第 1 章 绪论
1.1 研究的背景和意义
如今，伴随着经济发展逐步全球化的趋势，科技水平亦逐步提升，电力逐渐成为工业发展和人们日常生活中不可缺少的动力来源，顺应时代的发展，电机在人们的日常生活中也变得不可或缺。因此电机很快的在全球各地得到了广泛应用。近些年来，它大大提高了人们生活的质量水平，加快了社会文明的发展速度。其中，由于直流电机的可靠性低，制作工艺过于复杂，致使在某些要求较高的场合及领域不可以使用直流电机。相比于其它电机，永磁同步电机因为其具有结构简单、损耗小、可靠性高、效率高等特点不但被广泛应用在电扇、冰箱、洗衣机等民用设备，还应用在数控机床[1]、机器人[2]、新能源汽车[3]、航空航天[4]等每一个新兴领域[5]。
由于近些年来，新兴领域的发展受到了极大的关注，例如：无人机、新能源、机器人等。然而，作为它的主要驱动力电机的发展也备受研究者们的重视。众所周知，对于工控行业来说，电动机的组成部分也十分重要，电动机的控制性能会直接影响到工控行业的运作品质，从而会对后期的发展领域产生影响。在工业的发展过程中，电机的种类变得越来越丰富，对于不同的电机来说，其优势也大不相同，因此对于不同优势的电机可以满足不同行业的需求。达尔文曾经在进化论里面表达过这样的意思：世间万物都不是一成不变的。因此，只有不断的取得进步才是顺应时代发展的前提条件，故而对电机控制技术方面的要求也在逐步提高。当传统的直流电机已经满足不了工业需求以后，永磁同步电机凭借自身的优点，在各大领域的应用中脱颖而出。根据交流电的供电方式 PMSM 设计出了鼠笼式的转子结构，不仅能够运用在直流励磁电机，还可以实现拖动电机的功能。但是随着技术的不断更新进步，这种结构的转子在永磁同步电机中几乎用不到了。不过，该结构却没有完全消失，只是再也不用通过外界向其提供直流励磁了。同时，将直流电机的控制方式引入到交流电机中，从而极大程度的降低了控制成本并简化了系统结构。另外，永磁同步电机还有一个优点，它是没有电刷和机械换向器的，这样可以减少机械损耗导致的性能、下降，同时也消除了定期维护和更换电刷消耗的成本，提高了电机运行的可行性，从而，促使了交流电机鼎盛时期的到来[6]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 三相永磁同步电机的研究现状
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)是一种交流电机，具有结构简单、损耗小、效率高、可靠性也相对较高等特点。它主要从两个方面发展，一是从使用材料方面发展，二是从电机的控制方式方面发展。在同步电机、异步电机、直流电机三大电机系统中，永磁同步电机因其自身优势在各领域得到广泛的应用。中国是世界上利用磁最早的国家，约在公元前 2500 年左右就已经有关于磁的记录。顺应时代趋势，永磁材料产业的发展领域在不断地扩张，逐步开始与航空航天、通信技术、自动化设备等行业联系起来，因此对该电机的研究意义重大[8]。
图 1-1 按永磁体形状分类
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第 2 章 永磁同步电机矢量控制系统
2.1 三相 PMSM 基本结构
通过永磁体提供励磁而运作的电机就是永磁同步电机，这样会使得电机的结构比较简单，去掉了电刷和机械换向器，从而降低了成本，加强了电机的工作效率。并且三相 PMSM 加入三相对称的正弦波电流后将会得到同样是正弦波的感应电动势，这样会减少转矩脉动。由此，三相 PMSM 应用范围越来越广，故而了解其内部结构是有必要的。构成永磁同步电机的两大基础部件分别是：定子和转子。定子由定子铁芯、三相绕组和机座构成，并且连接方式都是“△”型和“Y”型。区别之处就在于永磁同步电机具有独特的转子结构，它的转子具有高质量的永磁体磁极，从而取代了一般电机的电励磁。普通电机的信息通常是通过电机输出末端的传感器得到的，而永磁同步电机由于它的结构特点可以实现无传感器控制并获取相关信息。
由于，永磁体所放位置的不同，通常会将 PMSM 分为内置式、面贴式两大类，如图 1-2 所示。接下来分别对转子的三种结构的优劣进行分析：
面贴式：即为表贴式，就是将永磁体安放在转子铁芯的表面，气隙也相对均匀，属于隐极结构的 PMSM。因其具有结构简单且转动惯性小等优势，使得更容易对该结构进行优化设计，可以将其气隙磁链密度分布改变成为正弦分布，从而改善电机的使用性能。
内置式：就是将永磁体安放在转子铁芯的内部，属于凸极结构的永磁同步电机。在结构上相对比较复杂，该结构是运用电动机转子的磁路不对称的特征产生的电磁阻力转矩，以此来提升电机运行时的功率密度，进而使得电机的动态性能和面贴式的结构相比有所提高，制作工艺简单，但是相对面贴式来说制造成本过高，漏磁系数也较大。
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2.2 三相 PMSM 的工作原理
三相 PMSM 和其它的同步电机的工作原理大致相同，随着时代的不断进步，PMSM 的运用更为广泛，是一种常用的交流电机。它的启动是通过永磁体、定子绕组以及转子鼠笼绕组三者相互作用产生的磁场后运行的。其工作原理如下：
(1)三相 PMSM 主磁场的建立：让三相的对称电流通入到三相励磁绕组内，由此将会产生旋转的磁场，即为主磁场。
(2)三相 PMSM 的载流导体：让三相绕组作为功率绕组来充当感应电流(感应电动势)的载体。
(3)三相 PMSM 的转矩驱动：通过定子和转子两个旋转磁场彼此之间进行相互作用产生转矩，并因转矩的作用促使转子开始运动，从而达到转矩的驱动作用。
(4)三相 PMSM 电动势的产生：通过磁场与励磁绕组之间的相互作用，将会产生根据周期进行变化的三相对称电动势。
(5)三相 PMSM 的运行：电机运行时，因转子与定子在磁场中的转速不同而产生了转矩。同时，在转矩的作用力下使得转速不断增加，直到该速度趋近于同步转速时，绕组将不再有电流产生，三相永磁同步电机将稳定同步运行。由此可见，三相永磁同步电机的运行的关键在于转矩的产生。
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第 3 章 基于滑模控制器的永磁同步电机控制系统............................. 35
3.1 滑模变结构控制简介 .................................... 35
3.2 滑模变结构控制的基本原理 ....................... 35
第 4 章 基于滑模控制器的永磁同步电机无传感器矢量控制系统.......................... 47
4.1 滑模观测器的简介 ......................... 47
4.2 滑模观测器的设计 ............................. 47
第 5 章 永磁同步电机矢量控制系统实验研究............................ 57
5.1 系统硬件设计 ................................. 57
5.1.1 主回路 .................................... 58
5.1.2 驱动电路 .............................. 58
第 5 章 永磁同步电机矢量控制系统实验研究
5.1 系统硬件设计
如图 5-1 所示为永磁同步电机控制系统硬件框图。
图 5-1 永磁同步电机的硬件系统框图
永磁同步电机为交流电机，主要有三大部分构成，分别为主回路、辅助电路及驱动电路。其中，辅助电路中含有直流母线放电电路、检测电路、保护电路等。该电机的主芯片是由 TI 公司所出厂的 TMS320F28335，选用该芯片集合了 DSP 和些微控制器的优势，芯片上还包含了很多从国外引进的设备，可以更好对电机进行控制，与此同时，还为提高电机的精准度以及反应速度提供了平台。此外，该芯片可以用于永磁同步电机矢量控制系统的实现，并且因芯片内部包含了大容量的闪存器和存储器，进一步提高控制系统的响应速度。总之，该信号处理器因其优势现如今被广泛应用，其中包含：高性能的静态制造工艺、32 位高性能 CPU、片上存储器、外部存储器接口、可设置 56 个独立并且多功能的引脚(GPIO)、拥有128 位密钥、外部的中断扩展功能模块、含有 3 个外部中断和 3 个 32 位 CPU 定时器等。
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结论
随着科学技术的进步以及人们生活水平的不断提高，电机和我们已经形影不离了。由于电机的控制理论在不断的充实使得其控制性能也在不断的提高，但是为了响应国家所提倡的绿色经济，永磁同步电机逐渐出现在人们的视线中并不断因其自身结构简单、损耗小、可靠性高等优点成为焦点。无论在民用设备还是航空航天控制技术均有涉及。
本文是对 PMSM 矢量控制系统控制方式及方法的学习与研究，工作进展以及取得的成果如下：
(1)研究了三相 PMSM-VC 的基本结构及其工作原理，并建立了处在不同坐标系下的数学模型，引入了 SVPWM 技术，并在 MATLAB/Simulink 平台上对该SVPWM 进行系统仿真，验证该方法的相对于传统的永磁同步电机矢量控制在控制性能上有很大的提升。
(2)在控制器方面则是对基于 SVPWM 的 PMSM 矢量控制系统进行改进，设计出滑模控制器并将其引用到永磁同步电机的调速系统中。为进一步提高系统性能，设计了基于双幂次趋近律的控制器。经过仿真实验验证，可知此方法能够有效的减小系统的抖振波动，提高系统的控制性能。
(3)在无传感器控制方面在原来的基础上设计了滑模观测器，并对该观测器的转子位置的两种估计方法分别进行了阐述，包括反正切函数的算法、锁相环的算法。结合两种算法的优缺点，本文选用所设计的反正切函数的算法，并设计了适合的角度补偿，最终建立起三相 PMSM 滑模观测器，并在 MATLAB/Simulink 平台上进行仿真，仿真结果表明了该控制方法可以提高控制系统的精确度，缩小相位差，提高转速响应，改善控制系统的控制性能。总的来说，该方法具有可行性和有效性。
(4) 最后对 PMSM-VC 控制系统进行实验研究，采用了以 DSP 处理器TMS320F28335 为核心的控制器，并绘制了主回路、驱动电路图以及检测电路图，验证了本文所采用算法的可行性。
参考文献（略）