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1、PINGDINGSHAN UNIVERSITY毕业设计永磁同步电机题 目: 矢量控制系统信号检测 院 (系): 电气信息工程学院 专业年级: 电气工程及其自动化专业2008级 姓 名: 游松超 学 号: 081220160 指导教师: 宋晓燕 副教授 年 月 日原 创 性 声 明本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律
2、责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： 关于毕业设计使用授权的声明本人在指导老师指导下所完成的论文及相关的资料（包括图纸、试验记录、原始数据、实物照片、图片、录音带、设计手稿等），知识产权归属平顶山学院。本人完全了解平顶山学院有关保存、使用毕业设计的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权平顶山学院可以将本毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本毕业论文。如果发表相关成果，一定征得指导教师同意，且第一署名单位为平顶山学院。本人离校后使用毕业设计或与该设计直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍
3、然为平顶山学院。论文作者签名： 日 期： 指导老师签名： 日 期： 平顶山学院2012届本科毕业设计 永磁同步电机矢量控制系统信号检测 游松超永磁同步电机矢量控制系统信号检测摘 要针对永磁同步电机矢量控制系统信号的检测，分析了无位置传感器检测法和位置传感器检测法的优缺点，提出在采用位置传感器的前提下，分别对定子电流、定子电压、转子位子及转速进行检测，以此来提高信号检测的准确性、降低控制系统的成本，提高系统性能，并对永磁同步电机矢量控制系统进行仿真研究。关键词: 永磁同步电机，矢量控制，位置传感器，转子位置10kW dc motor of the direct torque control sy
4、stem design AbstractA new brushless DC motor DTC scheme was studied to solve those problems associated with direct torque control (DTC) of brushless DC motor, such as difficulty to control flux and complexity to estimate torque. The flux hysteresis controller was ignored in the constant torque regio
5、n and an imp roved method was proposed to make the estimation of torque easier. The proper stator voltage space vector was selected based on the output of the torque hysteresis controller and the sector which the current rotor flux locates in. The structure of the control system was simplified and t
6、he cost was reduced. Simulation and experimental results are presented, and it is shown that the feasibility and the validity of the scheme.Key Words: Brushless DC motor, DTC, Voltage space vector, Torque, Hysteresis control目 录1绪论11.1课题背景11.2课题的主要研究内容12 永磁同步电机数学模型22.1坐标系的设立22.2坐标变换及变换矩阵32.3电机的数学模型43
7、矢量控制系统的工作原理、信号检测53.1矢量控制系统的工作原理53.2定子电流的检测63.3电压的检测73.4转子位置检测83.5转速检测104永磁同步电机矢量控制系统及仿真114.1永磁同步电机矢量控制系统114.2仿真125结论17参考文献18致谢191绪 论1.1课题背景矢量控制是在上世纪70年代初由西德Blaschke等人提出的一种高性能控制策略，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。矢量控制技术的提出，使交流传动系统的动态性能得到了显著的改善，这无疑是交流传动
8、控制理论上的一个质的飞跃。它使人们看到尽管交流电动机控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质，这使得矢量控制技术在交流调速控制系统中得到了广泛的应用，因为永磁同步电机具有效率高、体积小、结构简单、动态响应快等优点，有着广阔的应用前景，矢量控制也逐渐应用于永磁同步电机。永磁同步电动机最主要的控制方式是基于转子磁场定向的矢量控制，它实际上是对电动机定子电压或电流矢量的相位和幅值同时进行控制。随着电力电子技术、微电子技术和传感器技术的发展，矢量控制技术已成为电气传动系统中的首选方案，矢量控制需要电动机的精确模型，对参数具有很强的依赖性，参数的变化会导致控制性能变差，这就要求我们必须进行实
9、时检测并利用检测信号才能控制电机的正常运行，信号检测主要是对定子电压、定子电流、转子位置及转速进行检测。目前，矢量控制系统信号检测方式分无位置传感器检测法和位置传感器检测法，无位置传感器检测法是当前研究的热点，这种方法实施简单，但它运算过程复杂，是一种估计算法并且对电机参数变化很敏感，鲁棒性差。而位置传感器检测法是最为常见的，但它有自己的不足之处，如高速高分辨率位置传感器价格昂贵、性能易受恶劣环境影响。1.2课题的主要研究内容针对以上问题，本文研究永磁同步电机数学模型，矢量控制系统的工作原理、信号检测，采用位置传感器检测法对定子电流，定子电压，转子位置及转速进行检测，来提高对信号检测的准确性，
10、降低控制系统的成本，提高控制系统性能，介绍永磁同步电机矢量控制系统并进行仿真，实现对电机的更好控制。 2永磁同步电机数学模型2.1坐标系的设立永磁同步电机的控制是通过研究其数学模型的特性来实现的，其研究对象为定子侧的物理量，它们都是交流量，且其空间矢量是以同步转速旋转的；以致在三相坐标系下建立的数学模型非常复杂，计算和分析都十分困难；而对其实施变换后，在两相平面坐标系下来进行分析研究，则会简单得多。因此，在永磁同步电机的研究中经常在参考坐标系之间进行变换，即坐标变换。目前，坐标变换时常用的坐标系有以下三种，它们之间的关系如图2-1所示。 A 0 C B d q 图21常用的坐标系 1三相定子坐
11、标系(ABC坐标系)三相定子坐标系是以彼此相差的永磁同步电机的三相定子绕组轴线A、B、C为坐标轴构成的，又称A-B-C坐标系。如在三相交流电机的定子三相绕组中通以时间上互差的三相平衡正弦电流、，则可以产生以同步角频率旋转的三相定子合成磁动势空间矢量。2两相静止坐标系(坐标系)假定有两相空间位置相差的固定绕组，其轴线分别为、，组成两相静止坐标系(轴逆时针超前轴)。若在此两相固定绕组中、，通以在时间上相差电角度的两相平衡交流电流、，同在定子三相绕组中通以时间上互差的三相平衡正弦电流一样、，也会产生同样的合成磁动势空间矢量。3两相旋转坐标系(d-q坐标系)前面的A-B-C坐标系和坐标系都是静止不动的
12、，而d-q坐标系却是固定在电机转子上，同转子一起以同步角频率旋转，因此称为旋转坐标系；如图2-1所示，其两坐标轴分别为d、q，空间位置相差 (q轴逆时针超前d轴)。如在该相互垂直的绕组d、q中通入直流电流、，同样也可以产生与上述三相定子合成磁动势空间矢量一样的合成磁动势空间矢量。2.2坐标变换及变换矩阵目前，对交流电机的控制主要是在三相交流电动机上模拟直流电动机的控制规律进行的分析和研究；从而将直流电动机的控制方法移植到交流电动机上，这其中最关键的问题就是交流量与直流量的转换，这就需要借助坐标变换使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系。坐标变换必须遵循两个原则：(1)变换前后电流所产生的旋
13、转磁动势完全一致；(2)变换前后电动机的功率相等。由以上原则推导出三种坐标系之间的变换关系如下 2-1 2-2 2-3 式中是d轴与轴之间的夹角；F为电压、电流与磁链等矢量，其中式(2-1)就是通常所谓的Clark变换，式(2-2)则是通常所谓的Park变换。这些变换都是可逆的。注意：当各物理量由三相变换到两相时，为了满足功率不变的原则，两相定子线圈的有效匝数应为原来三相绕组每相有效匝数的/倍，两相定子线圈内个物理量的正方向和原定子三相绕组的规定相同。2.3电机的数学模型电机的数学模型是我们研究系统动、静态性能和对系统进行控制设计的依据；因此，数学模型的好坏对控制系统的性能有着非常重要的影响。
14、由于永磁同步电机的各物理量之间复杂的电磁耦合合关系，以及饱和等非线性的影响，使得PMSM的建模非常困难。为了简化分析，结合本课题所使用的PMSM的特点，对电机作如下一些假设：(1)假设磁路线性，不计涡流、磁滞以及铁心饱和的影响。(2)假定永磁材料的电导率等于零，不计电机绕组漏感。(3)假定定子绕组是三相对称分布，转子上无阻尼绕组。(4)不计磁场的高次谐波，定转子绕组产生的气隙磁场看成正弦分布的。在三相定子坐标系中，由于电机参数与转子的位置有关，使得电机的数学模型非常复杂。在此基础上进行控制系统的研究十分困难；而在d-q旋转坐标系中，由于坐标轴和磁链都以同步转速旋转，使得电机数学模型中的参数变成常数，有利于我们进行控制系统的设计；因此，通常采用d-q旋转坐标系下的数学模型来分析和设计永磁同步电动机伺服控制系统。在d-q旋转坐标系下永磁同步电机的数学模型如下电压方程
