摘 要

随着电力电子技术、微电子技术、永磁材料及控制理论等技术的快速发展，以永磁同步电机（PMSM）为控制对象的交流控制系统得到了越来越广泛的关注。PMSM广泛地应用在数控机床、工业机器人等工业自动化设备中。PMSM矢量控制系统具有直流电机控制系统不可比拟的优越性，因此，研制高性能、高可靠性的PMSM矢量控制系统具有重要的现实意义。本文围绕PMSM矢量控制系统的开发而展开，主要研究工作如下：

本文在充分了解了PMSM的结构及工作原理的基础上，根据坐标变理论，建立了PMSM的数学模型。随后对PMSM矢量控制原理以及SVPWM控制算法进行了一定的研究。最后，对PMSM控制系统在电流控制策略上，本文优先采用了滞环电流控制方法，在MATLAB/Simulink中搭建了三相PMSM的滞环电流控制仿真模型，仿真结果表明，系统具有较好的动态特性，但是系统的抗扰动能力有待提升。此后，在此基础上又对模型进行了改进，电流控制方法上，采用了PI电流控制方法，仿真结果表明，系统的具有较好的动态特性和抗扰动能力，能够满足实际电机控制性能的要求。

最后，为了联系实际生产，本人在苏州汇川技术有限公司实习两个月，用公司的高性能矢量型高压变频器HD93对PMSM进行控制实验,实验结果很好的验证了仿真结果。

关键词：永磁同步电机，矢量控制，SVPWM，滞环电流控制，PI电流控制，HD93

Abstrat

With the rapid development of technologies such as power electronics, microelectronics, permanent magnetic materials and control theory, the AC control system with permanent magnet synchronous motor (PMSM) as the control object has received more and more extensive attention. PMSM is widely used in industrial automation equipment such as CNC machine tools and industrial robots. PMSM vector control system has superiority that DC motor control system can not match. Therefore, it is of great practical significance to develop high performance and high reliability PMSM vector control system. This article focuses on the development of the PMSM vector control system. The main research work is as follows:

Based on the full understanding of the structure and working principle of PMSM, this paper establishes the mathematical model of PMSM based on the theory of coordinate transformation. Subsequently, a certain research was conducted on the principle of vector control of the PMSM and the SVPWM control algorithm. Finally, for the current control strategy of the PMSM control system, this paper firstly adopts the hysteresis current control method. In the MATLAB/Simulink, a three-phase PMSM hysteresis current control simulation model is built. The simulation results show that the system has good dynamic characteristics, but the system's anti-disturbance capability needs to be improved. Afterwards, on the basis of this, the model is improved. The current control method adopts the PI current control method. The simulation results show that the system has better dynamic characteristics and anti-disturbance ability and can meet the requirements of actual motor control performance.

Finally, in order to contact the actual production, I practiced for two months at INOVANCE,and used the company's high-performance vector-type high-voltage inverter HD93 to control the PMSM. The experimental results verified the simulation results well.

Keywords: PMSM，Vector control，SVPWM，Hysteresis current control，PI current control，HD9

目 录

摘 要 I

Abstrat II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 矢量控制技术国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第二章 永磁同步电机的工作原理与数学模型 6

2.1 永磁同步电机的工作原理 6

2.1.1 永磁同步电机的结构 6

2.2 永磁同步电机的数学模型 7

2.2.1 坐标变换 7

2.2.2 数学模型 8

2.3 本章小结 9

第三章 永磁同步电机矢量控制原理 10

3.1 矢量控制原理 10

3.1.1矢量控制的四种基本方案 10

3.1.2 永磁同步电机的控制系统 11

3.2 SVPWM控制算法原理 12

3.2.1 SVPWM基本工作原理 13

3.2.2 SVPWM控制方法 13

3.2.3 基本电压空间矢量合成 14

3.2.4 任意电压空间矢量合成 16

3.3 本章小结 17

第四章 永磁同步电机矢量控制仿真系统的设计 18

4.1基于滞环电流控制的PMSM矢量控制系统设计 18

4.1.1 滞环电流控制方案的实现 18

4.1.2 转速调节器的设计 18

4.1.3 电流调节器的设计 19

4.2基于PI电流控制的系统设计 20

4.2.1 控制方案的实现 20

4.2.2 坐标变换的设计 20

4.2.3 SVPWM算法模块的设计 21

4.2.4 转速调节器的设计 23

4.2.5 电流调节器的设计 23

4.3 本章小结 23

第五章 永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真 24

5.1 控制系统仿真模型的建立 24

5.1.1 基于滞环电流控制的三相PMSM矢量控制系统的仿真模型 24

5.1.2 基于PI电流控制的三相PMSM矢量控制系统的仿真模型 24

5.2 仿真实验结果分析 25

5.2.1基于滞环电流控制的三相PMSM矢量控制系统仿真结果 25

5.2.2基于PI电流控制的三相PMSM矢量控制系统仿真结果 26

5.3 本章小结 27

第六章 永磁同步电机矢量控制系统的实验验证 28

6.1 永磁同步电机的矢量控制与恒压频比控制性能对比 28

6.2 本章小结 29

第七章 总结与展望 30

7.1 总结 30

7.2 展望 30

参考文献 32

致 谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

19世纪20年代，世界上制造出了第一台电机，这台电机就是永磁体励磁的永磁电机。后来由于铝镍钴永磁材料的出现和铁氧体永磁材料性能的提高，各种微型及小功率永磁电机便纷纷在市场上出现。

铝镍钴永磁电机是一种兴起较早的电机，由于铝镍钴永磁体有较高的剩余磁感应强度、温度系数小、居里温度高、热稳定性好、抗氧化能力强、耐腐蚀性强和加工性能好，20世纪30年代问世以来，在军事工业的精密电机中一直占有重要地位。而在一些产品中，最常见的是铁氧体励磁的永磁直流电机，它们主要用作日常生活中的家用电器、电动玩具、汽车电器及电动工具等方面驱动电机。

20世纪60年代后期及70年代，稀土永磁电机开始出现，但这些稀土永磁电机研究与开发的重点基本是航空、航天和性能要求高的场合。到了20世纪80年代以后，钕铁硼永磁材料价格相对下降，钕铁硼永磁电机研究和应用也得到了很大发展。首先是在小功率电机及微特电机领域中发展最快，国外工业发达国家，特别是日、美、德、英等国家投入了大量资金竞相开发，不少产品已投入大规模工业化生产。生产的产品广泛应用于音响、计算机外部设备、打印机、打字机、传真机、钟表及仪器仪表中，从所用电机种类看，小功率步进电机、交直流伺服电机及音响电机居多。

中大型永磁电机近年也得到很大发展，但国外钕铁硼电机在中大型功率产品方面报道很少，我国是在中大型钕铁硼永磁电机方面研制比较早的国家。不论是 永磁励磁机，还是永磁同步电动机等方面均获得不少成就。我国高校和科研单位，如上海电器科学研究所（集团）有限公司、中国科学院电工研究所、沈阳工业大学、西北工业大学等单位均做出了一定的贡献。

1971年，德国学者Blaschke和Hasse提出了矢量控制（Vector Control）理论，并将之应用于交流调速系统中，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。自从磁场定向矢量控制技术提出后，交流电机的控制性能有了质的飞跃。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耦控制，兼顾磁场和转矩的控制，克服了交流电机自身耦合的缺点。永磁同步电机与普通电流励磁电机相比，具有电机转子磁极的位置易于检测，其坐标变换算法相对简单的优点，因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电机的控制领域也得到了广泛应用。

现在，在直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，永磁同步电机因其性能优良和结构多样，在工农业生产制造、日常生活以及航空航天事业等领域中得到广泛的应用。为使得电机有较好的控制性能，需要使用变频器对永磁同步电动机进行驱动和控制。因此，研究如何在通用变频器上实现永磁同步电动机矢量控制具有非常重要的实用价值。

1.2 矢量控制技术国内外研究现状

随着永磁同步电机的机械结构的优化及控制技术的快速发展，相应控制策略的应用也在逐步成熟，比如在实际控制中经常见到的SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法。然而，在实际应用场景中，各种单独的控制策略的应用都存在着一定程度的不足，比如电机低速运行状态下的控制效果不特别理想，实际对电机控制时电机参数要求的精确性较高等。

针对上述在实际控制中所存在的问题，1971年，德国学者提出了矢量变换控制的新概念，这一概念在很大程度上改变了交流电机控制技术的研究方向和控制效果。而后，随着电机制造技术以及电机控制相关技术，比如微电子、计算机技术以及电力电子等的发展，对电机的矢量控制技术形成了进一步的提升和推广。矢量控制理论起初的应用方向是三相感应电动机，在后续的发展中其应用场合扩展到了三相永磁同步电机领域。由于在三相感应电机运行时，转子的发热会导致转子参数发生变化，而转子参数基本决定了电机转子磁场的观测效果，所以转子参数随着温度的变化导致电机转子磁场观测结果的不准确性，这就使得电机的实际控制效果与理论分析所得到的结果会受到温度的影响有较大的出入，这是矢量控制在实际应用中的制约性缺点。而永磁同步电机的转子采用永磁体作为材料，转子参数相对来说比较固定且不受温度变化的影响，因此能很好地解决上述感应电机中存在的问题，这使得矢量控制策略下的永磁同步电机在小功率和高精度的场合可以得到更加广泛的应用。

时至今日，矢量控制技术已经非常成熟，大家把这种技术衍生出来的产品称为变频器。各国也争相研究出符合各种工况的变频器，国外这方面比较突出的要数德、日、美等国家。

目前，欧洲对变频器的EMC要求非常之高。没有滤波器的变频器在欧洲肯定是很难销售的。大部分变频器都内置了滤波器，也有外部连接的，danfoss的变频器还可以装配漏电流检测装置。非常多的变频器会有一个系列安装了前端断路器。对于小功率（30KW以下）的风机泵类控制，欧洲普遍采用驱动器与电机的一体化设计。如下图1.1所示。

图1.1 变频电机一体机组成的泵站系统

日本安川推出的矩阵式变频器，通过18个IGBT的开关变换，取消了直流支撑回路，技术比较先进，但是成本较高。如下图2.1所示。

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