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1、 .永磁同步电机控制系统设计与仿真目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 永磁同步电机的发展概况与研究现状11.2 永磁同步电机的研究意义21.3 论文主要研究容32 永磁同步电机系统42.1 永磁同步电机的分类和结构42.2 永磁同步电机的工作原理和特点42.3 永磁同步电机数学模型63 永磁同步电机控制策略83.1 恒压频比控制83.2 矢量控制83.2.1 矢量控制的组成和原理93.2.2 矢量控制的控制方式103.2.3 矢量控制的坐标变换113.2.4 矢量控制的基本方程163.3 直接转矩控制173.3.1 定子磁链控制183.3.2 空间矢量控制213.4 直接转矩控制
2、系统与矢量控制系统的比较213.5 小结224基于Matlab/Simulink的永磁同步电机矢量控制系统仿真234.1 电压空间矢量脉宽调制原理234.1.1 电压空间矢量234.1.2 零矢量的作用254.1.3 空间电压矢量控制算法264.2 坐标变换模块274.3 SVPWM模块284.3.1 扇区选择284.3.2 计算X、Y、Z和TX 、TY定义284.3.3 计算矢量切换点Tcm1，Tcm2，Tcm3294.4 PMSM闭环矢量控制仿真模型314.5 仿真结果314.6 结束语325 结论335.1 研究总结335.2 未来研究方向和展望34致35参考文献36 / 永磁同步电机控
3、制系统设计与仿真摘 要由于永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率和功率因数高等明显特点，从70年代末开始，永磁同步电机就得到广泛重视。随着高性能永磁材料的发展和价格的不断下降，永磁电机的应用越来越广泛。尤其是近年来，随着永磁材料的迅速发展和电力电子和控制技术的进步，永磁同步电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观，永磁电机与其驱动控制器设计也成了电机领域研究的热点课题，因而对永磁同步电机的研究是非常有意义的。本文先对永磁同步电机与其相关技术的发展过程、研究现状和趋势进行了一个比较全面的阐述，然后对永磁同步电机的结构、性能进行了简要介绍，最后讲述了几种永磁同步电机控制系统常用的控制策略
4、。同时本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上,借助于Matlab强大的仿真建模能力, 在Matlab/Simulink中建立了PMSM 控制系统的仿真模型,为PMSM控制系统的分析与设计提供了有效的手段和工具。此文借助这一手段在详细分析了永磁同步电机矢量控制的机理，并提出了一套相应的矢量控制方案后，建立了仿真和试验平台，进行了仿真分析和实验研究。关键词： 永磁同步电机/Matlab/Simulink仿真/矢量控制Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Design And SimulationABSTRACTPermanent mag
5、net synchronous motor has a small size, power density, higher efficiency and power factor distinctive features, starting from the late 1970s, the permanent magnet synchronous motor to get wide attention. With the development of high-performance permanent magnet materials and declining prices, the ap
6、plication of permanent magnet motor is more extensive. Especially in recent years, with the advances in the rapid development of permanent magnet materials and power electronics and control technologies, permanent magnet synchronous motor will increasingly replace traditional motor, the prospects ar
7、e very optimistic, permanent magnet motor drive controller the design has become a hot topic of the motor areas of research, thus it is very significant to the study of permanent magnet synchronous motor.This article first a brief introduction to the structure of the permanent magnet synchronous mot
8、or, the performance, then a more comprehensive description of the development status and trends of the permanent magnet synchronous motor and its related technologies, and finally about several permanent magnet synchronous motor control system commonly used in control strategies.In the analysis of p
9、ermanent magnet synchronous motor mathematical model based on the help of Matlabs powerful simulation modeling capabilities of Matlab/Simulink simulation model of the PMSM control system for PMSM servo control system analysis and design effective and tools.Text with the means of a detailed analysis
10、of the mechanism of permanent magnet synchronous motor vector control, and a corresponding set of vector control programs, the establishment of the simulation and test platform for the simulation analysis and experimental research.Keywords:permanent magnet synchronous motor / Matlab / Simulink Simul
11、ation / Vector Control1 绪论永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine即PMSM)因其结构简单、体积小、效率高和鲁棒性强等优点，广泛用于电机性能和控制精度要求较高的伺服系统，如数控机床、电动汽车、航空航天等领域1。PMSM是一个非线性、多变量、强耦合系统，对系统参数摄动和外界扰动十分敏感，因此常规线性控制方法很难获得理想的控制效果2。为了提高PMSM的控制性能，国外研究人员提出了许多非线性控制方法，主要有：反步法控制、反馈线性化控制、滑模控制、智能控制、自适应控制和自抗扰控制等，这些非线性控制方法改善了PMSM系统性能，提高了
12、系统鲁棒性。1.1 永磁同步电机的发展概况与研究现状永磁电机是采用永磁体代替通电线圈励磁的一种电动机。其起源很早，在19世纪20年代所出现的第一台电机就是由永磁体产生励磁的永磁电机3，但当时所采用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁能密度低，所制成的电机体积大，不久便被电励磁电机所取代。而早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究。逆变器供电的永磁同步电机与
13、直接起动的永磁同步电机的结构基本一样，但在大多数情况下无阻尼绕组。阻尼绕组有以下特点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二，阻尼绕组增大转动惯量，使电机力矩惯量比下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。随着价格低廉的钕铁硼(NdFeB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电动机与其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电动机伺服系统是主要的发展趋势，加上永磁电机研
14、究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用。正向高转速、高转矩、高功能化和微型化方面发展。我国是世界第一稀土大国，稀土永磁同步电机已经在航空航天多种型号中得到成功的应用,所以在开发高磁场永磁材料方面我国具有得天独厚的有利条件。又由于稀土永磁磁极，可以获得较高的气隙磁密。装置结构紧凑采用永磁同步电机的永磁交流伺服系统可将同步电机改造为具备与直流伺服电动机相类似的伺服性能，并以其优异性能成为精密电气伺服控制系统的一种优选方案，代表了电伺服技术的发展方向，有望得到广泛的应用。尽管我国的稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到
15、了国际先进水平，但是这些优势还没有完全发挥出来，因此，对我国来说，永磁同步电动机的发展还任重而道远，还有很大潜力可开发。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对我国国防、工农业、航空事业的发展与综合实力的提升具有重要的理论意义和实用价值。1.2永磁同步电机的研究意义正如前面几节所述，永磁同步电动机(PMSM)具有体积小、重量轻、反应快、效率高等优点，随着电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机交流伺服系统已经在现代高性能伺服系统中得到了极为广泛的应用，尤其是近年来，随着永磁材料的迅速发展，电力电子和控制技术的进步，稀土永磁同步电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常的乐观，因而对永磁同步电机的研究是非常有意义的。随着我国航空工业的快速发展，普通电机难以满足系统的要求。例如多电飞机和全电飞机是未来飞机的重要发展方向，多电飞机和全电飞机在欧美等国家和地区已经开始研制4，其中的关键技术之一就是用电力作动器取代目前广泛应用的液压作动器，而这种取代的基本条件是电力作动器的功率密度和动态性能能否达到液压作动器的水平，目前的普通航空用电机还不能满足该要求，因此必须研究和开发出性能更好的电机，为发展各种先进的航空设备和工业系统奠定基础5。1.3论文主要研究容永磁
