1 引言 (1)
2 永磁同步电机的数学模型 (1)
2.1永磁同步电机的结构 (1)
2.2 永磁同步电机的数学模型 (3)
3 交流伺服系统的几种主要控制策略 (5)
3.1基于稳态模型的控制策略 (5)
3.2基于动态模型的控制策略 (5)
(1)矢量控制 (5)
(2)直接转矩控制 (6)
(3)反馈线性化控制 (6)
(4)自适应控制 (6)
4 永磁同步电机伺服系统的矢量控制 (6)
4.1 永磁同步电机中的坐标变换 (8)
① Clarke变换 (8)
② park变换 (10)
i=0控制原理分析 (12)
4.2
d
4.3控制系统结构及原理 (13)
4.4 空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理 (14)
1 引言
对于一个完整的交流伺服驱动控制系统，是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以功率变换装置为执行机构，在自动控制原理的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转化为机械能，实现运动机械的运动要求。对交流伺服驱动控制系统进行研究，首要问题是对控制对象进行准确而完备的数学描述。 随着永磁材料的不断开发及成熟，永磁电动机在交流伺服系统中拥有了越来越重要的地位。永磁电动机一般在转子或定子上装有永磁磁钢，以产生恒定磁场，由于永磁体可以产生很强的磁场，所以其具有较高的功率密度和较小的体积，从而使得永磁电动机伺服系统具有较高的性能指标，因此被广泛地应用在运动伺服系统中。 2 永磁同步电机的数学模型
2.1永磁同步电机的结构
三相永磁同步电动机 (PMSM)的特点是用永磁体取代绕线式同步电动机转子
中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行。PMSM 的定子与绕线式同步电动机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电动机。 报纸夹带广告永磁同步电动机也由定子、转子和端盖等部件构成。电机的定子指的是电机在运行时不转动的部分。
定子与普通感应电动机基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。电枢绕组既有采用集中整距绕组的，也有采用分布短距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用整距绕组，而三相永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速0n 与定子电流频率f 关系如式(1)所示，其中m P 为电机极对数。
0n =
m P f 60 （1） 永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分。在转子结构上，普通同步电机通常由磁极铁芯、励磁绕组、永磁磁钢及磁轭等部分组成。磁极铁芯由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈N 与S 交替排列。PMSM 是用磁体取代普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，真正实现了无刷化。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。故此，永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。另外与普通同步电机相比，PMSM 还必须装有转子位置检测器，用来检测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制，达到控制PMSM 的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为转子位置检测器，与PMSM 转子同轴连接。
捕滴器
三相永磁同步电动机就整体结构而言，分为内转子式和外转子式；就磁场方向来说，有径向和轴向磁场之分；就定子结构论，有分布绕组和集中绕组，以及定子有槽和无槽的区别；就转子结构看，有凸装式、嵌入式和内埋式三种基本形式，前两种形式又统称为外装式结构。永磁同步电动机与其他电机的最主要的区别是转子磁路结构。下面进行较详细的介绍。
凸装式转子永磁体的几种几何形状如图1所示。其中图1(a)为圆套筒型，图1(b)为瓦片型，图1(c)为扇状型。嵌入式永磁体不是凸装在转子表面上，而是嵌于转子表面下。永磁体的宽度小于一个极距，相邻永磁体间的铁芯构成了一个大“齿”。另外一种转子结构，它不是将永磁体装在转子表面上，而是将其埋
装在转子铁芯内部，每个永磁体都被铁芯所包容，通常称之为内埋式永磁同步电动机。这种结构，机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式转子相比，更适用于弱磁运行。
N N S S N N S
S
N S
N S
图1 凸装式永磁转子
凸装式和嵌入式结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是若将永磁体直接粘接在转轴上，还可以获得低电感，有效改善动态性能。正因如此，许多交流永磁伺服电动机都采用这种外装式结构。
2.2 永磁同步电机的数学模型
永磁同步伺服电机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场相互作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子绕组中通过对称的三相电流时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，同步电机的转速恒为同步转速。于是，定子旋转磁场与转子主极磁场保持相对静止。此即同步的由来。
永磁同步伺服电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势(反电动势)与励磁线圈产生的感应电动势一样，也是正弦的，那么永磁同步伺服电机的数学模型就与电励磁同步电机基本相同。
永磁同步电动机（PMSM ）的定子由三相空间上相差0120的对称绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，用永磁体取代普通同步机的励磁绕组，通常包含两对以上磁极。图1所示为PMSM 的结构模型。图中假定了定子电流的正方向。正向电流流进相绕组产生的正弦分布磁通势波
的轴线就是该相绕组的轴线。假定相绕组中的反电动势的正方向与电流正方向相反。取转子反时针旋转方向为正。
A B C
'
A '
B '
C S N
r ψf
ψ()s s i f 图2 PMSM 结构模型
网络谣言其中f ψ为转子磁场的等效磁链，[]T
s a b c i i i i =为定子电流向量。
BASE MHGLL
永不磨面的为了简化永磁同步电动机的分析过程，可以忽略一些影响较小的参数，假设电机是线性的，参数不随温度等变化，忽略漏磁通的影响，不考虑谐波及磁饱和现象，不计磁滞及涡流损耗，转子无阻尼绕组，永磁材料的电导率为零。则基于各相绕组轴线构成的三相定子坐标系的PMSM 的电压、磁链和电磁转矩方程为
00000
0a a a a b b b b c c c c u i R u R i p R u i ψψψ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎛⎫ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎝⎭⎣⎦⎣⎦⎣⎦ (2) cos cos 0cos120cos 240cos 240cos 0cos120cos(120)cos120cos 240cos 0cos(240)o o o a a o o o o b b f o o o o c c i L i i θψψθψψθ⎛⎫⎡⎤⎡⎤⎡⎤ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+- ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥ ⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦⎝⎭⎣⎦
（3） e n s s T P i =ψ⨯ （4）
式中，a u ，b u ，c u 为三相定子绕组的电压，a i ，b i ，c i 为三相电子绕组的电流，[]T s a b c i i i i =为定子电流向量，a ψ，b ψ，c ψ为三相定子绕组的磁链，
[]T s a b c ψψψψ=为定子磁链向量，a R =b R =c R =R 为定子绕组电阻，p 为微分
算子，f ψ为转子磁场的等效磁链，θ为转子轴线与定子A 项绕组轴线夹角的电气角度，n P 为电机的极对数。
电机的运动方程为
e l m m T T D Jp ωω=++ (5)
式中e T 为电磁转矩，l T 为负载转矩，D 为粘滞摩擦系数，m ω为转子机械角速度,J 为电机和负载的转动惯量之和。
3 交流伺服系统的几种主要控制策略
先进有效的控制策略是伺服系统性能优良的保证，因此本节将对交流伺服系统几种主要的控制策略进行介绍。
3.1基于稳态模型的控制策略
在一些动态性能要求不高的场合，由于开环变压变频控制方式控制规律简单，至今仍在一般调速度系统中普遍应用。恒压频比控制方式是一种开环控制，它根据系统的给定参数，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出out U 进行控
制，使电机以一定的转速运转。但它是依据电机的稳态模型，从而得不到理想的动态控制性能。
3.2基于动态模型的控制策略
doctoers要获得很高的动态性能，必须依据电机的动态数学模型。永磁同步电机的动态数学模型是非线性多变量，它含有角速度ω与电流d i 或q i 的乘积项，因此要得到精确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。近年来，研究了各种非线性控制器，来解决永磁同步电机非线性的特性。
(1)矢量控制
发展方向向前推进了一大步，使交流电机控制理论获得第一次质的飞跃。其基本原理为：以转子磁链的旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。永磁同步电机d q -模型的转矩方程为:
()e f q d q d q T P i L L i i λ⎡⎤=+-⎣⎦ （6）
矢量控制实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。从式(6)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直-交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流空间矢量s
d q i i i =+。也就是说控制d i ，q i 就可以控制转矩，从而控制转速。
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