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1、I 摘要本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于 MATLAB 环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用 MATLAB 仿真模型研究永磁同步电机
2、时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB 仿真，数学模型。II ABSTRACT In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematica
3、l model, and uses MATLAB to simulate that model. The PMSM is a nonlinear, strong-coupling and time-varying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The form
4、er research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under
5、 the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them. Keywords：P
6、MSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model III 目录摘要 .IABSTRACT .II目录 I II第一章绪论 11.1 研究背景及意义 11.1.1 研究背景 11.1.2 研究的目的及意义 11.2 国内外研究现状 21.2.1 国内研究历史及现状 21.2.2 国外研究现状及趋势 21.3 本文的主要内容 3第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型 52.1 引言 52.2 永磁同步电机调速系统的结构 52.3 永磁同步电机调速系统的数学模型 62.3.1 PMSM在 ABC坐标系下的磁链和电压方程 62.3.2 PMSM在0坐
7、标系下的磁链和电压方程 82.3.3 PMSM在 dq0 坐标系下的磁链和电压方程 92.4 永磁同步电机的控制策略 . 112.5 本章小节 . 12第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制.143.1 引言 . 143.2 永磁同步电动机的矢量控制 . 14IV 3.3 空间矢量脉宽调制概念 . 153.4 SVPWM 模块的建立 173.5 本章小结 . 23第四章基于 Matlab 的永磁同步调速系统仿真模型的建立244.1 引言 . 244.2 MATLAB软件的介绍 . 244.3 永磁同步电机调速系统整体模型的建立 254.4 仿真参数调试及结果分析 284.5 本章小结 2
8、9第五章总结与展望 . 305.1 全文总结 30参考文献 .31致谢 .331 第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。而永磁同步电机调速系统能使电机的功率因数更高、转子参数变的可测、效率更高等特点，近年来永磁同步电机调速系统的研究也越来越受到国内外专家学者的重视1。而对于永磁同步电机调速系统的研究主要是依据Matlab 的仿真，在 Matlab 中进行永磁同步电机调速系统 （PMSM）建模仿真方法的研究， 以往
9、大部分的研究是采用的是节点电流法对电机控制系统进行分析，然后通过列写nt 文件来建立PMSM 的仿真模型。这实质上是一种整体分析方法，但是在此模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环会显得极不方便。为了克服这一不足，本文利用的是将控制单元模块化的仿真方法。对于研究永磁同步电机的研究人员来讲，只需通过修改系统参变量或人为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动、静态性能，或者模拟相同的实验条件，比较不同控制策略的优劣，来分析和设计永磁同步电机调速系统，就可为实际电机控制系统的设计和调试提供新的思路。1.1.2 研究的目的及意义近十年来，随着永磁材料、电力电子器件和控制技术的发展。永磁同步电
10、动机控制存在的硬件问题得以逐步解决。永磁同步电机由于体积小，重量轻，磁性能稳定，具有较高的运行效率、较小的转动惯量、转矩脉动、可支持高速运行等优点，在现代交流伺服系统中，诸如高性能机床进给、位置控制、工业机器人、航空航天等众多领域同步电机得到了广泛应用2。 但是为了得到更好的控制效果更高效的生产效率对于永磁同步电机调速系统的研究提出了新的更高的要求。本课题主要研究基于Matlab的永磁同步电机调速系统的仿真，在Simulink 中建立整个调速系统的仿真模型并给出仿真结果。该课题主要是为了在研究永磁同步电机调速系统时搭建好一个仿真的平台，能够在研究过程中及时的实现研究要2 求的控制策略进行相关的
11、条件给予模拟，以代替以往只能在实际硬件中进行调试实验的研究。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究历史及现状我国从 20 世纪 70 年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80 年代之后开始进入工业领域，直到 2000 年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000 年之后，随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。 目前国内主要的伺服品牌或
12、厂家有森01(和利时电机 )、 华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域2。1.2.2 国外研究现状及趋势在国外上，现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能 DSP 加 FPGA、以及伺服专用模块。如贝加莱(B 而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。表面式永磁同步电机定子与转子之间磁路分布均匀， 基本上与转子位置无关 ; 内埋式转子具有明显的磁极， 定子与转子之间磁路是不均匀的，与转子的位置有关。表面式永磁
13、同步电机结构上较简单，转子直径较小，从而降低转动惯量，它有较大的磁路气隙，若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，利于电机动态性能的改善。一般永磁同步电机多采用这种形式的转子结构。内埋式永磁同步电机是将永磁体装于转子铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般适于弱磁控制的高速运行场合7。2.3 永磁同步电机调速系统的数学模型下面我们将以三相正弦波电流驱动的永磁同步机(PMSM)为研究对象， 分析永磁同步电机在 ABC 坐标系下的、 永磁同步电机在0坐标系下的及在dq0坐标系下的磁链和电压方程，并将分析三种坐标系下的坐标变换。2.3.1 PMSM 在 ABC 坐标系下的磁链和电压方程本文所研
14、究的对象为表面式PMSM，它与普通电励磁同步电机的定子一样有7 A，B，C 三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定子和转子通过气隙磁场存在电磁耦合关系。由于定子和转子之间存在相对运动，使得这种电磁耦合关系十分复杂，给电机的分析和控制带来了困难。为了简化永磁同步电机的数学模型，做如下假设8：(1) 忽略磁饱和，不计铁心的涡流损耗和磁滞损耗，认为磁路是线性的；(2) 定子绕组三相对称，各相绕组的轴线在空间上互差120度；(3) 电机定子电枢绕组的空载电势是正弦波(4) 定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波；(5) 转子上无阻尼绕组；(6) 永磁体的电导率为零。PMSM 的定子
15、磁链是由定子三相绕组电流和转子永磁体产生，定子三相绕组电流产生的磁链与转子位置角有关，转子永磁体产生的磁链也与转子位置有关，转子永磁体在每相绕组中产生反电势。 由此， 得到三相 PMSM 在定子静止三相 ABC坐标系统下的磁链方程为9：AAABA=Lcoscos(120 )=Mcos(120 )AABBACCfeBBAABBBBCCfeCAC BBCCCfeiMiMiMiLiMiiMiLi(2.1) 式(2.1)中：A,BC为定子三相绕组磁链；AAL,BBC CLL为定子三相绕组自感系数；XYM为定子 X 绕组和 Y 绕组的互感系数；f为永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链。定子绕组的自感系数AA
16、L,BBCCLL和互感系数XYM均为e的函数，且互感系数满足关系ABBAMM、BCCBMM、CAACMM。三相永磁同步电机在定子静止三相ABC 坐标下的电压方程为8 A AABBBCCCduri dtduri dtduri dt(2.2) 式(2.2)中：,ABCuuu为定子相电压；R 为定子绕组每相电阻；,ABCiii为定子相电流。2.3.2 PMSM 在0坐标系下的磁链和电压方程定子静止三相 ABC 坐标系统到定子静止两相0坐标系统的坐标变换为0AC larkeBCfffTfff(2.3) 其中 Clarke 变换阵10为：111 222330 322111222C larkeT（2.4）将式（ 2.4）改写为coscos(120)cos(120)feAAAAABACBBABBBCBfeC AC BC CCCfeiLMMMLMiMMLi（2.5）在式(2.5)两边左乘 Clarke 变换阵后，得到定子静止两相0坐标系统下的磁链方程9 1000C larkefAAABACC larkeBABBBCf
