1.2 国内外的研究现状

为了避免在使用机械位置传感器时给电机的控制系统带来各种干扰，越来越多的国内外学者开始着手对永磁同步电机无速度传感器控制系统的各种研究。同时，由于永磁同步电机是一个非线性、多变量、变参数和强耦合的复杂对象，为了获得较好的控制性能，需要对其采用一定的控制算法。随着现代控制理论的不断发展，近年来有关于永磁同步电机的控制算法的研究也已经成为研究的热点，可谓是硕果累累，同时已有大量文献发表在国内外学术期刊和专著上。

美国学者R.D.Lorenz教授和M.L.Corley教授以及其课题组成员，提出了高频注入法，成功的实现了永磁同步电机矢量控制系统高频信号注入法的控制，实现了永磁同步电机的无传感器控制[5]。日本学者N.Matsui教授研究了永磁同步电机在无传感器控制时的起动问题，通过给定一定幅值的脉冲电压，来获得定子感应电流以及检测转子的初始位置，这样能够使永磁电机可以成功的起动[6]。

同时国内也有很多的高校和科研机构等无数的的学者对无传感器控制技术做了大量研究，发表了很多的期刊和研究论文，取得了丰厚的成果。例如沈阳工业大学的王丽梅教授通过对永磁同步电机注入高频正弦电压信号，研究了一些影响位置估算精度的误差因素，提高了检测的精度[7]。浙江大学的贺益康教授研究了永磁同步电机在零低速下，永磁同步电机无传感器控制系统中的一些重要的问题[8]。

1.3 本文主要研究内容

在了解了永磁同步电机的发展背景以及国内外的研究情况下，本文主要研究在零低速下，并且具有凸极特性的内埋式永磁同步电机，在旋转高频电压注入法下的控制系统的仿真研究。通过永磁同步电机的数学建模、设计合适的参数、注入合适的高频信号，在MATLAB/Simulink仿真试验下，分析仿真结果，并验证永磁同步电机在高频信号注入下无传感器控制系统的可行性。

第2章 永磁同步电机的数学模型与仿真模型

2.1引言

由于永磁同步电机（PMSM）是一个强耦合、多变量、变参数、复杂的非线性系统，想要对其进行理论的研究就必须建立数学模型。所以，为了能够更好地设计清晰、先进的永磁同步电机控制算法，建立合适的数学模型就显得特别的必要和重要。本章主要介绍永磁同步电机的基本结构和两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的关系，分别建立永磁同步电机在旋转坐标系下和静止坐标系下的数学模型，同时给出永磁同步电机在两相旋转坐标系下数学模型的仿真建模方法。

2.2 永磁同步电机的结构与分类

永磁同步电机的结构和普通的电机的结构一样，都是由转子和定子构成。但是，由于永磁同步电机采用的是转子永磁体来取代转子的励磁绕组，这也是永磁同步电机与其他的普通电机电机的最主要的差别之处。这样做的好处就是可以省去励磁线圈、滑环和电刷等阻尼，从而使永磁同步电机的工作效率和功率因数都比一般电机要高。永磁同步电机转子永磁体的安装结构的不同，会导致有着不同的制造工艺、不同的控制方法、不同的工作环境、不同的运行性能表现。一般来说，根据永磁体在转子位置上的安装方式的不同，将永磁同步电机分为以下三种：面贴式（图 2.1）、内插式（图 2.2）和内埋式（图 2.3）[2,9]。

图 2.1 面贴式永磁同步电机转子结构示意图

图 2.2 内插式永磁同步电机转子结构示意图

图 2.3 内埋式永磁同步电机转子结构示意图

对于面贴式转子来说，其具有结构简单、制造成本较低和转动惯量小等优点，在恒功率运行范围不宽的永磁同步电机（PMSM）和直流无刷电机（BLDCM） 中得到了广泛应用。另外，在面贴式转子结构中，转子的永磁磁极比较容易实现最优的设计，这样能使电机气隙磁密波形趋近于正弦分布，进而提高电机的运行性能。