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1、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时，我们可
2、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。ABSTRACTIn 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 mathematical model, a
3、nd 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 former research
4、 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 the simula
5、tion 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：PMSM, SVPWM,
6、MATLAB simulation, mathmatical model目 录摘 要IABSTRACTII目 录III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在坐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
7、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143.3 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29第五章 总结与展望305.1全文总结30参考文献31致谢33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
8、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
9、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
10、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求的控制策略进行相关的条件给予模拟，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
11、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
12、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&R)-V业自动化公司推出的ACOPOSmulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1-2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。国外厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2-5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线
13、和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：1高效率化：主要包括电机本身的高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，也包括驱动系统的高效率化，包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。2直接驱动：由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。3高速、高精、高性能化：采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级)，更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。4通用化：通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬
14、件配置的条件下，方便地设置各种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。5智能化：现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起。6网络化和模块化：随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了
15、预测性维护技术，使得人们可以通过Intemet及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕3。1.3 本文的主要内容本文主要目的是通过 Matlab 中的sumlink环境中进行永磁同步电机调速系统的仿真调试，具体的内容如下：第一章 绪论：通过各种资料了解本课题的研究背景及意义，分析国内外的研究现状及研究趋势。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，永磁同步电机的应用越来越广泛，研究提升已有的系统的性能需要一个利于研究的平台，在这一点上国内外的差距在于我们国内的研究重视还不够。第二章 永磁同步电机调速系统的结构和数学模型：分析建立了永磁同步电机的结构和数学模型的，具体的细分到PMSM在三种不同坐标系下的磁链和电压方程以及它们之间的坐标转换，并简单了解了PMSM的控制策略。第三章 永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制：主要讲解关于PMSM的核心空间矢量脉宽调制（SVPWM）的仿真模型的建立，要用的工具有MATLAB软件，了解SVPWM的概念以及建立SVPWM模块。第四章 基于Matlab的永磁同步电机调速系统仿真模型的建立：讲述了PMSM仿真模块整体的建
