基于dsp的永磁同步电机控制系统的分析与设计

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1、·武汉理工大学硕士学位论文位越来越高，受到了前所未有的重视，重要性可想而知。永磁同步电机的英文缩写为PMSM，它命名的由来主要是以下原因：电励磁系统也就是转子部分，使用的是永磁体，没有励磁绕组、电刷和集电环等装置，定子基本上与同步电机没有什么区别[4]。目前，永磁材料有很多种，常用的有铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。永磁材料对于电机的结构和性能影响很大，永磁同步电机的永磁体常用的是一种全新的铷铁硼稀土永磁材料。铷铁硼稀土永磁材料的成本较低，矫顽力和剩磁都很高，不易碎，有良好的机械性能，所以该材料的应用十分广泛。永磁同步电机的转

2、子结构一般采用的是插入式、内装式两种，很少采用面装式，其原因就在于这两种结构增强了可靠性，降低了励磁磁通，永磁体体积变得很小，电机运行速度快，这样以来也就降低了成本，扩大了速度范围[1]。1.3.2PWSM的基本控制方法对直流电机来说，我们可以对其进行独立控制，其原因在于它的电枢磁场和主磁场在空间上是垂直关系。然而，对于交流电机来说，我们就不能进行独立控制，因为它的电枢磁场和主磁场两者之间在空间上不构成垂直关系。由于两个磁场在空间上不成90度角，造成两者之间相互影响，因此，交流电机的转矩控制性能相对来说不是很佳。经过对交流电机及控制的长期深入研究，目前可以把交流电机的控

3、制方法分为以下几种，下面对这几种控制方法进行较为详尽的阐述。(1)恒压频率比控制法它是低成本的开环控制方法，具有无位置传感器。根据给定的控制系统，以控制输出电压被转换成一个所期望的值（一般采用的是SVPWM技术），使得在一定的转速运行电机。此种控制方式比较简单，一般不能获得特别理想的动态控制性能，而且功率因数和效率都会在一定程度上降低，因此，它常用于性能要求不是很高的调速系统中，特别是低速性能要求不是很高的一些调速系统。究其原因，没有高速性能就在于无位置传感器开环控制方法的控制。当电压振幅、频率和电机负载不匹配时，不稳定性现象最容易产生。为了解决这个问题，人们提出了很多

4、方法，这些方法能提高系统的效率并且能使系统较好的处于稳定状态。····3····武汉理工大学硕士学位论文(2)矢量控制法此种控制方法的中心思想就是坐标变换。它把旋转的空间矢量（磁链）作为参考坐标系，将定子电流分解成两个正交分量：一个与磁链同向，即为定子电流励磁分量；另一个正交于磁链方向，即为定子电流转矩分量。然后可以独立控制，以获得良好的动态特性，此时的动态性能相同于直流电机。对电机定子电流矢量的幅值、相位进行控制是PWSM的矢量控制的精髓。它与异步电机矢量控制具有异曲同工之妙，就是通过坐标变换，将同步电机等效为直流电机，然后模拟直流电机的控制方法对其进行控制。然而，同

5、步电机与异步电机的结构仍有区别，因此它利用了矢量坐标变换但仍然有其自身的特点。永磁同步电机的不同用途决定了所采用永磁同步电机的电流矢量控制方法也有不同，控制方法主要有以下几种：A．i=0控制法；dB．恒磁链控制法；C．最大转矩/电流控制法；D．弱磁控制法；E．最大输出功率控制法。选取哪种控制方法，主要看设计系统的控制目标，哪种最为有利，就选哪种。(3)直接转矩控制法此种方法是继矢量控制法之后又一新型的高效变频调速技术。它采用空间矢量的分析方法，通过检测到的定子电流、电压，直接计算交流电机在定子坐标系下的转矩并对其进行控制，它不需要间接的通过某些量来进行控制。控制的直接手

6、段就是通过PWM信号来控制逆变器的开关状态[14]。此种控制方式虽然简单，不需要通过繁琐的矢量变换，但是转矩和磁链有脉动，转矩的计算量大，低速性能和带负载能力也比较差，因此，以前在实际应用中不是很受欢迎。近年来，随着科学技术的发展，此种控制方法也得到了改善，应用范围得到了扩展。就目前而言，PWSM的控制系统大多采用矢量控制法，其原因在于矢量控制是闭环控制，控制性能相对来说比较好，技术相对来说也比较成熟。但是，矢量控制对一些量进行测量之后需要形成反馈信号，那么就需要我们采用一些方法来获得理想的值。PWSM转子位置和转速的估计有很多比较成熟的方法，大体上可以分为两种，一种是

7、基于定子电压方程的方法（如龙贝格观测器、····4····武汉理工大学硕士学位论文Kalman滤波器、低频信号）。这种类型的方法具有一定的局限性，容易受到干扰，噪声影响，尤其在高速时很容易受限于反电动势；第二种方法是基于估计的一些非理想的因素，如电机凸极效应（如高频信号注入法）。这类方法具有较好的鲁棒性，适用于低速区，不依赖电机参数。为了进一步减小反馈误差，现在有许多专家和学者提出了基于以上方法的改进算法。从理论上来说，只要我们知道电机绕组电压和电流，就可以很容易导出转子的位置，因此从20世纪90年代以来，无机械传感器的控制法就逐渐成为了