nc i pl e ofvec t o r C ont r ol f or PM SM，anal yzes and s i m ul at es t he vect or c ont r ol s ys t em of PM SM．The exper i m entr e sul t s s how t he c ont r ol s ys t em of P M SM can achi eve go od dyna m i c and st a t i c per f orm ances．K ey w or ds：per m anent m a gne t s yn chr ono us m ot or；m at he m at i c al m odel；vec t or c ont r oll引言永磁直流无刷电动机因体积小、性能好、结构简单、调节控制方便、调速范围广、动态响应快等特点而得到了越来越广泛的应用，尤其应用在智能机器人、航空航天、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求比较高的领域和场合。
PMSM同步电动机矢量控制
矢量控制能够实现对电机的精确控制，具有较高的动态性能和稳态精度。同时， 矢量控制能够有效地抑制转矩波动，减小转矩脉动。
局限性
矢量控制需要精确的电机参数和准确的传感器测量，增加了系统的复杂性和成 本。此外，矢量控制对于电机参数的变化较为敏感，参数变化可能导致控制性 能下降。
03
PMSM同步电动机的矢 量控制策略
数据处理
对采集到的数据进行滤波、去噪、 归一化等处理，提取有用的信息 进行分析。
数据分析
利用分析软件对处理后的数据进 行分析，研究矢量控制策略对 PMSM同步电动机性能的影响。
实验结果与结论
结果展示
通过图表、曲线等形式展示实验结果， 直观地反映矢量控制策略对PMSM同 步电动机性能的影响。
结论总结
基于直接转矩控制的矢量控制策略
总结词
基于直接转矩控制的矢量控制策略是一种先进的控制方法，通过直接控制电机的输出转 矩和磁通来实现对PMSM同步电动机的高性能控制。
详细描述
基于直接转矩控制的矢量控制策略采用离散的时间采样方法，通过检测电机的输出转矩 和磁通状态，直接调节电机的输入电压或电流，实现对电机输出转矩和磁通的快速、精 确控制。这种控制方法具有响应速度快、动态性能好等优点，适用于高性能的伺服系统
基于磁场定向的矢量控制策略
总结词
基于磁场定向的矢量控制策略是PMSM同步电动机中最常用的控制策略之一，通过控制励磁和转矩电流分量，实 现对电机磁场的解耦控制。
详细描述
基于磁场定向的矢量控制策略通过将PMSM的电流分解为与磁场方向正交的励磁电流和与磁场方向一致的转矩电 流，实现了对电机磁场的完全解耦控制。通过调节励磁和转矩电流分量，可以独立地控制电机的磁通和转矩，从 而实现高性能的调速控制。
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8.1.1 励磁同步电动机的特点
同步电动机与异步电动机之间主要差别：
（1）定子电源的频率与同步电动机的转速之间存在着确定的关系
n1
60 p
f1
。
（2）同步电动机可以在任何功率因数（超前、滞后或者1）下运行。
（3）励磁同步电动机的转子可能为凸极或隐极结构，在分析时不得不采用双反应原理。
（4）励磁同步电动机电磁关系变得十分复杂。
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8.1.2 在ABC坐标系下的数学模型
q B
iQ
图8-1是凸极励磁同步电机的示意 图。
N
按照电动机惯例规定的正方向， 可列出ABC坐标系下同步电动机
1.磁链方程
iD
S
d
if
பைடு நூலகம்
A
2.电压方程 3.转矩方程。
C
图8-1 是凸极励磁同步电机的示意图
D Q
LDA LQA
LDB LQB
LDC LQC
LDf 0
LDD 0
0 LQQ
iD iQ
或
ψs ψr
=
Ls Lrs
Lsr is
Lr
ir
或
ψ Li
(8-2)
（8-3） （8-4）
120o
)
LCf
LfC
Lsf
cos(
120o
)
（8-8）
LAD LDA LsD cos
LBD
LDB
LsD
cos(
120o
)
LCD
LDC
LsD
cos(
120o
)
( 8-9)
LAQ LBQ
LQA LQB
LsQ LsQ
sin sin(
120o
)
LCQ
LQC
LsQ
sin(
120o
)
（8-10）
式中， Lsf 、 LsD 、 LsQ 分别为定子一相绕组与转子各绕组间互感的幅值。 由于转子励磁绕组与阻尼绕组同在转子上，相互之间保持相对静止，且
与 角无关，所以它们的自感和互感都保持常数值。
f LfAiA LfBiB LfCiC Lff i f LfDiD
D LDAiA LDBiB LDCiC LDf i f LDDiD
Q LQAiA LQBiB LQCiC LQQiQ
(8-1)
用矩阵形式表示时，可以写成
同步电动机矢量控制系统
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简介
• 8.1 励磁同步电动机数学模型 • 8.2 励磁同步电动机矢量控制 • 8.3 永磁同步电动机矢量控制 • 8.4 同步电动机转子位置检测
8.1 励磁同步电动机数学模型
• 8.1.1 励磁同步电动机的特点 • 8.1.2 在ABC坐标系下的数学模型 • 8.1.3 在d q坐标系下的数学模型
下面先对定、转子绕组的自感和互感进行定
义：
q轴
d轴
q轴
对于理想的凸极同步电动机，以直轴
作为坐标原点O时，在距离原点的
电角度处，单位面积的气隙磁导 可以表 示为
m m0 m2 cos 2 （8-5）
O
m2
式中，m0 为气隙磁导的平均值； m2 为气隙磁导的二次谐波幅值。
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2.电压方程 同步电动机定子三相绕组的电压方程为：
uA
RsiA
d A
dt
式中 ，uA、uB、uC
分别为定子各相
的端R电s 压； 为定子每相的电阻。
uB
RsiB
d B
dt
uC
RsiC
d C
dt
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1. 磁链方程
A =LAAiA LABiB LACiC LAf i f LADiD LAQiQ
B =LBAiA
LBBiB
LBCiC
LBf i f
LBDiD
LBQiQ
C =LCAiA LCBiB LCCiC LCf i f LCDiD LCQiQ
（8-7）
上式中， Ls0 为电感的恒定分量， Ls2 为电感的二次谐波幅。
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若气隙磁场呈正弦分布，则定子绕组与转子励磁绕组、直轴阻尼绕组、 交轴阻尼绕组之间的互感为
LAf LBf
LfA LfB
Lsf Lsf
cos cos(
励磁绕组和阻尼绕组的电压方程为：
式中，u f 为励磁绕组所加的电压；阻尼
绕组自身为短路，故其端电R0；f RD、RQ 、 分别为励磁绕组和直轴、交轴阻尼绕组 的电阻。
uf
Rfif
d f
dt
0
RDiD
d D
dt
0
RQiQ
d Q
dt
(8-11) (8-12)
Ls 2
cos 2(
120o
)
LCC
Ls 0
Ls 2
cos 2(
120o
)
（8-6）
励磁凸极同步电动机三相定子绕组之间的互感为
LAB LBC
LBA LCB
Lm0 Lm0
Lm2 cos 2( Lm2 cos 2
120o )
LCA LAC Lm0 Lm2 cos 2( 120o )
m0
d
q
图8-2 凸极同步电动机的单位面积气隙磁导
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设 为转子直轴与定子A相轴线间的夹角，仿照异步电动机中自感的定义方
法，励磁凸极同步电动机三相定子绕组的自感为
LAA Ls0 Ls2 cos 2
LBB
Ls 0
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写成矩阵形式。定义微分算子 P= d dt
A LAA LAB LAC LAf LAD LAQ iA
B
LBA
LBB
LBC
LBf
LBD
LBQ
iB
C f
LCA L fA
LCB L fB
LCC L fC
LCf L ff
LCD
LCQ
iC
LfD 0 if