永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
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。
永磁同步电机矢量控制发展综述
永磁同步电机矢量控制发展综述
永磁同步电机矢量控制是一种高效、精确的电机控制技术，近年来得到了广泛的应用和发展。
本文将从永磁同步电机的基本原理、矢量控制的基本思想、发展历程和应用前景等方面进行综述。
永磁同步电机是一种具有高效、高功率密度、高精度和高可靠性的电机，其基本原理是利用永磁体产生的磁场与电流产生的磁场相互作用，从而实现电机的转动。
与传统的感应电机相比，永磁同步电机具有更高的效率和更低的损耗，因此在工业、交通、航空等领域得到了广泛的应用。
矢量控制是一种基于电机磁场矢量的控制技术，其基本思想是将电机的磁场分解为定子坐标系和转子坐标系两个矢量，通过控制这两个矢量的大小和方向，实现电机的转速和转矩控制。
矢量控制技术可以有效地提高电机的响应速度和控制精度，因此在永磁同步电机控制中得到了广泛的应用。
永磁同步电机矢量控制技术的发展历程可以追溯到上世纪80年代，当时主要应用于高端工业领域。
随着电力电子技术和数字控制技术的不断发展，永磁同步电机矢量控制技术得到了进一步的提升和完善。
目前，永磁同步电机矢量控制技术已经成为电机控制领域的主流技术之一，广泛应用于电动汽车、风力发电、轨道交通等领域。
未来，永磁同步电机矢量控制技术将继续发展和完善，主要体现在
以下几个方面：一是提高控制精度和响应速度，以满足更高的工业和交通应用需求；二是降低成本和提高可靠性，以促进技术的普及和应用；三是结合人工智能和大数据技术，实现电机的智能化控制和优化运行。
总之，永磁同步电机矢量控制技术的发展前景广阔，将为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
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。
永磁同步电动机矢量控制
永磁同步电动机矢量控制永磁同步电动机是一种新型的高性能电机，具有高效率、高功率密度、高转矩密度等特点，在工业和交通领域有广泛应用。
矢量控制是一种高级的控制方法，可以实现电机的高精度运行和性能优化。
本文将介绍永磁同步电动机矢量控制的结构和方法。
永磁同步电动机的结构包括永磁转子、定子绕组和控制器等几个部分。
永磁转子由永磁体和转子绕组组成，永磁体产生一个恒定的磁场，而转子绕组用于传导电流。
定子绕组是通过变频器提供的三相电流激励，产生旋转磁场。
控制器则根据电机的位置、速度和负载要求等信息，调节电机的电流和控制策略，实现对电机的控制。
永磁同步电动机的矢量控制方法主要包括电流控制、转子磁链观测、速度和位置估算等几个步骤。
电流控制是通过控制器提供的电流指令，调节电机的电流大小和相位，使电机的磁场与转子磁场同步，实现最大力矩输出。
转子磁链观测则通过计算电机的电流与磁场之间的关系，实时估算转子的磁链大小和位置，用于后续的控制。
速度和位置估算则是通过测量电机的转子位置和速度，采用信号处理和滤波算法，推算出电机的实际运行状态，用于控制器的反馈。
在矢量控制中，还可以应用一些高级控制技术，如预测控制、自适应控制和模型预测控制等，以进一步提高电机的性能和动态响应。
预测控制通过模型预测电机的状态和负载要求，优化控制策略，实现最佳性能。
自适应控制则是通过实时调节控制器的参数，使控制器能够适应电机的变化，提高控制性能。
模型预测控制则是通过建立电机的动态数学模型，预测未来一段时间的状态和输出，以实现最佳的控制性能。
综上所述，永磁同步电动机矢量控制是一种高级的电机控制方法，能够实现对电机的高精度控制和性能优化。
通过控制电机的电流和磁场，在不同的工况下实现最大力矩输出和高效能运行。
未来，随着控制算法和硬件技术的不断发展，永磁同步电动机矢量控制在各个领域将有更广泛的应用。
永磁同步电机的控制方法
永磁同步电机的控制方法
永磁同步电机是一种常见的电动机型号，具有高效、能耗低等优点，在不少领域广泛应用，如空调、洗衣机、汽车等。
为了使电机工作更加稳定、可靠，需要对其进行控制，本文将介绍几种常见的永磁同步电机控制方法。
一、矢量控制方法
矢量控制方法也称为矢量调速，是对永磁同步电机进行控制的一种较为复杂的方法。
通过对电机的磁场和电流进行精细控制，可以实现电机速度和转矩的精准调节。
具体实现时，需要提取电机转子位置，进行磁场定向控制。
二、直接转矩控制方法
直接转矩控制方法是对电机电流进行直接调节的方法，可以实现对电机转矩的调节。
该方法操作简单，但控制效果较为粗糙，容易造成电机振动和噪音。
三、电压向量控制方法
电压向量控制方法通过调节电机的电压和相位，控制电机的速度和转矩。
该方法比直接转矩控制方法更加精准，但控制难度较大，计算量较大。
四、滑模控制方法
滑模控制方法是近年来发展的一种新型控制方法，可以实现低成本、高效率的电机控制。
该方法借助滑模变量实现对电机转速和转矩的控制，具有控制精度高、响应速度快等优点。
五、解析控制方法
解析控制方法也是近年来发展的一种新型控制方法，该方法是通过解
析电机的动态特性，设计控制器实现对电机的精准控制。
该方法适用于大功率电机控制，但计算量较大，难度较高。
以上是几种常见的永磁同步电机控制方法，不同的方法具有不同的特点和适用范围，需要根据实际情况选择合适的控制方法。
随着科技进步和工业发展，永磁同步电机控制技术也将不断进步和发展。
永磁同步电机控制原理
永磁同步电机控制原理位置控制是指将电机转子的位置控制在给定的位置上，常用的方法有传统的电流环控制和矢量控制。
传统的电流环控制是通过控制电机的电流来实现位置控制。
首先，测量电机的转子位置，通常使用光电编码器或霍尔传感器。
然后，通过闭环控制系统计算得到合适的电流指令。
最后，将电流指令发送到电机驱动器，控制电机的电流。
该方法的优点是简单且稳定，但低效。
矢量控制是一种较为先进的方法，可以实现更高的转速和更高的效率。
矢量控制通过直接控制电机的转子位置和转矩来实现位置控制。
矢量控制的原理是将电机的转子电流和磁场定向地控制在给定的位置上。
为了实现矢量控制，需要测量电机的转子位置和转速，并通过采样和滤波等技术对其进行处理。
然后，通过矢量控制算法计算得到合适的电流指令，并将其发送到电机驱动器。
电机驱动器会根据电流指令调整电机的相电流，从而控制电机的转子位置和转矩。
除了位置控制，永磁同步电机的控制还包括转速控制和转矩控制。
转速控制是指将电机的转速控制在给定的范围内。
常用的方法有开环控制和闭环控制。
开环控制是指根据电机驱动信号的占空比和频率来控制电机转速。
通过改变驱动信号的占空比和频率可以改变电机的转速。
该方法简单易实现，但不稳定且精度较低。
闭环控制是指在电机的转子位置和速度反馈信号的基础上，通过PID控制器或其他控制算法，计算得到合适的电压指令，并将其发送到电机驱动器。
电机驱动器会根据电压指令调整电机的相电压，从而控制电机的转速。
转矩控制是指将电机的输出转矩控制在给定的范围内。
常用的方法有矢量控制和直接转矩控制。
矢量控制是指在电机的转子位置、速度和转矩反馈信号的基础上，通过矢量控制算法计算得到合适的电流指令，并将其发送到电机驱动器。
电机驱动器会根据电流指令调整电机的相电流，从而控制电机的转矩。
直接转矩控制是指通过测量电机输出转矩并在闭环控制系统中计算得到合适的电流指令，并将其发送到电机驱动器。
电机驱动器会根据电流指令调整电机的相电流，从而控制电机的转矩。
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真
永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。
1971年，由F．Blaschke 提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。
该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。
控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。
而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。
矢量控制的基本思想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，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，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。
控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。
1 永磁同步电机的数学模型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。
1.2 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。
永磁同步电机两种磁场定向控制策略的比较
２．１ 矢量控制 ＦＯＣ［２］
控制定子磁链的幅值和旋转方向。而定子电压矢量
在 ｄ，ｑ 坐标系中，ＰＭＳＭ 电压方程通常表示为：
!# ｕｄ＝Ｒｓｉｄ＋Ｌｄ
ｄｉｄ ｄｔ
－ !"ｑ
" $# ｕｑ＝Ｒｓｉｑ＋Ｌｑ
ｄｉｑ ｄｔ
＋!"ｄ
（１）
式中 ｕｄ，ｕｑ— ——定子电压 ｄ，ｑ 轴分量
ｉｄ，ｉｑ—— —定子电流 ｄ，ｑ 轴分量
１引言
永磁同步电机（ＰＭＳＭ）有很多优点［１］，如转矩纹 波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强，很适 合在负载转矩变化较大的情况下使用；功率因数高， 长期使用节能效果明显，等等。因此，它在交流传动 领域的应用非常广泛，对其高性能控制策略的研究 也成为众多学者关注的焦点。
近几十年，为了满足工业发展对传动控制技术 的需要，高性能的交流传动控制策略不断出现，其 中 ， 最 具 代 表 性 的 就 是 矢 量 控 制（Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＦＯＣ）和直接转矩控制（Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ，简称 ＤＴＣ）。ＦＯＣ 基于转子磁场定向，而 ＤＴＣ 基于定子磁场定向。虽然这两种控制策略的控 制规则不同，但其最终目标是相同的，即无论电机或 负载参数及外界扰动如何变化，通过对电机转矩和
（Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｄｉａｎｚｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ－Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＦＯＣ）ａｎｄ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｆｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ） ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｂｒｉｅｆ．ＦＯＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｏｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ．Ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｚｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｉｖｉｄｕａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＤＴＣ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｔａｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ ｔｏｒｑｕｅ．Ｔｈｅ ｉｄｅａ ｏｆ ＤＴＣ ｃａｎ ｂｅ ｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ａｓ：ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ，ｗｉｔｈ Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔａｂｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ，ｔｈｅｎ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｏｒｑｕｅ ａｎｄ ｆｌｕｘ ｌｉｎｋａｇｅ．Ａｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｐｒｉｍａｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｔｈｅｏｒｉｅｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＤＴＣ ｈａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｓ ＦＯＣ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｒｉｐｐｌｅｓ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ ａｒｅ ｓｏ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ： ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ；ｆｉｅｌｄ－ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｔｏｒｑｕｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
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当电机对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子 气隙中建立起旋转磁场，其转速为:
n
ns
60 f p
rpm
式中f —电源频率； p—定子极对数； 转子为永磁体且n与ns相同（同步）； 磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数。 磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。由于电磁感应作用，闭合的
2.2 永磁同步电机的应用案例
基于永磁同步电机上述众多优势，特别在目前国家“节能减 排”的大背景下，其应用前景极为广阔。随着永磁体及永磁同步 电机控制技术的日益成熟可靠，其应用范围基本上可以覆盖目前 应用电机所有领域。
12 伺服系统概述
电梯领域 永磁同步电机产生较小的谐波噪声，应用于电梯系统中，可以
12 伺服系统概述
（2）电机结构简单灵活。由于异步电机转子上需要安装导条、 端环或转子绕组，大大限制了异步电机结构的灵活性，而永磁同步电 机转子结构设计更为灵活，如对铁路牵引电机，可以将电机转子的磁 钢可直接安装在机车轮对的转轴上，从而省去了减速齿轮箱，结构大 为简化。
由于永磁同步变频调速电机参数不受电机极数的限制，便于实现 电机直接驱动负载，省去噪音大，故障率高的减速箱，增加了机械传 动系统设计的灵活性。
（3）可靠性高。从电机本体来对比，永磁同步变频调速电机与 异步电机的可靠性相当，但由于永磁同步电机结构的灵活性，便于实 现直接驱动负载，省去可靠性不高的减速箱。在某些负载条件下甚至 可以将电机设计在其驱动装置的内部，从而可以省去传统电机故障率 高的轴承，大大提高了传动系统的可靠性。
12 伺服系统概述
图1-2 旋转磁动势波形图
12 伺服系统概述
2. 永磁同步电机的优势与应用
2.1 永磁同步电动机的优势
我国电动机保有量大，消耗电能大，设备老化，效率较低。永 磁同步电动机(PMSM)具有体积小、效率高、功率因数高、起动力矩 大、力能指标好、温升低等特点。
12 伺服系统概述
永磁同步电机相比交流异步电机优势： （1）效率高、更加省电。由于永磁同步电机的磁场是由永磁 体产生的，从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗。 永磁同步电机的外特性效率曲线相比异步电机，其在轻载时效 率值要高很多，这是永磁同步电机在节能方面，相比异步电机最 大的一个优势。 由于永磁同步电机功率因数高，这样相比异步电机其电机电流 更小，相应地电机的定子铜耗更小，效率也更高。 永磁电机参数，不受电机极数的影响，因此便于设计成多极电 机，这样对于传统需要通过减速箱来驱动负载电机，可以做成直 接用永磁同步电机驱动的直驱系统，从而省去了减速箱，提高了 传动效率。
AGV列车—V150，创下列车速度世界新纪录574.8km/h。
2015年6月24日，历时11年，累计1000万次试验，积累150G数据， 耗资1亿元，中国中车旗下株洲电力机车研究所有限公司攻克了第三 代轨道交通牵引技术，即永磁同步电机牵引系统，掌握完全自主知 识产权，成为中国高铁制胜市场的一大战略利器。
永磁同步电机及转子磁场定向矢量控制
电气工程 王俊鹏
12 伺服系统概述
永磁同步电机结构和工作原理 永磁同步电机的优势与应用 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的控制方式 PMSM的转子磁场定向矢量控制 总结
12 伺服系统概述
1. 永磁同步电机的结构和工作原理
1.1 永磁同步电机（P M S M ）的结构 ermanent agnetic ynchronous achine
（5）起动力矩大、噪音小、温升低。永磁同步电机在低频的时 候仍能保持良好的工作状态，低频时的输出力矩较异步电机大，运行 时的噪音小。
转子无电阻损耗，定子绕组几乎不存在无功电流，因而电机温升 低，同体积、同重量的永磁电机功率可提高30%左右；同功率容量的 永磁电机体积、重量、所用材料可减少30%。
12 伺服系统概述
转子导体内将产生感应电流。这个电流产生的磁场和定子绕组产生的旋转 磁场相互作用产生电磁转矩，从而使转子（永磁体）“跟着”定子磁场旋 转起来，其转速为n。如果能改变定子三相电源的频率和相位,就可以改变 转子的速度和位置。
12 伺服系统概述
为了使得永磁同步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,使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采 用短距分布式绕组,能最大限度地消除谐波磁动势。
（4）体积小，功率密度大。永磁同步变频调速电机体积小，功 率密度大的优势，集中体现在驱动低速大扭矩的负载时，一个是电机 的极数的增多，电机体积可以缩小。
电机效率的增高，相应地损耗降低，电机温升减小，则在采用相 同绝缘等级的情况下，电机的体积可以设计的更小；电机结构的灵活 性，可以省去电机内许多无效部分，如绕组端部，转子端环等，相应 体积可以更小。
图1-1 定子三相对称绕组结构
1）永磁同步电机的结构主要包括定子、转子及测量转子位置的传感器。 2）定子采用三相对称绕组结构，它们的轴线在空间彼此相差120度。 3）转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极。 4）位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器 。
12 伺服系统概述
1.2 永磁同步电机的工作原理
带来更佳的舒适感。
Hale Waihona Puke 12 伺服系统概述电动汽车 伴随汽车工业的急速发展，环保问题也越来越严重，为了解决上
述问题，并且大幅改善燃油经济型，毫无疑问就是使用电动汽车。永 磁同步电机以其高效率、高功率因数和高功率密度等优点，正逐渐成 为电动汽车驱动系统的主流电机之一。
12 伺服系统概述
轨道交通领域 2007年，阿尔斯通公司研发的新一代永磁牵引电机系统的高速
12 伺服系统概述
家电行业领域 由于永磁电机在低运转时效率极高，可以有效的降低频繁启动
的损耗，是实现家电节能的较佳技术途径之一。
12 伺服系统概述
船舶电力推进领域 推进电机是船舶综合电力系统的重要组成部分、永磁同步推进电
机具有体积小、重量轻、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠 性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择。
12 伺服系统概述
3. 永磁同步电机的数学模型
3.1 在静止坐标系下的数学模型
电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简 化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设：