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1、学 号:2009024126密 级:_哈尔滨工程大学本科生毕业论文滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究院（系）名称：自动化学院专业名称：电气工程及其自动化学生姓名：#指导教师：#2013年6月滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究 冯振彪 哈尔滨工程大学学 号：2009024126密 级：_滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究Research on variable frequency drive system of drum washing machine学生姓名：冯振彪所在学院：自动化学院所在专业：电气工程及其自动化指导教师：巩冰职称：讲师所在单位：哈尔滨工程大学论文提交日期：2013年6月论文答辩日期
2、：2013年6月学位授予单位：哈尔滨工程大学滚筒式变频洗衣机驱动控制系统研究摘 要永磁同步电机体积小、功率密度高、效率和功率因数高，在滚筒式洗衣机的驱动系统中具有较高的应用价值，学者们在这方面的研究取得了不少成就。同时，随着电力电子器件和高速微型控制器的发展和永磁同步电动机的控制理论研究不断完善和提高，永磁同步电动机驱动系统将会有更广泛的应用前景。本文通过阅读大量文献熟悉了永磁同步电动机d、q轴数学模型和矢量控制基本原理后，针对洗衣机洗涤和脱水两种工况分别进行了控制方案的选择和研究。同时，对永磁同步电机在高速运行时存在的电流调节器饱和问题进行了分析和解决。本文的主要内容：分析了矢量控制的基本原
3、理，对SVPWM模块做了深入的研究和分析。其次，在分析了弱磁控制的基本原理后。其次，设计了调速系统，利用工程设计法设计了PI调节器的参数。同时，深入研究了超前角弱磁控制的理论方法，给出了模型的搭建方案。最后，做了大量的仿真工作，并对结果进行了分析和研究。关键词：永磁同步电机；SVPWM；弱磁控制；超前角弱磁控制 ABSTRACTBecause of its small size, high power density, efficiency and high power factor, PMSM has a high application value in the drive system
4、of drum type washing machines. Meanwhile, with the development of the power electronic devices and high-speed micro-controller, and the control theory of PMSM constantly improved and enhanced, PMSM drive system will have a wider range of applications.In this paper, after a lot of reading of literatu
5、re, d, q-axis mathematical models of PMSM and basic principles of vector control are known well. The selection and research of control scheme when the machine working at washing or dehydrating are carried out. Meanwhile, the permanent magnet synchronous motor running at high speed when there is a cu
6、rrent regulator saturation problems are analyzed and resolved.The main contents of this paper are as follows: firstly, the basic analysis of the vector control principle of PMSM and in-depth research and analysis about SVPWM are involved . Secondly, PI regulator parameters are designed with engineer
7、ing design method after designing the control system. Meanwhile, after the studying of the lead angle weakening control theoretical in-depth, the structures of the model program are gave. Before the work of Analysis and research, a lot of simulation work has been done.Keywords: permanent magnet sync
8、hronous motor; SVPWM ; weak magnetic control; lead angle weak magnetic control.I目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题意义和背景11.2 滚筒式洗衣机驱动控制系统的发展和研究现状11.3 永磁同步电机简介21.4 课题研究内容和目标3第2章 永磁同步电机数学建模及其控制策略52.1 永磁同步电机的数学模型52.1.1 永磁同步电机在三相坐标系中的数学模型52.1.2 坐标变换62.1.3 永磁同步电机在d、q坐标系下的基本方程72.2 正弦波永磁同步电机矢量控制方法的研究和选择82.2.1 永
9、磁同步电机调速系统与其他电机调速系统的比较82.2.2 永磁同步电机调速系统控制策略92.3 本章小结11第3章 SVPWM的基本原理及SIMULINK实现123.1 电压空间矢量SVPWM技术的基本原理123.3.1 基本电压空间矢量133.2 SVPWM波的生成方式153.3 定子参考电压的合成方法153.3.1 非零电压空间矢量作用时间的计算153.3.2 切换时间的计算183.3.3 电压空间矢量所在扇区的判断193.4 SIMULINK仿真介绍203.5 SVPWM模块仿真213.6 本章小结23第4章 PI调节器参数设计244.1 电流调节器的设计254.2 转速调节器的设计274
10、.3 仿真及参数调试284.4 本章小结31第5章 弱磁控制基本理论及方法325.1 弱磁控制基本原理325.2 永磁同步电机矢量控制基本电磁关系335.3 本章小结38第6章 仿真及波形分析396.1 仿真波形396.2 本章小结39结 论51参考文献53致 谢551第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题意义和背景作为主要的家用电器，洗衣机一直拥有广泛的市场。洗衣机依赖一套驱动系统来完成洗衣操作，核心就是通过控制电机来完成各种工况下的合理运行。目前市场上流行的主要有波轮式和滚筒式两种洗衣机，但是滚筒式洗衣机因其独特的优点逐渐占据越来越大的市场份额。其优点主要表现在：衣服损坏率低，节水，使用寿命
11、长。洗衣机给人们的生活带来了极大的方便，但是随着人们生活水平的提高，对洗衣机的性能提出了更高的要求。现在的洗衣机正在朝着智能化，节能和静音的方向发展。洗衣机的智能化程度决定于微处理器控制电机达到平滑调速的效果，其节能性则要求高效利用能量的驱动系统，而要做到静音就要求机械摩擦小，驱动系统的电磁噪声小。本课题正是基于这一背景提出的，对限制滚筒式洗衣机发展的关键技术做了研究和分析，这些技术的发展和应用对于推进永磁同步电机系统的广泛应用具有重要的经济意义和社会意义4。1.2 滚筒式洗衣机驱动控制系统的发展和研究现状世界上第一台洗衣机于1932年诞生在美国的笨得克斯航空公司，经过了80多年的发展，其驱动
12、控制系统先后出现了定速电机驱动和变速电机驱动两种形式。定速电机分为单速电机和双速电机。双速电机通过改变绕组的连接方式来改变极数以产生不同的转速。这两类电机的一个显著缺点就是不能实现系统的平滑调速，工作时需要传动和减速装置来完成转速和转矩的变换，不仅带来机械摩擦和损耗的问题，而且不可避免的增大了洗衣机的噪声。随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，变速电机逐渐被应用到洗衣机的驱动控制系统当中。最早被应用在变速领域的电机是直流串激电机，串激电机效率高、启动转矩大，控制性能好，动态性能优异。但是其转子上带有换向器和碳刷，使得电机的可靠性降低，寿命变短。为了解决换向器和碳刷带来的问题，变频感应电机
13、被应用到洗衣机的驱动系统当中。变频感应电机的极数是固定的，变化的是供电电源的频率，相应的需要一个控制器来完成电源频率的转换。这样的系统不仅能达到串激电机所能达到的调速范围，而且效率更高，噪声更低。其后，随着人们节能意识的提高，一些新的电机相继被应用到洗衣机的驱动控制系统中。其中具有代表性的是永磁无刷电机和开关磁阻电机。永磁无刷电机按照其反电动势和供电电流的波形不同可分为永磁无刷电机和永磁同步电机。它们的突出优点是效率高、调速性能更加优良。这两种电机的控制不仅需要控制器的辅助，还需要位置传感器来确定其转子位子5。开关磁阻电机是一种新型电机，结构简单、更加坚固，成本也比较低，而且适合在要求高速、环
14、境恶劣的条件下工作。但是因其转矩波动大，噪声高，目前在滚筒式洗衣机上应用的不多，其计算方法和控制技术还有待发展5。永磁同步电机的控制性能优于感应电机，这一事实得到了许多学者和技术人员的广泛论证和支持。永磁同步电机以其更加强大的转矩输出能力、更加平滑的调速性能和更低的噪声显示出其广泛应用的巨大潜力。所以本文选择以永磁同步电机控制系统为研究对象进行深入分析。1.3 永磁同步电机简介永磁同步电动机（PMSM, Permanent Magnet Synchronous Machine）的转子采用永久磁钢励磁，目前多采用钐钴合金等稀土永磁材料。由于无需电流励磁，不要电刷和换向器，因而体积小、结构简单、可
15、靠性高，同时具备同步电动机功率因素高、无转差损耗等优点。永磁同步电动机转子结构灵活多样，不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据需要使用不同的转子结构形式，其在一定的功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机的分类也多种多样，按工作主磁场的方向不同分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式；按供电频率控制方式的不同可分为它控式和自控式；按反电动势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。本文主要研究正弦波永磁同步电动机矢量控制调速系统，因此以下的永磁同步电动机均指正弦波永磁同步电动机。正弦波永磁同步电机的电磁转矩包括两部分：1)由永磁体励磁磁场
