文献综述
——永磁同步电机伺服驱动系统
一.前言
自上世纪八十年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速发展，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，在机电一体化、工业自动化、数控机床、大规模集成电路制造、航空航天、雷达和各种军用武器随动系统等方面得到广泛应用。以永磁同步电机作为执行电机的数字交流伺服系统在高精度运动控制和驱动领域得到了越来越广泛的应用。
永磁材料的选择对电机的结构和性能影响很大。目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钴以及钕铁硼三类永磁材料。其中钕铁硼是近年来出现的一种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁密度都高于其他两类永磁材料，且成本比稀土钴低得多，是目前应用最为广泛的永磁材料。永磁材料的发展也对永磁同步电机的应用起着至关重要的作用。
二.正文
1. 交流伺服系统的概念及分类
1.1 概念
伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。
在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。普遍应用的永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机（BLDC），另一类称为三相永磁同步电机（PMSM）。永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高等优点，在要求高性能的伺服领域得到了广泛的应用。永磁同步电机的定子与绕线式同步电机基本相同，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机。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。
1.2 分类
交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和
全数字式伺服。如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步
伺服电动机构成的伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处
在于交流永磁同步电机伺服系统中需要采用磁极位置传感器，而感应电动机伺服系统中含有滑
差频率计算部分。若采用微处理器软件实现伺服控制，可以使永磁同步伺服电动机和鼠笼型异
步伺服电动机使用同一套伺服放大器。
2. 交流永磁同步电机伺服驱动系统国内外发展现状
2.1 交流伺服驱动系统的发展趋势
2.1.1.全数字化
采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP)的伺服控制单元以及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。
2.2.2.采用新型电力电子半导体器件
目前，伺服控制系统得输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的损耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统一经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块(Intelligent Power Module，IPM)。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过电压、过电流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中，其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。
2.2.
3.集成化、模块化
随着电力电子技术、现代控制技术、电机制造技术以及芯片技术的发展，电动机伺服驱动系统的设计水准得到了同步提高，从而出现了许多新的驱动系统的设计方法，在众多设计方法中，“片上系统”设计最引人瞩目，它不仅使得伺服驱动系统的小型化、主控制电路的低功耗成为可能，而且可以将伺服驱动的控制功能和通信监控功能等集成于一块芯片上。现场可编程逻辑门阵列芯片(Field-Programmable Gate Array，FPGA)就是以此方法为基础，成为伺服驱动“片上系统”设计最理想的选择。
2.2.4. 智能化
智能化是指伺服控制系统具有故障自动诊断与分析、参数自整定等功能。控制系统能在线辨识电机参数并根据辨识结果调整控制器参数，当系统出现故障时能够自动判断故障所在并显示。
2.2.5.一体化
一体化是指将电机、控制器以及配套驱动器从设计、制造到运行维护都紧密的联系在一起。2.2.6.通用化
通用化是指用户可以在不改变硬件电路的前提下通过修改参数方便地实现不同的控制方式，如无速度传感器开环矢量控制、永磁交流伺服电动机控制、恒压频比控制、再生控制等。
3.永磁同步电机伺服驱动系统的研究近况
3.1 永磁同步电机的建模和矢量控制
3.1.1 永磁同步电机的结构和特点
近年来，随着PMSM（Permanent Magnet Synchronous Motor）技术的迅速发展，PMSM 呈现出高精度、小体积等特点。在结构上，永磁同步电机由定子和转子构成。定子三相（或多相）对称电枢绕组，嵌放在铁芯齿槽中。转子用永磁体代替了电励磁，永磁体贴在圆筒形的导磁轭上，导磁轭套在转轴上，这种转子结构的设计既降低了转子转动惯量又省去了励磁线圈、电刷及滑环，又克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的限制和损耗。
按照永磁体在转子上的位置不同，永磁同步电机分为凸装式、嵌入式和内埋式三种。前两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的表面，提供径向的磁通，转子直径较小，降低了转动惯量。凸装式转子具有结构简单、制造成本低、转动惯量小等特点，在方波永磁同步电机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电机中得到了广泛的应用。内嵌式转子结构充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，常被调速永磁同步电机所采用。而内埋式转子结构不是将永磁体装在转子表面上，而是将其埋装在转子铁心内部，每个永磁体都被铁心所包容。这种结构机械强度高，磁路气隙小，所以与外装式转子相比，更适用与弱磁运行，故广泛用于要求有异步起动能力或动态性能较高的永磁同步电机。
基于上述结构，永磁同步电机具有以下特点：①气隙密度高；②功率密度高；⑨转矩／惯量比高；④转矩脉动小；⑤调速范围宽；⑥零转速时有控制转矩；⑦高效率、高功率因数；⑧体积小，重量轻，结构紧凑。正是由于上述优点，永磁同步电机逐渐成为中小功率交流伺服系统中执行电机的主流，并广泛地应用于工业自动化生产的各个领域
3.1.2 永磁同步电机的数学模型
在建立PMSM 的数学模型时，提出下列假设：
（1）永磁材料电导率为零，铁芯磁饱和效应忽略；
（2）气隙磁场是正弦分布。定子绕组三相对称；
（3）忽略磁滞和涡流的损耗；
（4）转子上没有阻尼绕组；
如图3.1，A,B,C 是定子上的三相线圈绕组，各个线圈结构夹角为120 度。取d 轴为转子磁
链的方向，在d-q 坐标系中，建立电动机的数学模型。
图3.1 PMSM 结构模型
在静止坐标系中，三相电枢电流瞬时值是i A、i B、i C，电枢电压瞬时值分别为U A、U B、U x，
通过旋转变换可以得到d - q 坐标系中对应的电枢电流瞬时值i d 、i q 和电枢电压瞬时值U d 、U q 。
cos cos(2/3)cos(2/3)2sin sin(2/3)sin(2/3)3A d B q C U U U U U ??π?π??π?π????-+????=??????-+????????
(3-1) cos cos(2/3)cos(2/3)2sin sin(2/3)sin(2/3)3A d B q C I I I I I ??π?π??π?π????-+????=??????-+????????
(3-2) 上式中的φ为转子磁链与A 相绕组之间的电角度。在d- q 坐标系下，旋转角频率为ωR ,电动机的磁极对数为P n ，定子三相电感等效到d -q 坐标系的电枢电流分量和电枢电感分别为i d 、i q 和L d 、L q ，电压分量和磁链分量分别为U d 、U q 和ψ d 、ψq 。三相PMSM 具体数学模型可表示如下：
2()3d d a d q r q
q a q d r d d d f q q q m n q d q d U p R i U p R i L i L i T P i i ψψωψψωψψψψω=+-??=++??=+?=???=-?
(3-3) 上式中R a 为定子绕组内阻；ψ f 是转子磁链，是恒定不变的； p 为微分因子； T m 为输出的电 磁转矩。
3.1.3 永磁同步电机的矢量控制
矢量控制理论为实现交流电机高性能控制开辟了新的方法。矢量控制的基本思想是将电机定子三相电流矢量等效变换为定子两相坐标下的转矩电流分量和与之成正交关系的励磁电流分量，使其控制模型等效于直流电动机。两个电流分量彼此独立，可以分别对他们进行调节。在转矩控制的原理上，交流电动机和直流电机一样，它仍是对电流矢量的相位和频率的控制。
永磁同步电机的电磁转矩基本取决于i d 和i q ，故对转矩的控制最终可归结为对i d 和i q ，的控制。当系统要求电机输出某特定转矩时，i d 和i q 有多种不同的组合。按照控制目标的不同，永磁同步电机的矢量控制可以分为i d =0控制、cosφ=l 控制、总磁链恒定控制、最大转矩/电流比控制、最大输出功率控制、转矩线性控制、直接转矩控制等。
3.1.3.1 定子三相绕组的Clark 变换
PMSM 的Clark 变换就是将定子电流/电压从静止三相ABC 坐标系等效变换到两相静止直角坐标系α-β中。如图3.2所示。
图3.2 三相到两相的变换
N2为两相定子绕组每相的匝数，N3为三相定子绕组每相的匝数。各相绕组磁动势的空间矢量在相应的坐标轴上，大小为电流和各相有效匝数的乘积。要满足直角坐标系和三相坐标系中的合成磁动势相等，需要三相绕组和两相绕组在任意一坐标系中的投影相同。在α-β坐标系中，可以得到如下平衡关系：
2333
3
11
cos60cos60()
22
3
2sin60sin60()
A B C A B C
B C B C
N i Ni Ni Ni N i i i
N i Ni Ni i i
α
β
?
=--=--
??
?
?=-=-
??
(3-4)
可得到三相静止坐标到两相静止坐标的变换
2/3
11
1
222
333
22
A A
B s s B
C C
i i
i
i C i
i
i i
α
β
?????
--
??
??????
??
==
??????
-
??
??????
????
?
??
(3-5)
3.1.3.2 定子两相静止绕阻的Park变换
Park变换即两相静止坐标通过变换矩阵等效到两相旋转坐标上。当绕组匝数完全相同时，在同步旋转M、T坐标系下产生的合成磁动势的速度和大小同在α-β坐标系下相同。如图3.4所示，给出了坐标系α-β和坐标系M、T的空间关系。分别求出电流i m，i t在α-β坐标系下的投影：
图3.4 三相静止到两相旋转的变换
cos sin
sin cos
m t
m r
i i i
i i i
α
β
??
??
=-
?
?=+
?
（3-6）
Park变换为：
2/2
cos sin
sin cos
m m
r s
t t
i i i
C
i i i
α
β
??
??
-
??????
??
==
??????
??
??????
??
（3-7）
三相定子绕组A、B、C静止绕组经过前面讲述的Clark变换和Park变换后等效变换到两相旋转绕组的变换。d-q是空间旋转坐标系，两相定子正交坐标系α-β与三相定子坐标系OABC为空间静止坐标，d轴相对于A轴旋转角度为θ，如图3.5所示
图3.5 两相静止到两相旋转的变换
两相静止到两相旋转的变换公式为：
3/20cos cos(120)cos(120)sin 2sin(120)sin(120)3222d A A q B s r B C C i i i i i C i i i i θθθθθθ????-+????????-??????=---+=????????????????????
????????
（3-8） 3.1.3.3 PMSM 矢量控制模型
忽略谐波饱和电机涡流和磁滞损耗，根据上面介绍的Clark 变换和Park 变换，永磁同步电机数学模型可写成：
000d a n m a d d n f q a q n m
q a m r n f L U R p L L i i p U R p i p i L L L p T J ωψωωωψ????-????????????????????=---+??????????????????????-??????????
（3-9） 上式中：d U ，q U 为直、交轴电压，a R 为定子绕组的内阻，L 为直轴和交轴的等效电枢电感，n p 为三相同次同步伺服电机极对数，m ω为电机机械角速度，L T 为负载转矩，J 为电机和负载的总转动惯量，p 为微分算子d dt
，f ψ为转子磁链，忽略粘滞阻尼系数B 。 由式3-9可以看出，PMSM 是一个多变量控制系统，d i 和q i 具有耦合关系。由于两者存在耦合，d i ，q i ，r ω不能独立调整，这使系统不能线性化控制。采用d i =0控制，解决了这一难题。
图3.6 定、转子磁动势夹角为直角时情况
如图3.6所示，F 1，F 2分别为定子磁势和转子磁势，?’ 为两磁势之间的夹角。具体分析如下：经过转子磁链定向以后，转子磁链在T 轴上的投影分量为零。对于永磁同步电机而言，主磁通是由转子产生的，假设定子合成磁动势刚好作用在T 轴上，也就是说，定子T 轴分量等于定子电流大小，而定子M 轴电流为零，即电流为零，即定子合成电流i=i q ，根据一般电磁转矩方程对永磁同步电机电磁转矩进行分析，转子是永磁体，其磁动势F2大小不变，电磁转矩大小主要由定子磁势F 1和两磁势之
间的夹角 ’ 来决定，此时就等效于一台直流电动机。
3.2 交流伺服电机驱动系统的硬件设计
3.2.1 功率驱动主回路
功率驱动主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路。对于中小功率的永磁同步电机驱动器，功率驱动主回路一般采用交-直-交电压型变换器结构。
3.2.2 信号检测及保护电路
信号检测电路的一方面测量永磁同步电机的转速、转子位置以及三相定子电流等运行参数，作为反馈信息输入到控制器成为控制算法的依据，实现系统的闭环控制；另一方面检测各种故障信号，以便及时发现故障并启动保护电路使系统免受损坏。
3.2.3 故障保护电路
在交流伺服系统中，保护电路十分重要，否则有可能损坏元器件与电路板，甚至造成人员伤害，因此设计较好的系统都有比较完善的保护电路。
3.2.4 控制电路
DSP以其高速计算能力和特殊的硬件结构已经在电机控制领域中取代单片机，成为控制系统的核心。TMS320LF2407A是TI公司推出的一款电机控制专用DSP，通过把一个高性能的DSP核与众多的外围电路集成到单片的方案，大大简化了控制电路的设计。40MIPS的处理速度远远超过传统的单片机处理能力，可以满足处理大量数据和复杂算法的要求。内置的两个事件管理器(EV)包含了很多经过优化的、专门用于电机控制的外围电路；两个独立的双向定时／计数器，可用来产生对称或不对称的PWM波形；8路PWM通道；3个带可编程死区和输出极性的全比较单元；用于空间矢量调制的状态机：16通道A／D转换器；正交编码脉冲(QEP)电路等。
3.3 交流伺服电机驱动系统的软件设计
3.3.1 混合编程
TMS320LF2407A的程序既可用TMS320C2xx专用汇编语言编写，也可采用C语言编写。采用汇编语言指令编写的程序具有占用存储单元少、执行速度快、可直接对端口操作等优点，但需要对DSP 内部操作比较了解，而且汇编语言编写的程序不直观，移植性差，这些缺点使其不易掌握，编程效率低。C语言正好相反，易学易用，无需了解DSP底层，它的缺点是代码冗长，运行效率低，即便经过优化，其执行效率也只有汇编程序的60％一80％。而且C语言编写的源程序经过C编译器后，仍然要转化为汇编语言程序。
3.3.2 数据定标
TMS320LF2407A是一种定点DSP，其数值运算的操作数都是16位的整型数。但实际运算过程中的数据大多是小数，要使DSP能处理小数就必须由软件设计者确定数据的小数点位于16位中的哪一位，这就是数据定标。系统软件的核心算法部分采用汇编语言编写，其中会涉及大量定点运算，因此在编程之前，须对参与运算的变量进行数据定标。
3.3.3 变量的标幺值表示法
在电机的数学模型中，各种变量的动态范围相差很大，为了满足所有变量的精度要去，则必须
采用多种Q值格式表示，这将造成程序的混乱，增大程序的开发难度。为了克服上述问题，对系统的各个变量采用标幺值表示。一个数值的标幺值等于它的实际值与基值的比值。当系统处于稳定运行状态时，系统各变量的标幺值均在．1～1之间；当系统处于暂态时，某些变量会超出额定值的倍数(如起动时的瞬时定子电流)，使得标幺值可能会大于1。通常电机控制中的变量不会超过额定值的4倍，也就是说其标幺值不会大于4。
3.3.4 控制算法
控制算法有常规的PI控制算法，模糊自整定的PI控制算法。
三.总结
本综述以永磁同步电机为对象，主要对近5年国内外对永磁同步电机伺服驱动系统的发展方向以及发展趋势进行了研究。重点分析了其数学模型，矢量控制原理以及硬件和软件的设计。认为以后这方面的发展主要可以从以下几个方面进行：
(1).进一步提高速度和位置测量的精确性和快速性，这样可以有效提高系统的稳态精度。
(2)对于位置环的控制策略，本文采用的是比例调节，在一些高精度位置控制场合这种简单的控制方式是无法满足要求的，因此需要进一步研究新型的位置控制策略。
(3)对无位置传感器永磁同步电机伺服系统进行研究可以进一步改善系统的起动性能，而且能够降低系统的成本。
(4)进一步研究高性能的控制策略。
永磁同步电机驱动系统 架线式电机车是煤矿井下和地面原煤运输和辅助运输的重要设备，被煤矿企业广泛应用。由于现有电机车大都采用直流电机驱动，存在维护工作量大、维修费用高、能量损耗大及相关配套人员量大等缺点，致使电机车使用效率低下，使用费用很高。本项目是针对架线式电机车的现状，开发适用以架线式电机车的永磁同步电动机及其控制装置。采用IGBT或IPM实现逆变器主电路，设计优良的IGBT或IPM驱动电路，保证开关器件工作的安全、可靠。选用高性能数字信号处理器为核心，设计专用控制器，实现电机车的传动控制和工艺控制。 本项目研制成功将会给架线式电机车带来全新的变化，大大提高系统的运行效率和控制性能，延长架线式电机车的使用周期，起到节能的效果，也有效减少维修工作量。 1、国内外现状 电机车是煤矿井下和地面广泛应用的运输设备，现在直流电机驱动设备每年使用费用很高。而现有的电机车驱动及其控制技术共有三代五个阶段：第一代技术为串励式直流电动机及其控制：这一代技术又经历了三个阶段，第一个阶段为电阻调速，存在调速性能差（为有极调速）、能耗大、电机易损、机械磨损大，以上问题直接导致维护工作量和维护费用高；第二个阶段为可控硅斩波调速，第三个阶段为IGBT斩波调速，第二和第三阶段相对于第一阶段仅解决了一个无极调速问题，能量损耗相对于第一阶段要小点，但其他问题均没有解决。 第二代技术为三相异步电动机及其控制，主要采用变频技术进行。由于三相异步电动机的效率较低，变频技术在车辆上应用故障高，而且异步电动机起步转矩较低，不符合煤矿电机车运行环境。目前机车应用的异步电动机存在诸多问题，暂不符合大面积推广使用技术条件。 第三代技术为永磁同步电动机及其控制技术，就是现在在做的技术。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积；省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。在交流驱动中，永磁同步电动机具有结构简单、坚固耐用，工作可靠，
文献综述 ——永磁同步电机伺服驱动系统 一.前言 自上世纪八十年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速发展，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统逐步取代直流伺服系统，在机电一体化、工业自动化、数控机床、大规模集成电路制造、航空航天、雷达和各种军用武器随动系统等方面得到广泛应用。以永磁同步电机作为执行电机的数字交流伺服系统在高精度运动控制和驱动领域得到了越来越广泛的应用。 永磁材料的选择对电机的结构和性能影响很大。目前广泛应用于永磁体主要有铁氧体、稀土钴以及钕铁硼三类永磁材料。其中钕铁硼是近年来出现的一种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁密度都高于其他两类永磁材料，且成本比稀土钴低得多，是目前应用最为广泛的永磁材料。永磁材料的发展也对永磁同步电机的应用起着至关重要的作用。 二.正文 1. 交流伺服系统的概念及分类 1.1 概念 伺服来自英文单词Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。 在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。普遍应用的永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机（BLDC），另一类称为三相永磁同步电机（PMSM）。永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，因此具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高等优点，在要求高性能的伺服领域得到了广泛的应用。永磁同步电机的定子与绕线式同步电机基本相同，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机。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。 1.2 分类 交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和 全数字式伺服。如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步 伺服电动机构成的伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。二者的不同之处
永磁同步伺服电机(PMSM) 驱动器设计原理 周瑞华周瑞华先生，中达电通股份有限公司应用工程师。 关键词：PMSM 整流功率驱动单元控制单元 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模拟数字混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺点，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加可靠。现在，高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。后者由两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是技术垄断的核心。 一交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁伺服系统主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通信接口单元、伺服电机及相应的反馈检测器件组成。 其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。我们的交流永磁同步驱动器集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化，是传统的驱动系统所 不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块(IPM)为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软起动电路,以减小起动过程对驱动器的冲击。 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的两个模块，如图1所示。功率板(驱动板)是强电部分其中包括两个单元，一是功率驱动单元用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源；控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心，控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改变逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。
永磁交流伺服电机原理 近年来由于无刷式伺服（马达）电机(brushless servo motor)制造与控制技术的急速发展，再加上大规模集成电路与半导体功率组件的进步，使其商品化产品日益增多，在高性能伺服应用场合如计算机控制数值工具机、工业机器人等，均已逐渐取代了传统式的有电刷的直流伺服电机(dc servo motor)。无刷式伺服电动机主要可分为两大类(表1) (1)无刷式直流伺服电机(brushless dc servo motor)，一般亦称的为永磁式同步电机(PM synchronous motor) 或永磁式交流伺服电机(PM ac servo motor)，(2)感应式交流伺服电机(induction ac servo motor)。 无刷式直流伺服电机采用内装式的霍尔效应(Hall-effect)传感器组件来检测转子的绝对位置以决定 功率组件的触发时序，其效用有如将直流伺服电机的机械式电刷换相(mechanical commutation)改为电子式换相(electronic commutation)，因而去除了直流伺服电动机因电刷所带来的限制。目前一般永磁式交流伺服电机的回接组件多采用解角器(resolver) 或光电解编码马器(photo encoder)，前者可量测转子绝对位置，后者则祇能测得转子旋转的相对位置，电子换相则设计于驱动器内。 表1伺服电机的分类 永磁式直流伺服电动机如图1(a)所示，其永久磁铁在外，而会发热的电枢线圈(armature winding)在内，因此散热较为困难，降低了功率体积比，在应用于直接驱动(direct-drive)系统时，会因热传导而造成传动轴(如导螺杆)的热变形。但对交流伺服电机而言，不论是永磁式或感应式，其造成旋转磁场的电枢线圈，如图1(b)所示，均置于电机的外层，因而散热较佳，有较高的功率体积比，且可适用于直接驱动系统。 交流电机依其扭矩产生方式可分为两大类(1)同步交流电机(synchronous ac motor)与(2)感应交 流电机(induction ac motor)，同步交流电机因其转子可由外界电源或由本身磁铁而造成的磁场与定子的旋转磁场交互作用而达到同步转速，但是感应交流电机的转子则因定子与转子间的变压器效应(transformer effect)而产生转子感应磁场，为了维持此感应磁场以产生旋转扭矩，转子与定子的旋转磁场间必须有一相对运动—滑差(slip)，因此感应电机的转速无法达到同步转速。
同步伺服电机选型手册
简 介
丹佛斯三相交流同步伺服电机采用 欧洲先进的电机制造技术制造。其 定 子绕 组经 特 殊的 不 对 称 磁路 设 计，有效地降低了磁场畸变和磁场 纹波，有良好的低速转矩特性。 转子采用高内禀矫顽力，高磁能积 的钕铁硼稀土永磁材料，具有功率 密度大，温度稳定性好，抗去磁能 力 强的 特点 。 其机 械 结 构 设计 特 别 ，既 最大 限 度地 减 小 了 转动 惯 量，又坚固耐用，并有很高的平衡 精度，故高速运行平稳，噪音低， 振动小。 电机反馈元件为高分辨率绝对值编 码器或旋转变压器，配之与丹佛斯 性能卓越的驱动器FC302及可自由编 程的运动控制器MCO305运行，可完 成高精度速度，定位，位置同步， 电子凸轮控制，应用于 纺织，印 染，包装印刷，塑料，冶金等等行 业。在低速大扭矩应用领域更显示 了其节能潜力。
选型指南
DSM - XXX - TXXXX - SXX - X - X - XX - X
丹 佛斯 同步 伺 服电机 有多种 类型 ; 高速小惯量，低速大扭矩，特别是 采用水或油作冷却媒介的伺服电机 其扭矩可达上万牛，其应用突破伺 服应用的传统领域，可用于诸如石 油采探等特殊行业。 电机技术特点：
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XXX TXXXX SXX X X XX
基座号 额定扭矩 （扭矩值÷10） 额定速度 （速度值 X100） 电源电压（H 400V,L 230V） F 风冷，0自冷 反馈元件 01 旋转变压器 02 Hiperface 绝对值编码器 03 EnDat绝对值编码器 04 SSI绝对值编码器 B机械制动 , 0无制动
X
良好的机械特性 良好的电流-负载线性度，高能量利用率 高响应特性 高过载特性 高可靠性 低惯量 低噪音 可采用自然冷却，内置风扇冷却，水冷或油冷， 可根据实际情况选择。 环境适应能力强，可在恶劣环境下运行 免维护 完备的过载保护（热保护）
一般技术规范
同步永磁伺服电机 永磁材料 钕铁硼。 绝缘等级： F级 （155℃） 安装形式： IM B5 防护等级： IP64 ( 可选IP65,IP67) 冷却方式： 自然冷却、风冷、水冷、油冷 温度保护： PTC130 出轴方式： 直轴埋键 振动等级： N级 （可选R级， S级） 噪声等级： DSM264<65dB(A)
DSM110/DSM130<55dB(A) DSM145/DSM200<60dB(A)
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270V高压大功率永磁同步电机驱动器设计 摘要：近年来270V高压直流供电体制在各种装备上开始大量应用，本文给出了 一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS管组成的高压 大功率永磁同步电机驱动控制方案，详细描述了系统的硬件组成和软件设计结构。试验结果表明，该系统较好的解决了高压供电带来的干扰问题，具有调速性能良好、效率高、抗干扰能力强等特点，满足型号的使用要求。 关键词：270V高压；永磁同步电机驱动器；抗干扰 0 引言 随着我国对高压直流电源系统的深入研究，新一代装备已开始采用270V高压直流供电系统，这种新型电源体制不但具有传输功率大、传输效率高、供电可靠 性高和电源配电重量轻的特点，而且还将大大减小低压直流供电系统的电器设备 的大电流电弧干扰，提高了武器装备的综合能力[1]。 本文给出了一种由TMS320F2812、高精度转子位置速度检测装置及高压MOS 管组成的大功率PMSM驱动控制方案，详细叙述了系统的硬件组成和软件设计结构。并在此基础上，设计了一套大功率PMSM驱动控制系统，该系统具有调速性 能良好，效率高等特点，满足型号的使用要求。 1 系统总体设计 1.1 永磁同步电机（PMSM）数学模型 永磁同步电机由于具备小体积、高效率及功率密度、调速性能良好等优点得 到了越来越广泛的应用。PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和 转矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型能够 准确的反应被控系统的静态和动态特性。为方便分析，先做以下假设[2~4]： 1）磁路不饱和，即电机电感大小不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗； 2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； 3）三相绕组完全对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布； 4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； 5）驱动开关管和续流二极管为理想元件。 优化设计后的永磁同步电机经过Park变换后，其dq坐标系下的数学模型可 表示为方程式： 式1.1 式1.2 式1.3 式中：、—定子电压dq轴分量；、—定子电流dq轴分量； —定子电阻；—转子极对数； —转子角速度；—定子电感； —电磁转矩；—永磁体产生的磁链，为常数； 从电磁转矩方程可以看出只要能准确地检出转子空间位置（d轴），通过控 制逆变器使三相定子的合成电流在q轴上，那么永磁同步电机的电磁转矩只与定 子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。 1.2 驱动控制策略 永磁同步电机的控制策略有很多种，如直接转矩控制、转子磁场定向控制等[5~6]，本系统采用转子磁场定向控制，其基本原理是通过坐标变换，在转子磁场 定向的同步坐标系上对电机的磁场电流和转矩电流进行解耦控制，使其具有和传
无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。本质上，无刷直流电机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的交流永磁同步伺服电机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制方式。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。最后明确一个概念，无刷直流电机的所谓“直流变频”实质上是通过逆变器进行的交流变频，从电机理论上讲，无刷直流电机与交流永磁同步伺服电机相似，应该归类为交流永磁同步伺服电机；但习惯上被归类为直流电机，因为从其控制和驱动电源以及控制对象的角度看，称之为“无刷直流电机”也算是合适的。 无刷直流电机通常情况下转子磁极采用瓦型磁钢，经过磁路设计，可以获得梯形波的气隙磁密，定子绕组多采用集中整距绕组，因此感应反电动势也是梯形波的。无刷直流电机的控制需要位置信息反馈，必须有位置传感器或是采用无位置传感器估计技术，构成自控式的调速系统。控制时各相电流也尽量控制成方波，逆变器输出电压按照有刷直流电机PWM的方法进行控制即可。 本质上，无刷直流电动机也是一种永磁同步电动机，调速实际也属于变压变频调速范畴。 通常说的永磁同步电动机具有定子三相分布绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证感应电动势波形为正弦，外加的定子电压和电流也应为正弦波，一般靠交流变压变频器提供。永磁同步电机控制系统常采用自控式，也需要位置反馈信息，可以采用矢量控制（磁场定向控制）或直接转矩控制的先进控制 策略。 两者区别可以认为是方波和正弦波控制导致的设计理念不同。 最后纠正一个概念，“直流变频”实际上是交流变频，只不过控制对象通常称之为“无刷直流电机”。 仅对电机结构而言，二者确实相差不大，个人认为二者的区别主要在于： 1 概念上的区别。无刷直流电机指的是一个系统，准确地说应该叫“无刷直流电机系统”，它强调的是电机和控制器的一体化设计，是一个整体，相互的依存度非常高，电机和控制器不能独立地存在并独立工作，考核的也是他们整体的技术性能。而交流永磁同步电机指的是一台电机，强调的是电机本身就是一台独立的设备，它可以离开控制器或变频器而独立地存在独立地工作。 2 从设计和性能角度上看，“无刷直流电机系统”设计时主要考虑将普通的机械换向变为电子换向后如何还能保持机械换向电机的优点，考核的重点也是系统的直流电机特性，如调速特性等；而交流永磁同步电机设计主要着重电机本身的性能，特别是交流电机的性能，如电压的波形、电机的功率因数、效率功角特性等。 3 从反电势波形看，无刷直流电机多为方波，而交流永磁同步电机反电势波形多为正弦波。
永磁同步电机控制系统仿真模型的建立与 实现
电机的控制 本文设计的电机效率特性如图 转矩(Nm) 转速(rpm) 异步电机效率特性 PMSM 电机效率特性 本文设计的电动汽车电机采用SVPWM 控制技术是一种先进的控制技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗，能有效降低脉动转矩，适用于各种交流电动机调速，有替代传统SPWM 的趋势[2]。 基于上述原因，本文结合0=d i 和SVPWM 控制技术设计PMSM 双闭环PI 调速控制。其中，内环为电流环[3]，外环为速度环，根据经典的PID 控制设计理论，将内环按典型Ⅰ系统，外环按典型Ⅱ系统设计PI 控制器参数[4]。 1. PMSM 控制系统总模型 首先给出PMSM 的交流伺服系统矢量控制框图。忽略粘性阻尼系数的影响， PMSM 的状态方程可表示为 ??????????-+????????????????????----=??????????J T L u L u i i P J P L R P P L R i i L q d m q d f n f n m n m n m q d ///002/30//ωψψωωω& && (1) 将0=d i 带入上式，有 ???? ??????-+??????????? ??? ??--=????? ?????J T L u L u i J P P L R P i i L q d m q f n f n m n m q d ///02/3/0ωψψωω& && (2) 转 矩 (N m )转速 (n /(m i n )) 效率 转速 (rpm) 转矩 (N m )
1．课题背景及意义 1.1课题研究背景、目的及意义 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[1][2]。 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[3]。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，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][5]。 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 - 1 -
永磁同步伺服电机驱动器原理： 1、引言： 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交 流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着 长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交 流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成 了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单； （2）定子绕组散热快； （3）惯量小，易提高系统的快速性； （4）适应于高速大力矩工作状态； （5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满 足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已 经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方 法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能 的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁同步交流伺服电动机 和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器 硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是 国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2、交流永磁伺服系统的基本结构： 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口 单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中 伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的 交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于 高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统 的驱动系统所不可比拟的。
基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统 1 引言 永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。 高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。 永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步
电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。
图1 电流id、iq和转矩te关系曲线 2 永磁同步电动机的数学模型 首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。 为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设： (1)忽略电动机铁芯的饱和； (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗； (3)转子上没有阻尼绕组； (4)电动机的反电动势是正弦的。 这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：
永磁同步伺服电机（PMSM）驱动器原理 来源：开关柜无线测温 https://www.doczj.com/doc/a518994439.html, 摘要：永磁交流伺服系统以其卓越的性能越来越广泛地应用到机器人、数控等领域，本文对其驱动器的功能实现 做了简单的描述，其中包括整流部分的整流过程、逆 变部分的脉宽调制（PWM）技术的实现、控制单元相应 的算法等三个部分。 关键词： DSP 整流逆变 PWM 矢量控制 1 引言 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术及控制技术等支撑技术的快速发展，使得永磁交流伺服技术有着长足的发展。永磁交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得永磁交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。永磁交流伺服系统具有以下等优点：（1）电动机无电刷和换向器，工作可靠，维护和保养简单；（2）定子绕组散热快；(3)惯量小，易提高系统的快速性；（4）适应于高速大力矩工作状态；（5）相同功率下，体积和重量较小，广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合，满足了传动领域的发展需求。 永磁交流伺服系统的驱动器经历了模拟式、模式混合式的发展后，目前已经进入了全数字的时代。全数字伺服驱动器不仅克服了模拟式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等确定，还充分发挥了数字控制在控制精度上的优势和控制方法的灵活，使伺服驱动器不仅结构简单，而且性能更加的可靠。现在，高性能的伺服系统，大多数采用永磁交流伺服系统其中包括永磁
同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。伺服驱动器有两部分组成：驱动器硬件和控制算法。控制算法是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分，也是在技术垄断的核心。 2 交流永磁伺服系统的基本结构 交流永磁同步伺服驱动器主要有伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其结构组成如图1所示。其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等等。我们的交流永磁同步驱动器其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域，还体现了强大的智能化、柔性化是传统的驱动系统所不可比拟的。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，事项数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。 图1 交流永磁同步伺服驱动器结构 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。如图2所示功率板（驱动板）是强电部，分其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。 控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，
基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真 随着电动机在社会生产中的广泛应用，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、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步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，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park 变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM的控制信
交流伺服永磁电机选型手册 1,2016
警告和操作注意事项 1. 拆装光电编码器，否则破坏编码器与电动机绕组的相对位置(零点)而致使电动机无法运行! 2.在正常气候条件下，用500V兆欧表测量电动机绕组对机壳的绝缘电 阻,其值不应小于20MΩ。 3.按本使用说明书所述的电动机与驱动单元接线方式正确连接，确保 保护接地牢固可靠。 4.电动机从零速至最高速空载运行,应无异常噪声和震动，方可投入负 载运行。 5.电动机运行中，切勿接触运转中的电动机轴以及电动机外壳。 6.具有相应资格的人员，才能调整、维护电动机。 7.不得拖拽电线（缆）、电动机轴搬运电动机。 8.用户对产品的任何改动本公司将不承担任何责任。 本使用说明书由最终用户收藏。 1
伺服电机为自冷式散热方式，安装时请选择足够大的安装板。 伺服电机长期工作，机体本身会有一定的温度，这是正常情况。 装配了失电制动器的伺服电机，其失电制动器的电源必须由驱动器控制开闭，否则会造成工作状态不佳。 2
伺服电机内装精密反馈元件，严禁重力敲击电机轴伸端及后部。 严禁随意更改、折装及加工电机部件。 工作运行环境 1.海拔高度不超过1000m。当海拔高度超过1000m时，需考虑到 因空气冷却效果减弱对部分性能指标的影响。 2.环境温度在-10℃~+40℃的范围内。 3.空气相对湿度≤90%(无凝露)。 4.AC稳态电压值为(0.85~1.1)×额定电压值。 3
伺服电机型号说明 安装及联线 U、V、W为伺服电机绕组线圈引线端。4
绝对值编码器定义: 注意：60制动器有极性要求:“2”接“+”,“3”接“-”, 使用电压:DC 24V 80、90、110、130制动器接DC 24V. 150、180制动器有DC24V和DC100V两种，具体使用电压看电机标签. 5
在各类驱动电机中, 永磁同步电机能量密度高, 效率高、体积小、惯性低、响应快, 有很好的应用前景。永磁电动机既具有交流电动机的无电刷结构、运行可靠等优点, 又具有直流电动机的调速性能好的优点, 且无需励磁绕组, 可以做到体积小、控制效率高, 是当前电动汽车电动机研发与应用的热点。 永磁同步电动机( PMSM)系统具有高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性以及低噪声的特点, 通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能, 提高电动机的调速范围, 因此在电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。 作为车辆电驱动系统的中心环节, 驱动电机的总体性能是设计研制技术的关键之一。根据车辆运行的特殊环境以及电驱动车辆自身的特点, 对驱动电机的技术要求主要是: ( 1)体积小、重量轻; 有较高的功率和转矩密度; ( 2)要求在宽速域范围内, 电动机和驱动控制器都有较高的效率; ( 3)有良好的控制性能以及过载能力, 以提高车辆的起动和加速性能。 永磁同步电机的功率因数大, 效率高, 功率密度大, 是一种比较理想的驱动电机。但正由于电磁结构中转子励磁不能随意改变, 导致电机弱磁困难, 调速特性不如直流电机。目前, 永磁同步电机理论还不如直流电机和感应电机完善, 还有许多问题需要进一步研究, 主要有以下方面。 1) 电机效率: 永磁同步电机低速效率较低, 如何通过设计降低低速损耗, 减小低速额定电流是目前研究的热点之一。 2）提高电机转矩特性 电动车驱动电机要求低速大转矩且有一定的高速恒功率运行范围, 所以相应控制策略的研究也主要集中在提高低速转矩特性和高速恒功率特性上。 1.低速控制策略: 为了提高驱动电机的低速转矩,一般采用最大转矩控制。早期永磁同步电机转子采用表面式磁钢, 由于直轴和交轴磁路的磁阻相同, 所以采用 id= 0 控制。控制命令中直轴电流设为 0, 从而实现最大转矩控制。随着同步电机结构的发展, 永磁同步电机转子多采用内置式磁钢, 利用磁阻转矩增加电机的输出转矩。id= 0 控制电机电枢电流的直轴分量为 0, 不能利用电机的磁阻转矩, 控制效果不好。目前, 永磁同步电机低速时常采用矢量控制, 包括气隙磁场定向、转子磁链定向、定子磁链定向等。 2.高速控制策略: 为了获得更宽广的恒功率运行范围, 永磁同步电机高速运行通常采用弱磁控制。另外, 在电机采用低速转矩控制和高速弱磁控制的同时, 还要考虑如何
新能源汽车永磁同步驱动电机性能提升分析 2017-02-15磁材在线磁材在线 通过分析永磁材料磁特性、转子结构形式、电枢绕组方式和控制策略对永磁同步驱动电机性能的影响。选用具有高剩磁感应强度、高内禀矫顽力和高最大磁能积的钕铁硼稀土永磁材料，采用稳态性能好、功率密度高的内嵌永磁钢转子。槽满率高、铜材消耗少、齿槽转矩小的分数槽集中绕组以及直接转矩弱磁扩速控制策略．给出了提升新能源汽车永磁同步驱动电机性能的最优设计方法。 引言 目前世界范围内能源严重缺乏．生态环境急剧恶化，环境保护问题日益突出，发展低碳经济迫在眉睫，新能源汽车成为全球节能与环保领域里最受推崇的新兴产业。汽车电气化技术提高更受人们关注。而作为混合动力汽车和纯电动汽车“发动机”的驱动电机．成为直接关系新能源汽车性能与节能减排的核心部件。永磁同步驱动电机具有高功率密度、高效率、脉动转矩小和较宽的弱磁调速范围，是节能、环保新能源汽车驱动电机的最佳选择。为了更好发挥永磁同步驱动电机的价值，本文在继续突破永磁材料研究瓶颈的基础上，优化电机结构设计，提升永磁同步驱动电机性能，推进新能源汽车更好地发展。 1永磁材料对永磁同步驱动电机性能的影响 近年来，永磁材料发展迅速、种类繁多，目前最常用的主要种类有：铁氧体永磁材料、铝镍钴永磁材料和钕铁硼稀土永磁材料等。永磁材料的发展历程如图1所示。
铁氧体永磁材料的突出优点是不含稀土元素和钴、镍等贵重金属，价格低廉，制造工艺简单，矫顽力大，抗去磁能力强，密度小，质量轻。但铁氧体永磁材料硬而脆，不能进行电加工，生产出来的电机功率小、效率低。铝镍钴永磁材料的特点是温度系数低、剩磁感应强度高、矫顽力低．易充磁和去磁，但含有钴这种贵重金属，所以价格很高。钕铁硼稀土永磁材料以其优异的磁性能成为永磁材料的主力军，其磁性能远超过铁氧体和铝镍钴等其他磁性材料。新一代钕铁硼永磁材料发展至今，其室温下剩余磁感应强度曰，已达到147 T。内禀矫顽力巩最高可超过1 000 kA／m，最大磁能积(BH)高达398 kj/m，为铁氧体永磁材料的5～12倍、铝镍钴永磁材料的3～10倍。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，在高温下使用时磁损失较大，热稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性差，因此要根据磁体的使用环境来对其表面进行涂层处理．以满足车用环境要求。
基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真随着电动机在社会生产中的广泛应用，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、机器人等场合已获得广泛的应用。我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富，稀土资占全世界的80％以上，发展永磁电机具有广阔的前景。 第一章永磁同步电机的矢量控制原理 1.1 永磁同步电机控制中应用的坐标系 交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。 永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小。 1.1.1系统中的坐标系 1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系) 其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间
电角度，构成了一个U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。 2)两相定子坐标系(α-β坐标系) 两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α-β坐标系。它的轴α和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。由于α轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α-β坐标系也是静止坐标系。 3)转子坐标系(d-q坐标系) 转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。 矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke 变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。 1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换） 三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为α轴，由α起逆时针旋转90°作β轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（α-β）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生的磁动势。如图1.1所示。
硕士学位论文 二0一五 年 六 月 作者姓名 指导教师 学科专业 控制工程 电动汽车用永磁同步电机控制系统设计 Design of permanent magnet synchronous motor control system for electric vehicle
摘要 本文在开始先介绍了研究电动汽车的背景及其意义，并介绍了电动汽车在国内外的发展现状，然后从电动汽车的燃油经济性，驱动性，安全性及舒适度，三个方面分析了电动汽车比其他燃料汽车存在的优越性。电动机是电动汽车的核心部件，本文中从其驱动方式把电动机分为四大类，直流有刷电动机，永磁同步电动机，永磁无刷直流电动机和开关磁阻电动机。本章从工作原理与性能方面分析了，这四种电动机各存在的优点和不足。从中得出永磁同步电动机是电动汽车比较理想的选择。本文刚开始介绍了永磁同步电动机PMSM的三种不同的控制方式，恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制，并从三者之间比较得出，PMSM采用直接转矩控制DTC的方式有着比其他两者更好的稳定性。 随后从永磁同步电动机PMSM的结构及其特点，分析了其优越性，并建立数学模型，根据空间矢量坐标关系推导出PMSM的在各坐标系下DTC的原理。本章分析了定子磁链与电磁转矩的估算和滞环控制，通过其原理研究了开关表控制的方式，并对PMSM的直接转矩控制DTC的Matlab/Simulink仿真，最终得出了DTC 较其它控制方式的稳定性。 其次分析了永磁同步电机PMSM的直接转矩控制DTC存在的诸多缺点，并提出基于SVM技术的SVPWM的控制方式，即空间矢量调制DTC控制策略，通过Matlab/Simulink仿真，得出SVPWM比PMSM DTC有着更好的稳定性。 TI公司推出的TMS320F2812 DSP芯片的控制系统设计，从硬件电路的设计和软件的设计，两个方面研究了该芯片。DSP硬件方面包含了智能模块的自保护特性，并设计了检测电路，保护电路，驱动电路和CAN通信等模块，软件系统方面分析了，其初始化流程图，接收流程图等。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；DSP；SVPWM