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1、基于空间矢量控制的永磁同步电机的研究 30目 录摘 要IIIABSTRACTIV第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 永磁交流伺服系统控制理论的发展11.3 永磁交流伺服控制系统的发展趋势。21.4 论文研究的主要内容3第二章 永磁同步电机的矢量控制原理42.1 永磁同步电机的内部结构和种类42.2 电机控制中用到的坐标系42.2.1系统中的坐标系52.2.2由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换）62.2.3两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换（Park变换）72.2.4永磁同步电机dq轴数学模型82.3 转子磁链定向矢量控制理论92.4 同步电机的矢量控制10第三
2、章PMSM控制系统的MATLAB仿真133.1 MATLAB动态仿真工具SlMULINK简介133.2 永磁同步电机仿真模型的建立133.2.1逆变器143.2.2空间矢量PWM发生模块的建立183.2.3判断电压矢量所属的扇区及仿真实现183.2.4计算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真实现193.2.5计算开关作用时间213.2.6生成PWM波形213.2.7基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型223.3：双闭环仿真系统的建立和控制器参数调整233.3.1双闭环仿真系统的建立233.3.2仿真结果25第四章 结束语27工作总结及评价27致 谢28参考文献:29摘 要本文研究的是通
3、过电压空间矢量控制永磁同步电机系统，在PID控制策略下改善永磁同步电机的转矩性能,用MATLABSIMULINK建立了永磁同步电机电流转速双闭环矢量控制仿真模型。在模型建立后，由于PID控制由于算法简单、可靠性高，广泛应用于控制过程中。因此本文采用的是PID控制，并应用电压矢量控制SVPWM控制实现对永磁同步电机的转矩，使其拥有直流电机的性能。仿真结果表明空间电压矢量控制可以使永磁同步电机的转矩可控制并达到稳定，并产生三相稳定电流。所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、方法和性能，对今后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。关键词：永磁同步电机；PID控制；MA
4、TLAB仿真/SIMULINK； AbstractThis paper studies the voltage space vector control by permanent magnet synchronous motor system , with the PID control strategy for permanent magnet synchronous motor torque performance, using MATLAB / SIMULINK to establish a permanent magnet synchronous motor current speed
5、 double closed loop vector control model. In the model, the choice of which control algorithm is also very important, because the PID control algorithm is simple, high reliability, widely used in the control process. So this article uses a PID control to achieve the SVPWM control of permanent magnet
6、 synchronous motor torque to have a DC motor torque control performanceAll these work illuminates principle, method and properties of the permanent magnet synchronous motor vector control system, as a reference for the future research permanent magnet synchronous motor vector control system and impr
7、oving the performance of the systemKeywords: Permanent magnet synchronous motor; PID control;第一章 绪论1.1 课题研究的背景随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可
8、用改变励磁的方法实现恒功率调速。【9】20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。1.2 永磁交流伺服系统控制理论的发展交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由FBlaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
9、直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。【1】控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。【10】【11】矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直
10、，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。【6】控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。1.3 永磁交流伺服控制系统的发展趋势。 永磁交流伺服控制系统的发展趋势如下：(1)电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步进电机及感应电机。因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的优势如：A)永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电阻损耗，可以显著提高功率因数(可达到l甚至容性)；B)永磁同步电动机不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方
11、便，可靠性高；c)永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且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使用需要选择不同的转子结构形式。而且在相同功率下，永磁同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。【12】【】16我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富， 1984年7月，我国成为世界上第三个能研制和生产第三代稀土钕铁硼永磁材料的国家，稀土资占全世界的80以上，发展永磁电机具有广阔的前景。【5】【12】(2)高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多
12、变量系统，难以精确的确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。【7】(3)绿色化发展。由于全球电能的80以上通过电力变换装置来消耗，作为广泛使用的电力变换装置的变频器，将朝着节约能源，降低对电网的污染和对环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方向发展。1.4 论文研究的主要内容本课题研究永磁同步电机矢量控制，首先给出了矢量控制中用到的坐标变换以及本文所设计系统的原理图，其次建立永磁同步电机的数学模型，给出了本驱动器中采用的电压空间矢量脉宽调制(简称SVPWM)方法的
13、数学模型，最后利用MATLAB仿真软件对系统进行仿真。1详细分析了永磁同步电机的数学模型，通过对数学模型的分析，明确了永磁同步电机的电磁约束关系，为分析永磁同步电机的运动规律和研究高性能的控制决策提供理论基础。2在分析数学模型的基础上，建立了永磁同步电机的矢量控制系统，论述了矢量控制的实现方法。3SVPWM的产生是实现矢量控制的关键，详细分析了SVPWM的原理以及实现方法。4对整个系统进行了仿真，在MATLAB中建立了基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型。第二章 永磁同步电机的矢量控制原理2.1 永磁同步电机的内部结构和种类1)永磁同步电机的内部结构永磁同步电动机由定子，转子和外壳等
14、部件组成。其中定子由定子铁心(由冲槽孔的硅钢叠压而成)、定子绕组(在铁心槽中嵌放三相绕组)构成。定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子通常由轴、永久磁钢及磁轭组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。【1】【2】2)永磁同步电机的种类永磁同步电动机分类方法较多：按工作主磁场原理方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和
15、外转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的电动机(又称为异步启动永磁同步电动机)；根据极对数的不同，永磁同步电机可分为单极和多极；根据磁通分布或反电动势波形，可分为永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机。永磁同步电动机中没有包含有高次谐波，涡流和磁滞损耗减少，电机效率增加。永磁同步电动机产生的转矩脉动低于永磁无刷直流电动机，主要原因是永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流。【7】【10】2.2 电机控制中用到的坐标系交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。【12】永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制,即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型,可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解,使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性,变量之间的耦合大大减小。【13】2.2.1系统中的坐标系1)三相定子坐标系(U.V.W坐标系)
