1. PMSM 简介

PMSM全称为(Permanent-Magnet Synchronous Motor)，即永磁同步电机。

运动控制是目前众多家用电器的关键需求，如烘干机、洗衣机、冰箱、空调和各种厨房器具。为了使这些设备以最佳性能工作，采用经过改进的新型马达控制技术是关键所在。新技术能够提供更多的优势，如实现更平稳的工作并大幅度降低噪声。这使得低效交流感应马达逐渐被淘汰，人们转向采用高效的替代方案，如永磁同步电机（PMSM）和无刷直流（BLDC）。

永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展，永磁同步电机的研究开发在国内外又进入了一个新的时期，在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展。

图1 PMSM 工业应用

2. PMSM结构分析

大功率工业用PMSM的剖视图如下图所示。定子和转子是整个电机设计中最关键的部分，决定了整个电机的性能,下面逐一分析。

图2 PMSM 剖视图（图片来源：鹏芃科艺）

永磁同步电动机的定子结构多为4极形式，下图电机定子铁芯有24个槽，安装在机座内。电机绕组按3相4极布置，采用单层链式绕组，通电产生4极旋转磁场。如下图所示。

图3 PMSM 定子绕组（图片来源：鹏芃科艺）

永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，永磁体在转子中的布置位置有多种，下面介绍几种主要形式。

第一种形式：永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为表面凸出式永磁转子。

根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。

第二种形式：永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为表面嵌入式永磁转子。

第三种形式：在较大的电机用得较多是在转子内部嵌入永磁体，称为内埋式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，铁芯内开有安装永磁体的槽，永磁体的布置主要方式如下图所示。在每一种形式中又有采用多层永磁体进行组合的方式。

图4 内埋式永磁转子

下面就径向式布置的转子为例做介绍。为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯还开有隔磁空槽，槽内也可填充隔磁材料。把永磁体插入转子铁芯的安装槽内，见下图左，磁极的极性与磁通走向见下图右，可看出隔磁空槽减小漏磁的作用，这是一个4极转子。

图3 PMSM 转子（图片来源：鹏芃科艺）

在安装好永磁体的转子铁芯后插入转轴，并在转子铁芯两侧安装好散热风扇。再把转子插入定子内，安装好端盖，组装成整机。

3. PMSM工作原理与控制方法

通过上一节对 PMSM 结构的分析相信大家已经对其工作原理有了一定的认识，简单来说就是用三相交流电驱动定子产生旋转的磁场，从而带动定子的运动。本节就和大家一起分析 PMSM 工作原理与控制方法。

首先看如何怎样才能产生旋转的磁场，为简化分析我们以三项两极 PMSM 为例。如下图所示，在一个周期内电机内磁场发生一次旋转，下图还给出了在前半周期磁场的动态变化。

图 6 旋转磁场的产生（图片来源：CSDN）

在知道 PMSM 的工作原理就需要知道如何产生三相交流电，目前对于小功率 PMSM 来说常见的方法是用 MCU 产生六路 SPWM 来控制 MOS 驱动器，驱动六只 MOS管来产生三相交流电，如下图所示。

图 7 硬件示意图（图片来源：NXP）

与 BLDC 的方波控制不同，PMSM 采用的是正弦波控制。因此对 MCU 的要求也更高，这里介绍一种三相 SPWM 生成方法。

下图是三相SPWM生成原理，是基于三角波比较法得出的。如U相:当电压比三角波的电压高时PWM输出高电平，反之输出低电平。当三角波的频率比输入电压频率高得多时, PWM的占空比便随输入电压的大小发生线性变化，同时PWM的周期等于三角波的周期。

图 8 三相 SPWM 生成原理（图片来源：SUNPLUS）

实际的应用中为了减轻 MCU 的工作负担，PWM 的波形并不是实时用三角波比较得出来的，而是事先将 PWM 的占空比按正弦规律取表存入存贮器,而后用查表输出得到的。本例使用 DDS (直接数字频率合成)的方式实现查表运算。如下图所示，整个系统是一个 DDS 频率合成系统只不过用 PWM 发生模块去替换了传统的 DAC。在本系统中波形数据表的大小为1024点，PWM 载波频率为10KHz。波形数据表取1024点，一是为了计算方便，因为在相位累加后查表的过程中有一个相位截取的操作(我们的相位累加器是16位的，而波形数据表是1024点--10位)，为了加快这一处理过程，选用以2ⁿ大小的表有利于加快处理过程以尽量节约 MCU 的运算时间。二是较大的数据表也有利于保证低频时波形的精度。