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1、南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 王亚兵 指导教师： 张菊艳 完成日期 2015 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）.同步电动机变频控制系统设计 (Design Of Synchronous Motor Frequency Control System)总计： 毕业设计（论文） 23 页表 格： 1 个插 图 ： 18 幅南阳理工学院本科生毕业设计（论文）同步电动机变频控制系统设计(Design Of Synchronous Motor Frequency Control System)学 院（系）： 电子与电
2、气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 王亚兵 学 号： 1114245036 指 导 教 师（职称）：张菊艳（讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2015.05 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology同步电动机变频调速系统设计同步电动机变频控制系统设计电气工程及其自动化专业 王亚兵【摘要】随着稀土永磁材料的快速的发展，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机损耗少、运行效率高、动态性能好、节电效果明显等优点，使得永磁同步电机在各个生产领域的应用也就越来越广泛。本文分析介绍了永磁同步电动机的发展以及研究现状，并且在坐标变换理论、同步电
3、机的数学模型以及矢量控制理论的研究分析的基础上按照转子磁链定向的方法搭建了正弦波永磁同步电动机矢量控制系统的模型。【关键词】永磁同步电动机；矢量控制；变频调速；坐标变换Design Of Synchronous Motor Frequency Control SystemElectrical Engineering and Automation WANG Ya-bingAbstract: With the rapid development of rare earth permanent magnetic materials, permanent magnet synchronous moto
4、rs are particularly rare earth permanent magnet synchronous motor is less loss, high efficiency, good dynamic performance, energy-saving effect is obvious, etc., so that the permanent magnet synchronous motors applications in various areas of production is more and more widely. This passage introduc
5、es the development and research status of permanent magnet synchronous motor, and coordinate transformation theory, the mathematical model of synchronous motor and vector control research and analysis of the theoretical basis of the rotor flux oriented in accordance with a method to build a sinusoid
6、al permanent magnet synchronous motor vector control system model.Key words: Permanent magnet synchronous motor;vector control; frequency control; coordinate transformation目录第一章 引言11.1永磁同步电动机简介11.1.1永磁同步电动机的发展过程11.1.2永磁同步电动机的特点及其应用21.1.3永磁同步电动机的研究现状21.2 MATLAB的基础知识31.2.1 MATLAB简介31.2.2 Simulink工作环境4
7、1.3 本文对永磁同步电动机变频调速系统研究的内容4第二章 永磁同步电动机调速理论52.1永磁同步电动机的分类52.2 矢量控制理论5第三章 永磁同步电动机矢量控制系统93.1永磁同步电动机的矢量控制及系统构成93.2正弦波永磁同步电动机变频调速系统仿真与分析13结束语16参考文献17附录18致谢23II第一章 引言1.1永磁同步电动机简介1.1.1永磁同步电动机的发展过程在1821年法拉第发明了世界上第一台电机模型，通过利用天然永磁磁铁建立磁场，然后给磁场中的导线通直流电，结果发现导线绕着永磁磁铁一直旋转，这就是永磁电机的雏形。之后在法拉第发现电磁感应现象不久，通过利用电磁感应定律发明了世界
8、上第一台电机法拉第圆盘发电机。与此同时，亨利对法拉第的电机模型做了进一步的改善，并完成了永磁振荡电动机的简单模型。在1832年斯特金在亨利的振荡电动机的基础上通过发明的换向器，完成了世界上第一台旋转电动机。在同一年，第一台永磁交流发电机也诞生了。上面所述的电机都是利用永久磁铁建立的磁场，由于技术发展水平有限，当时的永久磁铁是由磁性能很低的天然磁铁矿石制成的，所以制造的电机是比较庞大的，性能也比较差。之后在1845年英国的惠斯利用电磁铁代替了传统的永久磁铁，通过不断地完善发展在1857年发明了自励电励磁发电机，电机的发展进入了一个新的时代。因为电励磁方式能够取代永久磁铁并且在电机中产生很强的磁场
9、，还具有体积较小、性能优良的优点，在之后的电机控制的发展中，利用电励磁控制电机的理论和技术得到了迅猛发展，使得永磁励磁方式在电机中的应用此时却很少。随着各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明，人们对永磁材料的机理、构成和制造技术进行了深入研究，相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是1930年出现的铝镍钴永磁和20世纪50年代出现的铁氧体永磁，使得磁性能大大提高，在微小型电机上永磁体励磁方式又得到扩大使用。由于永磁电机的功率范围应用宽，使得应用在军事领域、工农业以及日常生活领域又得以广泛应用。与此同时，关于永磁电机的理论研究和制造技术也得到了突破性进展。但是，铝镍钴等永磁材料的矫顽力
10、偏低，铁氧体等永磁材料的剩磁密度相对较低，使得它们在电机中的应用范围变窄。直至20世纪60年代至20世纪80年代，稀土钴以及钕铁硼等稀土永磁材料的出现，因为它们剩磁密度、矫顽力、磁能积高和线性退磁曲线的优异磁性能非常适合电机的制造，使得稀土永磁电机的发展进入一个新纪元。1.1.2永磁同步电动机的特点及其应用永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。永磁同步电动机具有以下突出的优点，被广泛的用于调速和伺服系统1：（1）由于采用了永磁材料磁极，特别是采用了稀土金属永磁，如钕铁硼（NdFeB）,钐钴（SmCo）等，其磁能积高，可得较高的气隙磁通密度，因此容量相同的电机体积小、重量轻；（2）
11、转子没有铜损及铁损，由于没有滑环和电刷，也就减少了能量的损耗以及故障率，使得结构简单，运行效率高。当代航空、航天用发电机几乎全部采用稀土永磁发电机。目前，独立电源用的内燃机驱动小型发电机、车用永磁发电机、风轮直接驱动的小型永磁风力发电机正在逐步推广；（3）转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；（4）结构紧凑，运行可靠。（5）用永久磁铁励磁的永磁电机具有良好的电气励磁直流电动机的速度控制和机械性能，并且具有结构简单、体积小、铜秏小，高效率特性的优点，使得在工业、家用领域得到广泛的应用。1.1.3永磁同步电动机的研究现状早期研究永磁同步电机是关于固定频率供电的永磁同步电机运行
12、特性的研究，主要是对稳态运行特性以及直接起动方面的研究。永磁同步电动机直接起动是通过转子侧阻尼绕组提供的异步转矩使同步电机加速到接近同步转速，再由磁阻转矩与同步转矩将同步电机牵入同步2。国外刚开始深入的对逆变器控制的永磁同步电动机的研究是在二十世纪八十年代。通过逆变器供电和直接起动的永磁同步电动机的结构基本上是相同，但是却在很多的情况下是无阻尼绕组的3。因为阻尼绕组能够产生热量，永磁材料温度会比较高，同时，增大了转动惯量使得电机的力矩惯量比降低了。阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。逆变器供电使得永磁同步电机原有的特性会受到影响，在稳态特性以及暂态特性区别于在恒定频率下的永磁同步电机。在1980
13、年以后许多的学者发表了关于永磁同步电机的数学模型、动稳态特性的论文。随着对永磁同步电机调速系统性能指标的要求越来越高，对永磁同步电机的效率、力矩惯量比、能量密度也就越来越高，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。与此同时计算机技术的不断发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。基于单片机等微型计算机的高精度、高动态响应的全数字控制也得到了很大的发展。因为PI调节器具有结构简单，性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点使得永磁同步电动机的矢量控制系统转速控制器大部分是采用PI控制。二十世纪九十年代自校正控制开始运
14、用在转速控制器中，开始是应用在直流电机的调束系统中。同时，鲁棒控制理论提出并开始应用于永磁同步电动机伺服驱动系统。因为鲁棒控制技术具有模型和参数变化时保护良好的控制性能的特点，利用自适应控制、变结构控制、参数辨识等各种鲁棒控制技术运用于电机调速领域。随着人工智能技术的不断发展，智能控制已经成为现代控制领域中重要部分，智能控制技术在现代电气传动控制系统中的运用已经成为其中的一个发展方向，将带来电气传动技术的新纪元。目前，基于人工智能的专家系统、基于模糊集合理论的模糊控制、基于人工神经网络的神经控制已经成为智能控制的有效途径。1.2 MATLAB的基础知识1.2.1 MATLAB简介1980年，美国的Cleve Moler博士建立了MATLAB，即矩阵实验室，早期开发MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习2。1984年，由美国Math Works公司推出了商业版，经过二十余年的不断升级，目前MATLAB最新版本为MATLAB 2014b。由于使用MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全的一致，所
