变频装整流器和逆变器控制系统。在这三种伺服驱动系统中，其逆变器和控制器的功能几乎完全相同，虽然感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些，但由于控制器件价格的不断下降，控制器成本相差不大。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容易散热及维护保养等优点，尤其随着永磁材料价格的下降材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率高精度高可靠性宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电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，特别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。在众多伺服电机应用领域中，各种控制指令由计算机发出后，其动作的实现均由伺服系统来完成。例如用计算机数控系统进给伺服驱动系统和主轴驱动系统组成的数控机床，根据数控系统发出的命令，伺服系统准确而快速地完成每个坐标轴的进给驱动，与主轴驱动配合，实现对工件的高精度加工，驱动系统的性能对零件加工精度以及工件加工效率都有重要的影响。个多功能的高性能数控系统配置与之相适应的高性能伺服系统，才能使整个数控机床的性能得到充分发挥。总而言之，研究和开发高性能的伺服系统，是现代伺服传动应用的关键。在位置伺服系统领域的永磁无刷同步电机，按电枢绕组所流过的电流波形分为两种工作方式。种是永磁无刷直流电动机，其绕组中流过方波或梯形波电流，具有与传统直流电机相媲美的优良调速控制性能，而且不需要机械换向器与电刷，电机和变频器及其控制都比较简单，成本也较低。另种是交流永磁同步电机控制要复杂些。这两种形式的伺服系统在数控系统中均有应用，但是在高精度宽调速范围的伺服驱动应用中，交流永磁同步电机所构成的伺服驱动器正在发挥着重要的作用。沈阳理工大学学士学位论文随着新材料机电体化电力电子计算机控制理论等高新技术的发展，永磁同步电机数字控制的交流伺服系统将会开拓更为广泛的应用领域，能够实现高速高精度高稳定度快速响应高效节能的运动控制。交流永磁同步伺服系统的特点交流永磁同步伺服系统由控制系统变频器和电机组成，它与其它交流伺服系统的区别主要表现在电机上。由于交流永磁同步电机运行时转矩平稳，故在高精度宽调速范围伺服驱动中，伺服系统执行元件基本选用这种类型电机。永磁同步电机伺服系统的基本框图如图所示。其系统是种典型的位置速度电流三环调节系统。图永磁同步电动机伺服系统永磁同步电动机与直流电动机相比，具有无机械换向器和电刷结构简单体积小运行可靠易实现高速运行调速范围宽环境适应能力强易实现正反转切换定子绕组散热容易，不影响传动精度快速响应性能好工作电压只受功率开关器件的耐压限制，可以采用较高的电压，容易实现大容量伺服驱动。永磁同步电机通常可分为正弦波供电永磁同步电机和方波供电无刷直流电机，正弦波供电永磁同步电机又可分为表面式面装式永磁同步电机和内永磁同步电机，其转子结构形式见图所示。本文将研究表面式永磁同步电机所构成的伺服系统。沈阳理工大学学士学位论文表面永磁同步电机内永磁同步电机图永磁同步电机转子的结构针对本文所研究的表面式永磁同步电机以下简称永磁同步电机，其电枢绕组感应的电动势为正弦波，当给电机送入三相对称正弦交流电流时，电机将产生连续的转矩。在与转子同步旋转的坐标系中，选择轴和转子励磁磁场方向相同，超前轴度电角度为轴，则永磁同步电机的电磁转矩可以写成式中符号见第二章的详细说明。公式表明，永磁同步电机的电磁转矩包括两部分是由永磁体励磁磁场与电机定子电流的交轴分量所产生的电磁转矩，这部分转矩，由于永磁体励磁磁链恒定，该转矩正比于电机定子交轴电流分量。是磁阻转矩，它与电机凸极系数有关，与电机直轴和交轴电流乘积成正比。由于本文讨论的同步电机为表面式电机，电机的直轴与交轴电感相等，无凸极效应，自然就不存在磁阻转矩，只有和交轴电流成正比的电磁转矩。永磁同步电动机与感应电动机相比较，具有特点转子没有损耗，具有更高的效率电机体积较小由永磁材料产生气隙磁通，电机功率因素较高在同样输出功率下，所需整流器和逆变器容量较小电机具有较小的转动惯量，快速响应能力好性价比高低速性能好。在感应电动机中，转子电流产生磁通对应于励磁磁通的大小是变化的，且不和定子产生的磁场正交，与定子磁场的相位关系和电机的负载有关。因此，感应电动机的矢量控制比较复杂。而永磁同步电动机的励磁磁通是由永磁体产生，其大小不变，矢量控制情况下，励磁磁场和电枢电流有着固定的相位关系，因而控制比较简单。永磁同步电动机与无刷直流电动机相比较沈阳理工大学学士学位论文,沈阳理工大学学士学位论文摘要对永磁同步电机有矢量控制技术和直接转矩控制技术进行了系统的分析研究，通过对两种控制策略的原理及其使用时的控制性能进行对比分析，指出矢量控制技术可以实现电机交直轴之间的解耦，具有转矩控制的线性特性，能够获得比较平稳的输出转矩，达到比较宽的调速范围。结合伺服传动控制系统的要求，确定永磁同步电机伺服系统的控制方案为矢量控制。电机的转矩控制最终归结为交直轴电流的控制，本文详细讨论了永磁同步电机矢量控制的四种电流控制方法，通过对这四种电流控制方法的转矩控制特性转矩输出能力功率因数特性电流控制特性等进行分析研究，结合本课题所采用的面装式永磁同步电机，选用的转子磁场定向矢量控制方法。根据自动控制理论，详细分析了永磁同步电机伺服系统各组成部分的构成与数学模型，按照自动控制系统调节器的工程设计方法，完成了整个系统三个环节的设计，并对系统进行了仿真，研究了系统的稳定性。详细分析了系统动态性能系统调节器参数之间的关系，以及负载变动对象参数变动对系统各环节的影响讨论了系统控制的应对措施。提出并实现了矢量控制时永磁同步电机的初始定位，保证了伺服系统矢量控制的实现。关键字永磁同步电机转子磁场定向矢量控制伺服系统初始定位沈阳理工大学学士学位论文沈阳理工大学学士学位论文目录绪论课题研究的背景与意义交流永磁同步伺服系统的特点交流永磁同步伺服系统国内外研究与发展概况伺服系统发展历史交流永磁同步伺服系统国内外研究概况交流永磁同步伺服系统的最新研究动向本论文的主要工作永磁同步电机工作原理及数学模型永磁同步交流电机的结构和工作原理永磁同步交流电机结构三相交流电机工作原理永磁同步电机的数学模型控制策略及电流控制方法研究永磁同步伺服系统控制策略选择两种控制方案的简要原理及控制思想两种控制方案的比较永磁同步伺服系统控制方案确定本章小结永磁同步伺服系统的设计主控芯片简介伺服系统电流环的设计电流控制器方案的确定电流控制器的设计滤波电路的设计限流电路设计制动电阻电路设计沈阳理工大学学士学位论文逆变电路设计检测电路设计电流检测电路设计转速及转子位置检测电路设计过压欠压保护电路设计驱动输出与保护电路设计线性隔离电路设计仿真及结果集成环境的介绍集成开发环境的构成集成开发环境的配置和使用仿真结果总结致谢参考文献附录英文原文附录中文对照附录部分源代码沈阳理工大学学士学位论文绪论课题研究的背景与意义近年来，随着电力电子技术微型计算机技术传感器技术稀土永磁材料与电机控制理论的发展，交流伺服控制技术也有了长足的进步，交流伺服系统已经逐步取代直流伺服系统。借助计算机技术现代控制理论的发展，人们有可能做出高精度快速响应的交流伺服驱动系统。近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，都把交流电力传动替代了电液和直流传动。在交流伺服传动领域中，伺服系统有三种构成形式，其执行元件是感应电动机无刷直流电动机和三相永磁同步电动机，所构成伺服系统除以上执行元件外还有变频装整流器和逆变器控制系统。在这三种伺服驱动系统中，其逆变器和控制器的功能几乎完全相同，虽然感应电机矢量控制技术比永磁交流伺服电机的控制复杂些，但由于控制器件价格的不断下降，控制器成本相差不大。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容易散热及维护保养等优点，尤其随着永磁材料价格的下降材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率高精度高可靠性宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电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，特别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。在众多伺服电机应用领域中，各种控制指令由计算机发出后，其动作的实现均由伺服系统来完成。例如用计算机数控系统进给伺服驱动系统和主轴驱动系统组成的数控机床，根据数控系统发出的命令，伺服系统准确而快速地完成每个坐标轴的进给驱动，与主轴驱动配合，实现对工件的高精度加工，驱动系统的性能对零件加工精度以及工件加工效率都有重要的影响。个多功能的高性能数控系统配置与之相适应的高性能伺服系统，才能使整个数控机床的性能得到充分发挥。总而言之，研究和开发高性能的伺服系统，是现代伺服传动应用的关键。在位置伺服系统领域的永磁无刷同步电机，按电枢绕组所流过的电流波形分为两种工作方式。种是永磁无刷直流电动机，其绕组中流过方波或梯形波电流，具有与传统直流电机相媲美的优良调速控制性能，而且不需要机械换向器与电刷，电机和变频器及其控制都比较简单，成本也较低。另种是交流永磁同步电机控制要复杂些。这两种形式的伺服系统在数控系统中均有应用，但是在高精度宽调速范围的伺服驱动应用中，交流永磁同步电机所构成的伺服驱动器正在发挥着重要的作用。沈阳理工大学学士学位论文随着新材料机电体化电力电子计算机控制理论等高新技术的发展，永