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1、 摘 要永磁同步电机是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。它以体积小，损耗低，效率高等优点广泛应用于伺服驱动系统。永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统目前已经向数字化方向发展 ，进一步适应了高速高精度机械加工的需要。系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化。因此 ，如何建立有效的永磁同步电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法的设计人员迫切需要解决的问题 ，它对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义。本文提出了永磁同步电机 PMSM 控制系统仿真建模的方法 ，在 Matlab/ Simulink 环境下 ，通过对PMSM 本体、dq 坐标系向 abc坐标系变换及
2、反变换、三相电流源逆变器、ASR和ACR等功能模块的建立与组合 ，构建了永磁同步电机控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性 ，验证了其控制算法 ，为永磁同步电机控制系统设计和调试提供了理论基础。关键词：永磁同步电机，仿真，建模，模型，闭环，参数AbstractPMSM is a synchronous motor of low power excited by means of a permanent magnet. It has the advantages of small size, low loss and high efficiency, so it i
3、s widely used in servo drive system. Permanent magnet AC servo system consisting of PMSM has been to digital direction, and further adapted to the needs of high speed and high precision in machining. The current loop, velocity loop and position loop of feedback control of the system have all been to
4、 digital. Therefore, how to establish an effective PMSM control system simulation model has been a urgent problem for the motor control algorithm designers. It is of great significance to the study of the methods of the establishment of motor control system for the simulation model. In this paper a
5、method for modeling and simulating of PMSM system based on Matlab is proposed. In Matlab/Simulink ,the blocks, such as PMSM block ,coordinate transformation block from dq to abc and from abc to dq,three-phase current source inverter controller block ,ASR and ACR block etc. ,are modeled. By the funct
6、ional combination of these blocks, two control loops are used ,which are the inner current-loop and the outer speed-loop. The reasonability and validity are testified by the simulation and this novel method offers a new thought for the design and test of actual motors.Key words: PMSM, simulation, mo
7、deling, model, closed-loop, parameter目 录第一章 引言1.1 永磁同步电机简介.51.2 永磁同步电机的应用和发展状况.51.3 我国稀土永磁同步电机的发展趋势.61.4 本设计的主要内容.6第二章 同步电机基础2.1 同步电机的基本工作原理和结构.82.1.1 简介82.1.2 同步电机的工作原理82.1.3 同步电机的基本结构.102.2 同步电动机的运行分析.112.2.1 同步电动机概述.112.2.2 隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图.122.2.3 凸极同步发电机的电动势方程和相量图.132.3 功角特性和功率平衡关系.152.3.1
8、同步电机的功率、转矩平衡方程式.152.3.2 同步电机的功(矩)角特性.152.3.3 功率因数的调节.172.4 同步电动机的起动.192.4.1 起动问题.192.4.2 起动方法.192.4.3 异步起动过程.192.4.3.1 起动过程.192.4.3.2 转子绕组的处理.202.4.3.3 直流励磁绕组短路情况下的转矩情况.202.4.3.4 同步牵入.22第三章 永磁同步电动机控制策略3.1 永磁同步电动机的数学模型.233.1.1 永磁同步电机A-B-C坐标系下数学模型.233.1.2 永磁同步电机-坐标系下数学模型.253.1.3 永磁同步电机d-q坐标系下数学模型.263.
9、2 永磁同步电动机的控制策略. .283.2.1 恒压频比控制.283.2.2 矢量控制.283.2.3 直接转矩控制.283.2.4 解耦控制.293.3 结语.30第四章 永磁同步电机的建模与仿真4.1 基于Matlab的PMSM系统模型的建立.314.2 PMSM的Matlab仿真.334.2.1 引言.334.2.2 PMSM的仿真模型.334.2.3 PMSM的仿真、仿真结果的输出及结果分析.35总结.38参考文献.39致谢.40第一章 引言1.1 永磁同步电机简介永磁同步电机 （permanent magnet synchronous motor），简称PMSM,是一种利用永磁体建
10、立励磁磁场的小功率同步电动机。它的定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。永磁同步电机广泛应用于伺服驱动系统,如:中小功率机床主轴驱动、位置控制、机器人系统、电梯、火炮瞄准、船舶推进系统等。它具有下列优点:无电刷和滑环,降低了转子损耗,从而可得到较高的运行效率；同样体积的电机,永磁式电机可输出更大的功率；转动惯量小,可获得较高的加速度；转矩脉动小,可得到平稳的转矩,尤其在极低的速度下也能满足有高精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩；可做到高速运行；效率高,功率因数高；由于是稀土永磁磁极,可以获得较高的气隙磁密；装置结构紧凑。采用永磁同步电机的永磁交流伺服系统可将同步电机改造为具备与直流伺服电动
11、机相类似的伺服性能,并以其优异性能成为精密电气伺服控制系统的一种优选方案,代表了电气伺服技术的发展方向,有望得到广泛的应用。永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统目前已经向数字化方向发展 ，进一步适应了高速高精度机械加工的需要 ，系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化。 因此 ，如何建立有效的永磁无刷直流电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法的设计人员迫切需要解决的问题 ，对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义。对于在 Matlab 中进行 PMSM 建模仿真方法的研究已经受到广泛关注 。本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上 ，借助于 Matlab 强大的仿真建模能
12、力 ，在 Matlab/ Simulink 中建立了PMSM 控制系统的仿真模型 ，为 PMSM 伺服控制系统的分析与设计提供了有效的手段和工具。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。1.2 永磁同步电机的应用和发展状况永磁同步电机以其特有的优点能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行,这不仅加速了永磁同步电机取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微型计算机软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调
