永磁同步电机伺服系统的仿真研究

1、永磁同步电机伺服系统的仿真研究摘 要永磁同步电机具有结构简单、体积小、转矩电流比高、易于散热及维护等优点，在中小功率、高精度、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、机器人等场合获得广泛的应用。所以，研究永磁同步电机伺服系统具有重要的意义。论文针对永磁同步电机基于转子磁链定向矢量控制数学模型，分析矢量控制原理，确立基于id=0的转子磁场定向的矢量控制方案。经过一系列的坐标变换，将电机的转子磁链和转矩解耦，分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，并经过PI调节、电压空间矢量PWM控制实现双闭环控制系统。针对永磁同

2、步电机伺服系统，给出电流、速度、位置等调节器的设计方法，对伺服控制需解决的一些主要问题，给出相应的解决办法。建立伺服系统的仿真模型，运用Matlab中的SIMULINK进行仿真研究给出部分结果，分析相应的结果，得到结论。结论表明,仿真结果和实际理论相一致，通过仿真更好地理解了矢量控制原理，验证SVPWM控制理论实验方法的正确性，从而为系统的实际应用提供依据。关键词 永磁同步电机；伺服系统；Matlab仿真；SVPWMISimulation Research of Permanent Magnet Synchronous Motorservo systemAbstractPermanent ma

3、gnet synchronous motor has the advantages of simple structure, small volume, high torque current ratio, and the advantages of easy to heat and maintain。In the medium and small power, high precision, wide speed range of servo control system of permanent magnet synchronous motor caused the favour of m

4、any research and development personnel, to achieve widespread application its application domain gradually promotion, especially in the aerospace, nc machine tools, robots, etc. So, the study of permanent magnet synchronous motor servo system has important significance. This paper for permanent magn

5、et synchronous motor based on rotor flux orientation vector control mathematical model, analysis of vector control principle, based on id = 0 of the rotor field-oriented vector control scheme. After a series of coordinate transformation, the motor rotor flux and torque decoupling, respectively of st

6、ator current excitation and torque component to control, and pass by PI regulation, voltage space vector PWM control to realize double closed loop control system. For permanent magnet synchronous motor servo system, current, speed, location and the design methods of controller and the servo control

7、to tackle some of the main problems, corresponding solutions are given. Servo system of the simulation model is established, using the SIMULINK of Matlab simulation research shows some results, analysis of the corresponding results, come to a conclusion. Conclusion shows that the simulation results

8、and the actual theory, through the simulation to better understand the vector control principle, verify the correctness of the theory of SVPWM control method, which provide the basis for system software programming. Keywords PMSM; Servo systems; Matlab simulation;SVPWM目录引言1绪论21.1课题背景及研究意义21.2 国内外永磁同

9、步电机伺服系统的现状21.3 永磁交流伺服系统的技术进展31.4 本文的主要研究内容5第2章 永磁同步电机及其数学模型62.1 永磁同步电机的结构和分类62.2 永磁同步电机的数学模型72.3 永磁同步电机矢量控制策略92.4 基于id=0的转子磁链定向控制112.5 本章小结12第3章 永磁同步电机的伺服系统133.1 永磁同步电机伺服系统的设计133.2 电压空间矢量PWM技术183.3本章小结22第4章 PMSM磁场定向控制系统的MATLAB仿真234.1 MATLAB及其工具箱简介234.2 PMSM和测量模块234.3速度和电流调节模块244.4电压坐标变换模块244.5 SVPWM

10、仿真模型的建立254.6电流变换模块294.7 控制系统仿真模型的建立294.8 本章小结31结论与展望32致 谢33参考文献34附录A：外文参考文献及翻译35附录B 主要参考文献的题录及其摘要40插图清单图2- 1永磁同步电机的分类6图2- 2 三相静止坐标7图2- 3两相静止坐标系7图2-4 永磁同步系统伺服系统控制方案12图3-1 伺服系统三闭环动态结构图13图3-2速度环动态结构图16图3- 3位置伺服系统动态结构图17图3- 4 三相电压源逆变器模型19图3- 5 A，B，C三桥臂等效电19图3- 6 基本电压空间矢量21图3- 7 合成新矢量的坐标关系21图4- 1 永磁同步电机、

11、逆变器和测量模块模型24图4- 2 PI 调节器模块24图4- 3 Park逆变换模块25图4- 4 SVPWM内部模块结构图25图4- 5扇区判断模块26图4- 6 X、Y、Z计算模块27图4- 7 T1、T2时间计算模块27图4- 8 开通时间计算模块28图4- 9 PWM生成模块28图4- 10 abc/dq轴坐标变换模型29图4- 11 基于 SVPWM 的永磁同步电矢量控制仿真系统29图4- 12 SVPWM扇形判断模型30图4- 13 SVPWM切换点Tcm波形30图4- 14 转速阶跃响应曲线30图4- 15 转矩响应波形31图4-16 定子电流波形31 表格清单表3- 1 关状

12、态与电压间的关系19表3- 2 开关状态与相电压和线电压的关系20表3- 3 七段式SVPWM生成方案基本矢量选择和开关顺序22表4- 1各扇区与N的对应关系26表4- 2 扇区与向量作用时间关系26表4- 3 不同扇区导通时刻表28 V引 言永磁同步电机具有结构简单、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用1。虽然目前各种伺服系统中直流电

13、机仍然占据很大一部分，但永磁同步电机正逐步取代直流电动机而成为伺服系统的主流。永磁同步电机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本安川电机公司、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。目前，基于永磁同步电机伺服系统研究主要集中在电机数学模型分析方法的研究，现代控制理论以及智能控制策略的研究。论文主要依据永磁同步电机的工作原理及结构特点，矢量控制的原理及数学模型，电压空间矢量PWM技术，伺服系统电流环、速度环、位置环的闭环分析等理论依据。通过运用Matlab中的Simulink对部分模块进行仿真，验证仿

14、真结果与实际理论推导的一致性2。第一章 绪论伺服系统（servo system）是一种以机械位置、角度或者速度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。伺服系统的主要任务是实现执行机构即伺服电动机对位置、角度或者速度指令的跟踪。当给定位置、角度或者速度量随时变化时，系统的输出量能够快速准确无误的跟踪给定量。1.1课题背景及研究意义用于伺服系统中的驱动电动机称为伺服电动机，对它们的基本要求是可控性好、响应速度快、定位准确、调速范围宽等。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流

15、伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动。二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，

16、从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用4。尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应

17、方法等都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等。因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。1.2 国内外永磁同步电机伺服系统的现状虽然目前各种伺服系统中直流电机仍然占据很大一部分，但永磁随着同步电动机正初见取代直流电动机而成为伺服系统的主流。同时随着人们生活和科技水平的提高，伺服系统正在向数字化、高效率化、小型化及高智能化的方向发展。因此,对其中的动力部件电动机也提出了更高的要求。永磁同步电动机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本安川电机公司、Fanu

18、c公司、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。其中美国Kollmorgen公司I.D.（Industrial Drives）工业驱动部分的Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术的最高水平。而国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长，目前我国的华中科技大学、化京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所等厂家单位打破了外国公司完全垄断的格局，并且我国永磁同步电机伺服产品在自动化、加点、电子信息产业等领域迅速得到应用3。现有国内外永磁交流伺服性能主要体现在以下几个方面：1. 采用IPM功率模块和基于DSP的全数字控制成为主流。2. 能实现位

19、置、速度、电流三环控制，电机运动的速度轨迹可以有直线型、梯形以及S形。3. 高速、高精度和高响应速度，速度响应频率最高可达1KHZ。4. 系统低速运行平稳，转速更加平滑。5. 配备抑振算法，对低刚性机械的振动有抑制作用。6. 具有自动调整算法，能自动检测机械负载及惯量的变化从而通过改变伺服增益保持系统性能不变。7. 采用LED显示工作状态和通过键盘进行参数设定。1.3 永磁交流伺服系统的技术进展永磁同步电机伺服系统的发展与微处理器技术、电力电子技术、传感器技术、PWM控制技术、控制理论等密切相关，以下从上述几个方面把握一下永磁同步电机伺服系统的发展脉络5。1.3.1微处理器随着微电子技术的发展

20、，数字信号处理（DSP）以其快速的运算能力、高可靠性和丰富灵活的指令系统成为伺服控制领域的主流控制芯片。作为伺服系统控制核心的DSP除了有中央处理单元，还有片内程序存储器、数据存储器以及片内外设。电机专用DSP芯片具备3：（1）用于定时中断的通用定时器；（2）位置检测用正交编码脉冲电路和计数器；（3）用于过流保护、智能功率模块（IPM）保护、Z脉冲等的外部用户中断，以及事件管理器中断和系统中断；（4）电压、电流检测用ADC模块；（5）内嵌的PWM产生电路和死区设置电路；（6）正反转、启停等用数字IO端口；（7）用于变量显示和参数修改的通讯接口；（8）防止程序“跑飞”或“死机”的看门狗电路；（9

21、）系统保护用复位电路。1.3.2电力电子器件在电机控制中，电力电子器件及其装置时实现弱电控制的关键所在，随着新型可关断器件的实用化，使得高频化PWM技术成为可能。目前，主要采用的功率器件是IGBT和IPM，IGBT的应用使控制系统的性能有了很大提高4：（1）IGBT具有高输入阻抗和低通道压降的优点，驱动电路功率减少，开关器件发热减少；（2）高载波控制，在脉宽调制中利于逆变器输出调制波波形；（3）安全工作区宽、开关时间短,开关频率高，电机控制中可以达到20kHz，使之超过人耳的听觉范围，实现了电机运行的静音；（4）驱动电路简单，保护容易。IPM（智能功率模块）是一种先进的功率开关器件，兼有GTR

22、（大功率晶体管）和MOSFET（场效应晶体管）优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向，IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。1.3.3传感器永磁电机伺服系统为了进行闭环控制，需要有位置、速度和电流传感器等。通常位置传感器要完成系统的转子位置控制检测，而且同时实现电机速度测量，常用的位置传感器有光电编码器和旋转变压器等。光电编码器的优点是数据处理简单、信号噪声容限大、容易实现高分辨率，缺点是不耐冲击及振动、容易受温度变化影响、适应环境能力较差。按脉冲与对应位置关系，分为增光

23、式光电编码器和绝对式光电编码器，前者输出两路正交的方波信号，脉冲对应角位移增量，角位移的基准点由每转输出一个的Z脉冲确定，后者在旋转码盘上制成8-12个码道，用不同的数码指示转子磁极位置。1.3.4 PWM控制技术电压源型PWM技术利用功率开关器件的开通和关断把直流电压变成一系列宽度不等的矩形电压脉冲序列，通过改变脉冲宽度和输出周期实现变压和变频。PWM控制技术大体上课分为三大类：正弦波形PWM、优化PWM和随机PWM。正弦波形PWM按照追求正弦波形的物理量不同，分为电压正弦（即通常的SPWM）、电流正弦PWM（即通常的电流值环控制）和 磁通正弦PWM（即通常的SVPWM）。SPWM分为单极性

24、调试和双极性调制。所谓单极性调制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂仅一个反复通断，而另一个始终截止。 所谓双极性调制是指在输出的半个周波内同一相的两个导电臂互补交替通断。电流正弦PWM的基本思想是把希望输出的电流波形作为指令信号，把实际的电流波形作为反馈信号，通过两者瞬时值的比较来决定各开关器件的通断，使实际输出随指令信号的改变而改变6。SVPWM即空间矢量PWM，它从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。由于该控制方法把逆变器和电机看成一个整体来处理，所得模型简单、便于微处理器实时控制，并具有转矩脉动小、噪声低，直流电压利用率高的优点，因此，成为近年来最受

25、欢迎的调制方法7。1.4 本文的主要研究内容永磁同步电机具有结构简单、体积小、转矩电流比高、易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高，在中小功率、高精度、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、机器人等场合获得广泛的应用。所以，本文针对永磁同步电机基于转子磁链定向矢量控制数学模型，分析矢量控制原理，确立基于id=0的转子磁场定向的矢量控制方案。矢量控制是基于转子坐标系的，经过一系列的坐标变换，将电机的转子磁链和转矩解耦，分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，并经过PI调节、电压空

26、间矢量PWM控制实现双闭环控制系统。针对永磁同步电机伺服系统，给出电流、速度、位置等调节器的设计方法，对伺服控制需解决的一些主要问题，给出相应的解决办法。建立伺服系统的仿真模型，运用Matlab中的SIMULINK进行仿真研究给出部分结果，分析相应的结果，得到结论。第2章 永磁同步电机及其数学模型本章首先介绍了永磁同步电机的基本结构和分类，然后在此基础上对其数学模型进行了深入的研究，给出了永磁同步电机在三相静止坐标系（abc）、两相静止坐标系（-）和两相旋转坐标系（d-q）中的回路电压方程、磁链方程及其转矩方程并进行了坐标变换，为实现永磁同步电机的矢量控制奠定理论基础。2.1 永磁同步电机的结

27、构和分类永磁同步电机主要由定子（电枢）和转子两大部分组成。38永磁同步电机的定子与普通同步电机的定子结构相似，由定子铁心、三相对称绕组、机壳和端盖等部件构成。其中，定子铁心由冲有槽孔的硅钢片叠压而成，定子绕组采用短距分组绕组，目的是最大限度地消除谐波磁动势。另外，为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星型连接。当电枢三相对称绕组通入三相对称电流就可以得到一个圆形的空间旋转磁场。转子是指电动机在运行状态下可以自由旋转的部分，通常由转轴、铁芯、永久磁钢等组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度，转子与通电后的定子绕组相互作用产生电磁转矩以驱动自身的运转。转子铁芯可以做成实心的，也可以

28、用叠片叠压而成，转子铁芯上安装有永磁体。永磁同步电机根据转子磁极对数的不同，分为单级和多级，按其转子结构的不同可以分为三类：凸装式、嵌入式和内嵌式，如图2-1所示。凸装式是将永磁体安装在转子铁芯的表面，因为永磁材料的磁导率很接近空气的磁导率，所以在交轴（q轴）和直轴上的电感基本相同。嵌入式则将永磁体嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直的图2- 1永磁同步电机的分类电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁转矩存在。内填式转子是将永磁体装在铁芯内部，其气隙比较小，适用于弱磁控制。另外，凸装式和嵌入式结构上较简单，转子直径较小，从而境地转动惯量，它有较大的此路气隙可获得低电感值，利于电动性能的改善，一

29、般永磁同步电机多采用这种形式的转子结构。内填式永磁同步电机是将永磁体装于铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般适用于弱磁控制的高速运行场合。当给永磁同步电机的定子通以三相对称的正弦交流电时，则产生圆形旋转磁场，同时永磁体转子产生恒定的电磁场，两种磁场相互作用产生的电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。因此对三相永磁同步电机的控制只需通过对通入定子的电流频率和相位进行控制就可以了，如果采用矢量控制，这将不同于三相异步电动机的控制，不需要对转子进行绕组和坐标变换。因此，三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异步电机的控制要简单得多。2.2 永磁同

30、步电机的数学模型永磁同步电机数学模型有磁链方程，电压方程，转矩方程和机械方程组成，为了简化分析，先忽略一些影响较小的参数，即把电机当做理想电机处理，然后建立在abc坐标系，-坐标系和d-q坐标系下的数学模型并介绍相互变换过程，为永磁同步电机矢量控制提供理论基础。理想电机的基本假设如下：（1）定子三相绕组对称分布、气隙均匀并且忽略电机铁芯的饱和。（2）不计电机的涡流和磁滞损耗。（3）转子上无阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。（4）反电动势波形是正弦的。2.2.1永磁同步电机在各坐标系上的模型（1）三相静止坐标系(abc坐标系)三相永磁同步电机的定子中有三相绕组，其绕组轴线分别为A、B、C，且彼此相

31、差120空间电角度，构成了一个abc三相坐标系，如图2-2所示。空间矢量V在三个坐标轴上的投影分别为VA、VB、VC，代表该矢量在三个绕组上的分量9。 图2- 2 三相静止坐标 图2- 3两相静止坐标系 （2）两相静止坐标系(-坐标系)定义一个两相直角坐标系(-坐标系)，它的轴和三相静止坐标系的A轴重合，轴逆时针超前轴90空间电角度，如图2-3，图中V、V为Vj矢量在-坐标系的投影。由于轴固定在定子A相绕组轴线，故价坐标系亦为静止坐标系10。（3）两相旋转坐标系(d-q坐标系)两相旋转坐标系固定在转子上，其d轴位于转子磁极轴线，q轴逆时针超前d轴90空间电角度，如图2-3所示，该坐标系和转子一

32、起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系11。2.2.2数学模型的公式推算永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也应为正弦波。在转子坐标系（dq坐标系）中的数学模型为：定子磁链方程 （2-1）式中 转子磁钢在定子绕组上的耦合磁链；、dq坐标系的等效电枢电感分量；、dq坐标系上的电枢电流分量定子电压方程 （2-2）式中 、dq坐标系上的电枢电压分量;电枢绕组电阻;转速把式2-1代入式2-2得 （2-3）输出电磁转矩 （2-4）把式2-1代入上式可得 （2-5）式中 电动机对数机械运动方程 （2-6）式中 转子机械角速度； 电机与负载的转动惯量之和；负载转矩 dq坐标系的旋转角频

33、率（即转子电角速度）和电机转子机械角频率的关系为 （2-7） 对普通的永磁同步电机，在=时，凸极转矩项为零。由式2-5、2-6和2-7写成状态方程形式见式2-8 =+ (2-8)从式2-8中可以看出，三相永磁同步电机模型中，变量较多，机械角频率和dq轴电枢电流分量、互相耦合，且方程为非线性的，不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。为了提高系统控制性能，必须进行矢量调节。2.3 永磁同步电机矢量控制策略2.3.1矢量控制的基本原理矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。基本思想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生

34、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，实现转矩控制。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。由于定子侧的各物理量（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，因此，需要借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系变换到同步旋转坐标系，在同步旋转坐标系上，各物理量都变成直流量，根据转矩与定子电流矢量各分量的关系，计算转矩控制所需的被控矢量的各分量值。由于各直流量是假想的，实际上不存在，还必须经过坐标逆变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把所需的直流给定量变换成交流给定量。2.3.2 矢量控制的坐标变换矢量

35、控制中所用的坐标系有静止坐标系和旋转坐标系。静止坐标系有：三相定子坐标系（abc轴系），两相定子坐标系（-轴系），由固定在定子上和a轴重合的轴和逆时针超前90的轴组成。旋转坐标系为转子坐标系（dq轴系），各坐标系间的关系如图2-1,2-2所示。1112所涉及的坐标变换有：Clarke变换（abc）、Park变换（dq）、Clarke逆变换（abc）和Park逆变换（dq）。Clarke变换也称为32变换，其逆变换称为23变换。根据各坐标矢量间的关系，得到变换矩阵为：abc变换 （2-9）对于三相绕组不带零线的星形接法，有电流间的平衡关系：，即，代入式2-9有：abc变换 （2-10）dq变换

36、（2-11）dq变换 = （2-12）变换中使用的系数是保证电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小相等、方向相同和电机模型变换前后遵循功率不变这两个基本原则。2.3.3 矢量控制策略分析根据矢量控制原理，在不同的应用场合可选择不同的磁链矢量控制作为定向坐标轴。目前存在四种磁场定向控制方式：转子磁链定向控制，定子磁链定向控制，气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。对于PMSM主要采用转子磁链定向方式，该方式对交流伺服系统等小容量驱动场合特别适合。按照控制目的可以分为：id=0控制14、=1控制13、总磁链恒定控制、最大转矩电流控制15、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。它们各有各的特

37、点：id=0控制最为简单，=1控制可以降低与之匹配的变频器容量，恒磁链控制可以增大电动机的最大输出转矩等。（1）id=0控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没有直轴去分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功角和电动机端电压均随负载而增大，功率因数低，要求逆变器的输出电压高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转矩为0，未能充分利用永磁同步电机的力矩输出能力，电机的力能指标不够理想。（2）力矩电流最大控制在电机输出力矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，

38、逆变器损耗也最小。同时，运用该控制方法由于逆变器需要的输出电流小，可以选用较小运行电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因此该方法是一种较适合于永磁同步电机的电流控制方法。缺点是功率因数随着输出力矩的增大下降较快。 （3）=1控制方法使电机的功率因数恒为1，逆变器的容量得到充分利用。但是在永磁同步电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输出力矩小，退磁系数大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因数和效率的下降。（4）恒磁链控制方法就是电机定子

39、电流，使气隙磁链与定子交链磁链的幅值相等。这种方法在功率因数较高的条件下，一定程度上提高了电机的最大输出力矩，但仍存在最大输出力矩的限制。以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的场合。本课题选择的id=0转子磁链定向矢量控制方案相对于其他控制方法而言最简单易行，而且该控制方法凸装式永磁同步电机来说也是力矩电流比最大控制，具有相应的优良特性，因此使得电机的调速更容易实现。2.4 基于id=0的转子磁链定向控制所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的M轴定向在转子磁链矢量上，并与它同步旋转，T轴逆时针超前M轴90电角度，即M轴与转子的几何轴线d轴重合，T轴和q轴重合。由于MT轴系和dq轴系重合，

40、MT轴系的同步电动机数学模型实际上也是dq轴系上的数学模型。把矢量在d、q轴上分解，并考虑到转子磁链定向，可以得到转子磁链方程 （2-13）转矩方程 （2-14）式中 电动机的极对数；、电动机的结构参数同步电动机转子磁链定向控制时，转矩只与转子磁链及定子电流的转矩分量（）成正比，且和相互解耦，彼此独立，只要很好地控制转子励磁电流和定子电流的励磁分量，保持转子磁链幅值恒定，则电磁转矩只受定子电流的转矩分量控制，这样同步电动机的矢量控制变频调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质。由式2-13可知，转子磁链和、的关系复杂。为了简化控制系统，可把定子电流矢量始终控制在T轴（q轴）上，即定子

41、电流无M轴（d轴）励磁分量，=，即=0，那么转子磁链为一恒定值，电磁转矩只与定子电流的幅值成正比。PMSM采用id=0的转子磁链定向控制后，电动机的转矩方程为 (2-15)此时，转矩和电流成线性关系，只要对进行控制就达到了控制转矩的目的。并且，在凸装式永磁同步电机中，保持id=0可以保证用最小的电流复制得到最大的输出转矩。17通过以上分析，只要能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，只要控制定子电流的幅值，就能很好的控制电磁转矩，这和直流电动机的控制原理类似。本课题正是采用的这种控制策略。综合以上各节的理论阐述和分析，可以得出永磁同步电

42、机的伺服控制方案如图 2-4 所示，其伺服控制的主要思想是16：(1) 根据位置速度传感器返回的速度信息，计算所需速度和实际速度 的偏差作为速度 PI 控制器的输入，它的输出就是所需的电流分量。(2) 将采样获得的相电流经过 Clarke 变换和 Park 变换转换为 dq 坐标系中的实际电流，然后与所需的电流分量进行比较，将偏差输入到电流 PI 控制器，从而由电流 PI 控制器输出所需的电压分量。(3) 把电流 PI 控制器输出的电压分量经过 Park 逆变换到然后输入到空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块中，从而产生一组新的 PWM 波，并结合三相逆变器将重新生成的三相定子电压矢量送入到永磁

43、同步电机中，使电机能按照新的速度指令进行运转，由此完成了整个系统的速度伺服控制过程。图2-4 永磁同步系统伺服系统控制方案2.5 本章小结矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。永磁同步电动机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速和定位控制。在永磁同步电机转子dq数学模型的基础上，分析了永磁同步电机矢量控制的原理，给出了id=0基于转子磁链定向方案的特点及实施，确立了采用id=0基于转子磁场定向的矢量控制方案。第3章 永磁同步电机的伺服系统伺服系统与普通的调速系统有着紧密联系但又有明显不同。普通调速系统希望有足够的调速范围、稳速精度和快且平稳的启、制动性能。而位置伺服

44、系统，一般是以足够的位置控制精度(定位精度)和足够快的跟踪速度(最大快移速度)来作为它的主要控制目标。本章将详细介绍永磁同步电动机伺服系统电流、速度、位置调节器的设计及在伺服控制中所用到的控制策略，并进行了仿真研究。3.1 永磁同步电机伺服系统的设计通常永磁同步电动机伺服控制系统由位置环、速度环、电流环三闭环构成，其动态结构框图如图3-1所示1819。图3-1 伺服系统三闭环动态结构图 图中，、分别为位置给定与反馈，、分别为转速给定与反馈，、分别为交轴电流给定与反馈，、分别为电机相电压、相电势(、为等效的直流量），为电机电势系数，为电机极对数，为永磁体的磁链，为电磁转矩与转矩电流的比例系数，、

45、分别为电磁转矩与负载转矩，为电流反馈系数，为电机的转动惯量，B为摩擦系数，为转速反馈系数，、分别为电机定子电阻和电感，、分别为位置、速度、电流调节器。当采用传统PID调节器时，永磁同步电动机伺服控制系统属于多环系统，按照设计多环系统的一般方法来设计控制器，即从内环开始，逐步向外扩大，一环一环地进行设计。首先设计好电流调节器，然后把电流环看作转速环中的一个环节，再设计转速调节器，最后再设计出位置调节器。这样整个系统的稳定性就有可靠的保证，并且当电流环或速度环内部的某些参数发生变化或受到扰动时，电流反馈与速度反馈能对它们起到有效的抑制作用，因而对最外部的位置环工作影响很小。3.1.1电流调节器的设

46、计电流控制20是交流伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速度，改善控制性能的关键。伺服系统要求电流控制环节具有输出电流谐波分量小、响应速度快等性能，因此，需要求得电流环控制对象的传递函数。电流环控制对象为:PWM逆变器（PWM信号形成、延时、隔离驱动及逆变器)、电机电枢回路、电流采样和滤波电路。按照小惯性环节的处理方法，忽略电子电路延时，仅考虑主电路逆变器延时，PWM逆变器看成是时间常数（，为逆变器工作频率)的一阶小惯性环节。电机电枢回路有电阻、为一阶惯性环节。但是电机存在反电势，虽然它的变化没有电流变化快，但对电流环的调节有影响。低速时，由于电动势的变化与电机转速成正比，

47、它相对电流而言，在一个采样周期内，可以认为是一恒定扰动，其低速时数值相对于直流电压而言较小，对于电流环的动态响应过程可以忽略。高速时，因电动势扰动，使外加电压与电动势的差值减小。电机一相绕组有方程: （3-1）由式（3-1）可看出，逆变器直流电压恒定，随转速增加，加在电机电枢绕组上净电压减少，电流变化率降低。因此，电机转速较高时，实际电流和给定电流间将出现幅值和相位偏差，严重时(速度很高时)，实际电流将无法跟随给定。在电流环设计时，可先忽略反电势对电流环的影响。由以上分析，电流环的控制对象即为两个一阶惯性环节的串联，那么此时电流环控制对象为: ， (3-2)式中;为电机电磁时间常数; 为逆变器

48、电压放大倍数，即逆变器输出电压与电流调节器输出电压比值;为等效小惯性环节时间常数，为电流采样滤波时间常数。忽略反电势影响条件及小惯性环节等效条件分别是电流环截止频率，满足式: （3-3） （3-4）其中，为电机机电时间常数，按照调节器工程设计方法，将电流环校正为典型I型系统，电流调节器选为PI调节器。 （3-5）式中，、分别为电流调节器比例系数、积分时间常数。为使调节器零点对消控制对象大时间常数极点，选择=，那么电流环开环传递函数为: （3-6）式中，为电流环的开环放大倍数。为使电流环有较快响应，又不至于有大的响应超调，在一般情况下，希望超调量，选择，可得: （3-7）由此，便可确定电流调节器

49、的参数。对于本文设计的伺服系统而言，电流控制器参数的确定，除了要满足上述典型I型系统的要求，在设计控制器增益时，还有必要考虑以下因素:（1）由于电流控制存在相位延迟，因此，当输入三相正弦电流指令时，三相输出电流在相位上将产生一定的滞后，同时在幅值上也会有所下降，由于这两个原因，一方面破坏了电流矢量的解祸条件，另一方面降低了输出转矩。为了克服这种影响，在对电流相位进行补偿的同时需要增大电流环的增益。(2)由于电流检测器件的漂移误差会引起转速的波动，若提高电流控制器的增益，必然会放大漂移误差，对转速的控制精度产生不利的影响，故不能过分提高电流控制器的增益。(3)考虑到电流控制环节的稳定性，也不宜过

50、于增加电流控制器的增益。(4)过大的电流环控制增益还会产生较大的转矩脉动和磁场噪音。3.1.2速度调节器的设计速度控制21也是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节，其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。从广义上讲，速度伺服控制应具有高精度、快响应的特性。具体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。选择好的三相交流永磁同步伺服电动机、分辨率高的光电编码器、零漂误差小的电流检测元件以及高开关频率的大功率开关元件，就可以降低转速不均匀度，实现高性能速度控制。但是在实际系统中，这些条件都是受限制的，这就要求用合适的速度调节器来补偿，以获得所需性能。由前面分析可知

51、，经校正后的电流环为典型I型系统，是速度调节环的一个环节，由于速度环的截止频率很低，且小惯性时间常数，于是，可将电流环降阶为一惯性环节，闭环传递函数变为： （3-8）降阶的近似条件是速度环截止频率满足条件： （3-9）上式中，由此得速度环动态结构见图3-2。为方便分析，假定速度给定存在与反馈滤波相同的给定滤波环节，结构图简化时，可将其等效到速度环内。另外，电机摩擦系数B较小，在速度调节器设计时，忽略它对速度环的影响，可得速度调节器控制对象传递函数为:图3-2速度环动态结构图 （3-10）式中，为速度反馈滤波时间常数。和电流环处理一样，按小惯性环节处理， 和可合并为时间常数为的惯性环节，=+，得

52、速度环控制对象为: （3-11）式中，。小惯性环节等效条件是速度环截止频率满足: （3-12）可见，速度环控制对象为一个惯性环节和一个积分环节串联。为实现速度无静差，满足动态抗扰性能好的要求，将速度环校正成典型型系统，按工程设计方法，速度调节器选为PI调节器。 （3-13）式中，、分别为电流调节器比例系数、积分时间常数。经过校正后，速度环变成为典型型系统，开环传递函数为: （3-14）式中，为速度环开环放大倍数，定义中频宽，按照典型型系统设计，可得: （3-15） （3-16）针对不同的性能要求，合适地选择中频，即可确定系统的调节器参数。中频段的宽度对于典型型系统的动态品质起着决定性的作用，中

53、频带增大，系统的超调减小，但系统的快速性减弱。一般情况下，中频宽为56时，型系统具有较好的跟随和抗扰动性能。同时在一定超调量和抗扰动性能要求情况下，速度调节器参数可以通过被控对象参数得到。对象参数变化时，为满足原定条件，调节器参数应相应调整。具体的说，当对象转动惯量增加时，调节器比例系数应增大，积分时间常数应增大，以满足稳定性要求;当对象转动惯量减小时，调节器比例系数应减小，积分时间常数应减小，以保证低速时控制精度要求。一般情况下，伺服系统控制对象参数变化范围有限，故可按其变化范围，寻求一折衷值。3.1.3位置调节器的设计由前面分析可得，为设计位置调节器，将速度环用其闭环传递函数代替，伺服系统动态结构如图3-3所示。图3- 3位置伺服系统动态结构图可以看出伺服系统是一个高阶动态调节系统，系统位置调节器设计十分复杂，须对其做降阶或等效处理，抓住主要矛盾，用反应位置环主要特性的环节来等效。考虑到系统速度响应远比位置响应快，即位置环截