目 录
1 绪论............................................................................................................................ 6
1.1 永磁同步电机.................................................................................................. 6 1.2 永磁同步电机控制系统................................................................................. 8 1.3 本文主要工作................................................................................................. 9 2 永磁同步电机的工作原理和数学模型.................................................................. 11
2.1 永磁同步电机的结构和类型....................................................................... 11 2.2 永磁同步电机的工作原理........................................................................... 11 2.3 坐标变换....................................................................................................... 12 2.4 永磁同步电机的数学模型........................................................................... 12 3 永磁同步电机的控制系统...................................................................................... 17
3.1 有传感器控制与无传感器控制................................................................... 17 3.2 矢量控制....................................................................................................... 17 3.3 直接转矩控制............................................................................................... 19 4 永磁同步电机控制系统的建模和仿真.................................................................. 22
4.1 Matlab/Simulink软件................................................................................ 22 4.2 永磁同步电机的建模方法........................................................................... 22 4.3 PI控制模块的建模和仿真.......................................................................... 24 4.4 坐标变换模块的建模和仿真....................................................................... 25 4.5 SVPWM模块的建模和仿真............................................................................ 28 4.6 电机与逆变器模块的建模和仿真............................................................... 37 4.7 永磁同步电机控制系统的仿真................................................................... 38 5 总结与展望.............................................................................................................. 42 参考文献...................................................................................................................... 43 致谢.............................................................................................................................. 44
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1 绪论
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是用稀土永磁体代替励磁绕组构成的一种新型的同步电机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动。PMSM无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此使用方便，可靠性高。所以由PMSM组成的系统已广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域[1]。
控制电动机的关键是转矩的控制，然而感应电动机的转矩与气隙主磁通，转子电流、转子内功率因数有关，而这些量都是转差率S的函数，它们相互藕合，互不独立，并且又都是难以控制的量。因此，要在动态中控制感应电机的转矩是比较困难的，对于同步电机，更是如此。于是各种新型控制策略的提出为永磁同步电机的动态控制起到了很大的作用，同时在实际运用中，出现的各种问题也为控制策略的进步与发展起到了重要的影响[2]。
1.1 永磁同步电机
1.1.1 永磁同步电机的发展
美国、日本和德国是开发永磁同步电动机起步较早的国家。早在20世纪50年代，美国GE公司就研制了一批数百瓦的微型永磁同步电动机。那时，这种电机是在鼠笼转子中加装铁氧体永磁，但由于这种磁钢的磁能积和剩磁密度都很低，其功率因数虽然提高较多，但效率提高较少；西德西门子公司，经过10多年的研究，采用不同的结构型式和铁氧体永磁材料，开发了多种用途的永磁同步电动机。例如用于化纤设备的高速永磁同步电动机，用于变频器供电的永磁同步电动机。
1973年国际上出现了第一次能源危机，石油、燃料、电力不断涨价，能耗最严重的美国首当其冲。1975年联邦能源局对电动机的节能潜力和高效电动机的发展前景进行调查分析。1976年该公司提交了一份题为《能量的效率与电动机》的报告，引起了美国工业部门的广泛重视。一时间，许多电机厂、研究所和大学相继开发了高效率异步电动机(效率比一般异步电动机高)，并纷纷研制高效率、高功率因数的永磁同步电动机和“功率因数控制器”等各种节能装置。可见，永磁同步电动机是一种高效节能产品已成为人们的共识，并已引起世人的广泛关注。70年代后期，发展微型和小型永磁同步电动机已呈世界性趋势。
60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料相继问世，
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钐钴材料的优异磁性能给永磁电机的发展注入了新的生机。但是，钐、钴均为稀有金属，产量极少，因此，钐钴磁钢的价格昂贵，使永磁同步电动机的价格也相应提高。
1978年，法国CEM公司采用瑞士BBC公司生产的低稀土20钐钴磁钢，研制成功新型永磁同步电动机，电机的中心高63～160mm，共8个机座号，功率0.37～18.5kW，共10个规格。与三相异步电动机相比，该系列电机的效率提高百分之四～百分之十，其功率因数很高，功率因数平均提高0.072，电机价格约增高百分之三十五。这种电机特别适于大范围同步调速的化纤、纺织工业，也广泛用于水泵、风机等连续调速运转的机械。而超出的价格可以从1～2年电费的节省中得到补偿。
我国对永磁同步电动机的研究起步较晚，但发展迅速。相继研制成功高效率、高起动转矩的稀土永磁同步电动机。1986年，上海电器科学研究所开发出化纤用外转子永磁同步电动机，这是一种用于涤纶、维纶长丝高速纺机，作变速卷绕头传动装置的专用电机，调速范围1500～9000r／min或1500～12720r／min，调速平稳，性能稳定，运行可靠。转矩有1.05N·m、2.35N·m、3.60N·m等13个规格，可替代进口电机。 1.1.2 影响永磁同步电机发展的因素
（1） 高性能永磁材料的发展
在1983年问世的钦铁硼永磁材料，由于磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证，所以在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼永磁材料)方面具有十分有利条件，又由于我国的钦铁硼永磁材料特性水平为世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是不仅简化了结构，还消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积:省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。
（2） 新型电力电子技术器件和脉宽调制技术应用
电力电子技术是信息产业和传统产业间的重要接口，也是弱电与被控强电之间的桥梁。自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。由于半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，其极大地推动了各类电机的控制。70年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调速创造了条件。同时也对同步电动机而言解决了起动问题。对最
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新的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中不可缺少的功率环节。
（3） 电子技术和控制理论的发展
集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，大规模集成电路和计算机技术的发展完全改变了现代永磁同步电动机的控制。随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器发展很快，性能日益改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器。这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。它们的飞速发展也促进了电机控制理论的发展与创新[4]。 1.1.3永磁同步电机的特点与优点
（1） 永磁同步电机的特点
? 电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就
能控制电机的转速。
? 永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机
转矩的扰动具有较强的承受能力。
? 永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转
速下保持同步运行，调速范围宽。 （2）永磁同步电机的优点
? 明显的节能效果。永磁同步电机用永磁体代替电励磁，无励磁损耗，
由于定、转子同步，转子铁心没有铁耗，因此永磁同步电机的效率比电励磁同步电机和异步电机要高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无功，提高了电机的功率因数。通过实验对比证明，永磁同步电机比异步电机节电，效率高。
? 稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少，成为高密度、高效率的
电机。
? 转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性。
1.2 永磁同步电机控制系统
永磁同步电机控制的出现是永磁电机发展过程中两种不同开发路线汇合的结果。一条路线是早期发展的可直接起动的带有转子鼠笼绕组的永磁电动机，这种电机是为直接由公用交流电网供电的方式运行设计的。这种特殊类型的混
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