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1、南南 京京 师师 范范 大大 学学现代电力电子技术课程设计与报告题题 目：目： 永磁同步电机矢量控制永磁同步电机矢量控制 学学 院：院： 电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院 专专 业：业： 电气工程电气工程 填写日期：填写日期： 2016 年年 12 月月 27 日日 南南 京京 师师 范范 大大 学学研研 究究 生生 课课 程程 学学 习习 考考 试试 成成 绩绩 单单（试卷封面）（试卷封面）院院 系系电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院专专 业业电气工程电气工程研究生姓名研究生姓名学学 号号课课 程程 名名 称称现代电力电子技术现代电力电子技术授授 课课 时时 间间2016-20
2、17 第一学期第一学期周学时周学时2学分学分2简简要要评评语语本课题介绍了电机控制常见的三种坐标系并给出不同坐标本课题介绍了电机控制常见的三种坐标系并给出不同坐标 系间的坐标变换。在这三种坐标系下分别建立了细永磁同步电系间的坐标变换。在这三种坐标系下分别建立了细永磁同步电 机的数学模型。并在坐标变换的基础上引出了永磁同步电机的机的数学模型。并在坐标变换的基础上引出了永磁同步电机的 矢量控制原理，分析了采用的转子磁场定向的矢量控制方法及矢量控制原理，分析了采用的转子磁场定向的矢量控制方法及 其优缺点，并给出了其实现原理框图。最后搭建其优缺点，并给出了其实现原理框图。最后搭建 MATLAB 模模
3、型，利用电流与速度的双闭环实现对永磁同步电机的控制。型，利用电流与速度的双闭环实现对永磁同步电机的控制。考考 核核 论论 题题总评成绩（含平总评成绩（含平 时成绩）时成绩）备注备注任课教师签名：任课教师签名： 批批 改改 日日 期：期： 注： 1、以撰写论文为考核形式的，填写此表，综合考试可不填； 2、本成绩单由任课教师填写，填好后与作业（试卷）一并送院（系）研究生秘书处； 3、学位课总评成绩须以百分制记分。永磁同步电机矢量控制永磁同步电机矢量控制摘要：摘要：近年来，随着电力电子技术，微电子技术，稀土永磁材料的迅速发展，及永磁电机研究开发经验的成熟，使得永磁同步电机广泛应用于国防，工农业和日常
4、生活中。本文在分析永磁同步电机的数学模型的基础上，借助MATLAB/SIMULINK 的强大仿真建模能力，建立了 PMSM 的矢量控制系统的仿真模型，同时还详细的介绍了矢量控制系统中的各控制单元模型的建立，并对其控制结果进行分析。关键词：关键词：永磁同步电机；MATLAB；矢量控制；Abstract: In recent years, with the rapid development of power electronic technology, microelectronic technology, rare earth permanent magnet material, and th
5、e maturity of research and development of permanent magnet motor, permanent magnet synchronous motor is widely used in national defense, industry and agriculture and daily life. Based on the analysis of the mathematical model of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the simulation model of PMSM
6、 vector control system is established by MATLAB / SIMULINK. At the same time, the control unit of vector control system is introduced in detail. The model is established and the control results are analyzed.Key words: permanent magnet synchronous motor; MATLAB; vector control;第第 1 章章 本课题研究的背景和意义本课题研
7、究的背景和意义在直流电机、异步电机、同步电机三大电机系统中，永磁同步电机因其性 能优良和结构多样，在工农业生产制造、日常生活以及航空航天事业等领域中 得到广泛的应用。为使得电机有较好的控制性能，需要使用变频器对永磁同步 电动机进行驱动和控制。因此，研究如何在通用变频器上实现永磁同步电动机 矢量控制具有非常重要的实用价值： （1）永磁同步电机矢量控制系统是一种高性能的交流调速系统。由于永磁 同步电机结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载能力大、转动惯量小以及 转矩脉动小等优点，并且利用矢量控制思想，永磁同步电机可以使得输出转矩 随定子电流线性变化，永磁同步电机矢量控制系统可以达到优越的控制性能。
8、 （2）我国是世界上最早利用磁的国家，早在公元前年前后就己经有相关天 然 磁石的记载。同时，永磁材料产业的发展与电子信息、通信技术、矿业、航空 航天、交通运输等行业密切相关，具有重要的战略意义。 （3）微电子技术的发展促进了数字技术在调速系统中的应用，配合高效软件 可提供较好的灵活性和控制性能。电机控制系统的数字化进程是实现现代调速 系统发展的方向之一。相比于模拟控制，数字控制更易于实现先进控制策略， 同时数字控制系统的硬件成本低、结构简单且高效节能。第第 2 章章 永磁同步电机工作原理及其控制方法永磁同步电机工作原理及其控制方法2.1 工作原理工作原理（1）电机是以磁场为媒介进行机械能和电能
9、相互转换的电磁装置。 （2）为在电机内建立进行机电能量转换所必须的气隙磁场，可有两种方法：一 种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，如普通的直流电机，同步电机和异步 电机等；另一种是永磁体来产生磁场，即永磁同步电机。 （3）从基本原理来讲：永磁同步电机与传统电励磁同步电机是一样的，其唯一 区别为传统的电励磁同步电机是通过在励磁绕组中通入电流来产生磁场的，而 永磁同步电机是通过磁体来建立磁场的，并由此引起两者分析方法存在差异。2.2 常用坐标系及其变换常用坐标系及其变换2.2.1 矢量控制系统中的三种坐标系矢量控制系统中的三种坐标系在研究矢量控制算法时，常见的有三种坐标系如下： （1）三相静止坐标
10、系（abc 坐标系），a 轴、b 轴、c 轴所在的位置是定子三相 绕组轴心所在的位置，相位在空间上互差 120电角度；（2）两相静止坐标系（ 坐标系），其中， 轴重合于 a 轴， 轴逆时针旋转 超前于 轴 90电角度； （3）两相旋转坐标系（dq 坐标系），d 轴位于 N 转子极所在位置，并随着转 子同步旋转，q 轴逆时针超前 d 轴 90电角度。图 2.1 PMSM 的空间矢量图 这三种坐标系在空间的相对位置如图 2.1 所示，下面分别建立永磁同步电机在 这三种坐标系下的数学模型。2.2.2 PMSM 在三相静止坐标系下的数学模型在三相静止坐标系下的数学模型电压方程： cbacbaSSScb
11、adtdiiiRRRuuu000000（2.1）其中，au、bu、cu分别为 abc 三相电压，ai、bi、ci分别为 abc 三相电流，a、b、c分别为 abc 三相磁链，sR为电枢电阻，磁链方程： ) 3/2cos() 3/2cos(cosbafcbacccbcabcbbbaacabaaciiiLMMMLMMML（2.2）其中，aaL、bbL、ccL各相绕组自感，且有ccbbaaLLL；abM、acM、baM、bcM、caM、cbM为绕组间的互感，且有cbcabcbaacabMMMMMM。；f为转子永磁磁链，为转子磁极位置即转子极与 a 相轴线的夹角。2.2.3 PMSM 在两相静止坐标系
12、下的数学模型在两相静止坐标系下的数学模型要研究 PMSM 在两相静止坐标系下的数学模型，首先需要研究坐标变换。定义sC2/ s3为三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵（即 Clark 变换）。在坐标变换的过程中，要保持坐标变换前后的功率和矢量幅值不变。变换后的两相绕组每相阻数应为原来的23倍；若要保持坐标变换前后的矢量幅值不变，变换后的两相绕组每相阻数应为原来的 3/2 倍。 基于功率、矢量幅值不变的原则，可得变换矩阵如式（2.3）21 21 2123 23021 21132 2/s3sC （2.3）对式（2.3）（求逆矩阵就可得到两相静止坐标系到三相静止坐标系的变换 矩阵（即反 Clar
13、k 变换）如式（2.4）所示，21 23 2121 23 212101233/2ssC （2.4）当 a、b、c 各相绕组上的电压与电流分别为互差 120的正弦量时，则变换 到 绕组上的电压与电流就是互差 90的正弦量。三相绕组与两相绕组在气隙 中产生的磁动势是一致的，并且该磁动势以电压（或电流）的角速度旋转。 将式（2.1)、式(2.2)经过式（2.3)的 Clark 变换即可得到 PMSM 在两相静止坐标 系下的电压方程和磁链方程，如式（2.5)和式（2.6)所示。 电压方程： dtd iiRR uuss 00(2.5)其中，u、u为 轴电压，i、i为轴电流，、为 轴磁链。磁链方程： si
14、ncos23 00ss feiiLL(2.6)其中，sL为 轴电感，e为转子旋转的电角速度。2.2.4 PMSM 在两相旋转坐标系下的数学模型在两相旋转坐标系下的数学模型定义rsC2/2为两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换（Park 即变换），有 cossinsincos2/2rsC (2.7)其逆变换为 Park 反变换，有 cossinsincos2/2srC (2.8) 将式（2.5）、式（2.6）经过式（2.7）的变换即可得到 PMSM 在两相旋转坐标 系下的数学模型，如式（2.9）和式（2.10）所示。 电压方程： feqdsdeqeSqd dtd iiRLLR uu0（2.9）其中，du、qu为 dq 轴电压，di、qi为 dq 轴电流，dL、qL轴 dq 电感，d、q为 dq 轴磁链。磁链方程： 000fqdqdqd iiLL（2.10） 转矩方程：)(eqdqdqfiiLLinT （2.11） 状态方程：
