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1、第1章 绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 永磁同步电机的发展状况永磁同步电机出现于 20 世纪 50 年代。其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体替代激磁绕组，使电机结构更为简单，提高了电机运行的可靠性。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20 世纪 70 年代，永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。20 世纪 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼(NdFeB)的出现，极大地促进了永磁同步电机调速系统的发展。尤其值得一提的是我国是一个稀土材料的大国，稀土储量和稀土金属的提炼都居世界首位。随着稀土材料技术的不
2、断发展，永磁材料的磁能积已经做的很高，价格也早就满足工业应用的需要，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同步电动机越来越显出效率高、功率密度大、调速范围宽、脉动转矩小等高性能的优势。使我国在稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，稀土永磁同步电机正向大功率(超高速、大转矩)微型化、智能化、高性能化的方向发展，成为交流调速领域的一个重要分支12。由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同步电机最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上与直
3、流电机类似，但这种电机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上又研制出带有位置传感器、逆变器驱动的正弦波永磁同步电机，这就使得永磁同步电机有了更广阔的前景。1.1.2 永磁同步电机控制系统的发展随着永磁同步电动机的控制技术的不断发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等，因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。1971年，德国学者相继提出了交流电机的矢量变换控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交
4、流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展，矢量控制技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电机。由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参数变化，而转子磁场的观测依赖于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制实践上的不足之处。而永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固定，所以矢量控制永磁同步电机在小功
5、率和高精度的场合应用广泛。随后，1985年，由德国鲁尔大学教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相感应电动机的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。目前该技术成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。德国、日本、美国都竞相发展此项新技术34。20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电
6、机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成。非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分
7、控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要发展方向之一。1.1.3 计算机仿真技术的发展现代仿真技术1的发展与控制工程、系统工程和计算机技术的发展密切相关。控制工程是仿真技术较早应用的领域之一，控制工程技术的发展为现代仿真技术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统建模与仿真的理论体系，同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的研究和预测5。计算机仿真技术不论是在理论还是实践上都取得了丰硕的成果，积累了大量的体系仿真模型和行之有效的仿真算法。仿真技术目前仍然存在一些缺陷
8、，例如建模方法尚不完善，研究同一个系统的同一个问题可以建立出不同的模型，而且有些社会经济系统中的问题尚无法建立准确的模型进行求解。进入90年代，计算机技术的各个方面都取得了很大的发展6。为了获得满意的转矩计算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文利用MATLAB软件下的SIMULINK仿真工具对PMSM系统进行仿真。1.2 本文主要工作本文立题为永磁同步电机控制系统仿真，进行了一系列的工作，主要涉及以下的研究内容：(1)建模与仿真的关系，及仿真的实际应用意义；(2)介绍永磁同步电机的分类、结构与应用，给出永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型及运动方程；(3)介绍永磁同步电机矢量控制的理论基础；(
9、4)建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型；(5)对仿真结果的进行分析，得出永磁同步电机的性质特点。第2章 建模与仿真建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个部分，同时考虑三个基本部分之间的联系，即建模与仿真关系。 2.1 建模与仿真的定义建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系，它通过对实验系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型，如图2-1所示。仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行7。实验系统计算机模
10、型建模仿真图2-1 建模与仿真的基本组成与两个关系 2.2 实际系统实际系统是所关注的现实世界的某个部分，它具有独立行为规律，是相互联系又相互作用的对象的有机结合。实际系统可能是自然的或人工的、现在存在的或者未来计划的。例如，一个进销存储系统是个人工系统，它包括经理部、市场部、采购部、仓储部和销售部等部门，各个部门相互独立又相互联系。总经理负责各个部分之间的协调，并负责主要的决策。使系统获得最大的利润。刚开始建模时，对建模者而言，实际系统可表征为系统行为数据源，即以X对T曲线为主要形式的行为数据源，X是实际系统中感兴趣的变量，如房间里的温度、大气污染度等，T是时间轴，用秒、小时、日、月等度量，
11、如图2-2所示。图2-2实际系统的一般表示对于一个系统来说，无论是大还是小，都包括三个要素：实体、属性和活动。实体是指组成系统的具体对象，系统中的实体既具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体。例如，在进销存储系统中，经理、部门、商品、仓库、职员等都为实体。属性是指对实体特征的描述，用特征参数或变量表示。实际系统不是孤立的存在的，任何一个系统都将由于系统之外的变化而受影响。这种对系统活动产生影响的外界因素称为系统的环境。在系统建模的初始阶段，应考虑系统所处的环境，并首先应划分系统与其所处环境之间的边界。系统边界包围系统中的所有实体。系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。2.3 模
12、型与建模关系构造一个真实系统的模型，在模型上进行实验成为系统分析、研究的十分有效的手段。为了达到系统研究的目的，系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。也就是说，模型是为了产生行为数据的一组指令，它可以用数学公式、图、表等形式表示。模型是对相应的真实对象和真实关系中有些有用的和令人感兴趣的特征的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。模型描述可视为是对真实世界中的物体或过程的相关信息进行形式化的结果。从某种意义上说，模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型应足够详细，以便从模型的实验中取得关于系统实验的有效结论8。由一个实际系统构造一
13、个模型的任务一般包括两方面的内容：第一是建立模型结构，第二是提供数据。在建立模型结构时，要确定系统的边界，还要鉴别系统的实体、属性和活动。而提供数据则要求能够包括在活动中的各个属性之间有确定的关系，在选择模型结构时，要满足两个前提条件：第一是要细化模型研究的目的，二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性质之间的关系。一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质910：(l)相似性。模型与研究系统在属性上具有相似的特性和变化规律，这就是说真实系统的“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描述。(2)简单性。从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要的因素和某些非可测变量的影响，因
14、此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。(3)多面性。对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型不是唯一的。2.4 仿真关系仿真关系主要关注的是计算机执行模型所规定的指令的真实性，一个模型的程序能否真实地体现模型所具有的内涵，称之为程序的准确性，要验证模型的有效性，需要把模型的行为同实际系统的行为进行比较，这样才不会把程序问题和模型问题混淆起来。这就要求我们必须懂得仿真过程，包括仿真机理和仿真策略。2.5 建模与仿真工作内容任何一个科学领域的科学研究都会涉及建模与仿真的问题，建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容
15、。其技术也渗透到各学科和工程技术领域。为了让建模与仿真研究成果更好地被直接应用或者用来指导将来的工作，使这项工作对科学与工业能有长期贡献，并让有关用户和同行能更好理解和交流有关工作及实验。仿真建模表示内容可规范如下6-10：(1)模型和针对模型构造的假设的非形式描述(2)模型结构形式描述(3)执行仿真的程序设计(4)仿真试验、试验结果及分析(5)模型应用的范围、有效性(6)现在模型与过去的和将来的模型的关系2.6本章小结建模与仿真活动一般由下面五个要素组成：实际系统、实际框架、基本模型、集总模型和计算机。第3章 永磁同步电机结构及其数学模型3.1 永磁同步电动机的概述3.1.1 同步电机的基本
16、原理同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子电流频率以及电动机极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机由定子和转子两大部分组成，电动机定子由定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动机转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气隙均匀，而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁心上，而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现N，S极交替排列1112。同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组接入三相电流而产生的旋转
