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1、 毕业论文（设计） 永磁同步电机矢量控制方法的研究 毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查
2、阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图
3、表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订摘 要随着科学技术的进步，永磁同步电机（PMSM）由于性能优越而得到了广泛的应用和发展。电子、计算机以及电力电子等技术的飞速
4、发展促进了交流电气传动控制的发展，控制理论的发展为永磁同步电机先进控制策略的提出提供了理论依据。特别是在高精度和高可靠性控制系统中，永磁同步电机已逐步成为主流电机。加之我国稀土资源比较丰富，这就为永磁同步电机的控制研究提供了基础，使之快速成为电机控制领域的重点和热点。为了提高永磁同步电机控制系统的控制性能，使其达到更快的响应速度，高精度的动稳态性能的控制效果，本文提出了定子最小电流控制和id=0控制的矢量控制理论。这篇文章首先建立了永磁同步电机的数学模型，并探讨了永磁同步电机的运行特点和定子最小电流比和id=0控制机理。建立SVPWM控制模块控制逆变器功率开关管的通断，并将两种控制方法进行比较
5、。仿真结果表明取得了较好的控制效果。关键词：永磁同步电机，矢量控制理论，SVPWM,定子最小电流，id=0控制III目 录摘 要.IAbstractII1 绪言1.1 课题研究的背景及意义.11.2 永磁同步电机的发展11.3 永磁同步电机的结构和分类21.4 永磁同步电机的优点21.5 永磁同步电机控制方法31.5.1 矢量控制31.5.2 直接转矩控制32 建立永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型2.1 假设条件42.2 永磁同步电机三相静止坐标系下的数学模型42.2.1永磁同步电机的电压回路方程42.2.2永磁同步电机的磁链方程42.2.3 永磁同步电机的电磁转矩方程52.2.4 永磁同
6、步电机的机械运动方程62.3 永磁同步电机在两相静止坐标系中的数学模型62.4 永磁同步电机在两相旋转坐标系中的数学模型63 永磁同步电机定子电流最小控制和id=0控制的工作原理3.1 永磁同步电机矢量控制原理83.1.1 三相/两相变换（3s/2s）83.1.2 两相静止/两相旋转变换（2s/2r）83.2 定子最小电流控制原理93.2.1 最大转矩电流比 (MTPA )原理93.2.2 采用曲线拟和的方法反解MTPA关系式103.3 id=0控制原理114 建立永磁同步电机定子电流最小控制的仿真模型4.1 仿真软件平台144.2 坐标变换模块144.3 空间矢量脉宽调制(SVPWM)模块1
7、54.4 电流反馈控制模块204.5 永磁同步电机控制系统仿真215 仿真结果5.1电流控制方式和最小定子电流控制方式下的仿真出电流、转速和转矩波形235.2仿真结果分析246 总结与展望6.1 总结266.2 展望26致 谢28参考文献29II1 绪言1.1 课题研究的背景及意义永磁同步电机作为一种机电能量转换装置，已经很广泛的应用于国民经济的各个领域及人们的日常生活中。永磁同步电机，用永磁体代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环、电刷。结构简单、效率高、节能效果明显的永磁同步电机广泛应用于工业生产和人们日常生活中。尤其是近年来成功研发了高性能永磁材料以及永磁材料普
8、遍应用，使得永磁同步电机高速发展。同时，随着电力电子技术和先进控制技术等相关技术的不断发展，不断完善了永磁同步电机的控制性能，在相当广泛的领域里正在取代直流电机和步进电机，成为当代高性能伺服系统的主要发展方向。随着永磁同步电机广泛应用于生产生活的各个领域，要求电机具有高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力等，除了完善电机工艺制造的性能外，还可以通过对各种控制策略应用于电机的控制，以此来提高的电机的各项性能指标，因此探讨和研究电机优良的控制策略具有重要意义。随着各种控制理论及其相关基础学科的不断发展与完善，永磁同步电机一定会在不久的将来更加广泛应用于社会生产生活中。因此研究永磁同步电机定子电流最小控
9、制，具有重要的理论意义和实用价值1。1.2 永磁同步电机的发展上世纪初，世界上出现的第一台电机就是永磁电机。之后的30年左右出现了永磁同步电机，由于具有结构简单、稳态性能好、可靠性高等特点，受到社会各界研究学者和企业的青睐2。但在永磁同步电机诞生之初，永磁同步电机很少应用于中小功率的调速系统。这主要是同步电机与异步电机的工作方式不同，永磁同步电机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。在大功率范围内有永磁同步电动机运行的情况，但这往往是用来改善企业的电网功率因数，不能作为普通电机使用。随着各种控制技术的发展，实现了永磁同步电机的广泛应用的目标。随着通用变频器的
10、系列产品的出现，使交流电机的变频调速变为了可能。八十年代，稀土永磁材料的研制取得了重大的进展，为调速系统的发展奠定了坚实的基础。进入九十年代，随着永磁材料性能提升和完善以及控制技术飞速发展使得永磁同步电机的研发进入又一个快速发展阶段。与此同时，微型处理器和专用集成电路应用于永磁同步电机的控制系统，实现了数字控制，保证了系统运行时的高可靠性和较强的抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法的应用成为现实。可以预见在不久的将来，更多的先进控制技术将会应用在永磁同步电机系统中，使得永磁同步电机及其控制系统得到进一步的发展13。1.3 永磁同步电机的结构和分类永磁同步电机内部结构主要由转子和定子两大部分组
11、成。永磁同步电机的转子是指在电机运行状态下可以自由旋转的部分，主要是由转轴永久磁钢以及磁轭等部分构成，主要作用是在气隙内产生足够多的磁感应强度；定子是指电动机在运行状态下静止的部分，主要是由硅钢冲片、镶嵌在槽内的绕组以及固定在机壳上的铁心等部分构成。将三相对称的空间电流通入定子的三相对称的绕组，就可以产生一个旋转的圆形空间磁场，与转子永磁体所产生的恒定磁场共同作用，产生电磁力，促使转子旋转并带动负载转动。因此通过改变定子三相电源的相位和频率，来改变转子的速度和位置角。三相异步电机的控制方法类似于永磁同步电机的控制，采用矢量控制方法，通过坐标变换，使得控制永磁同步电机像控制直流电机那样简单高效。
12、永磁同步电机的主磁场由转子永磁体产生的。在转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形因转子磁钢的结构不同而产生正弦波和梯形波两种。而永磁同步电机由于结构上的特点，使其避免了方波永磁同步电机的缺陷，具有优良的控制性能，成为应用较为广泛的一种电机。故本文以下主要是对正弦波永磁同步电机建模，并对其控制进行研究1。1.4 永磁同步电机的优点三相永磁同步电机的转子通过永磁体产生励磁磁场，无励磁损耗小和转子发热低，极大地提高了电机的功率因素和效率。同时由于永磁同步电机优良的结构和易于控制的特点，广泛应用于中小容量的伺服系统中，具有优良的动稳态性能。永磁同步电机较他电机具有以下优点1：(1)高性能永磁材料产生稳
13、定且较强的磁场，在给定功率下，结构简单；(2)转子转动惯量小，获得较高的加速度；(3)定子与转子接触无滑环和电刷，电机运行时的可靠性高；(4)转子不需要励磁绕组，因此无转子铜耗，提高功率因素；(5)在转速较低情况下，输出转矩大，启动性能高；(6)转矩谐波抖动小，可以平稳调速。1.5 永磁同步电机控制方法1.5.1 矢量控制上世纪七十年代，德国人F. Blaschke首先提出了矢量控制理论，交流电机的控制理论得到飞速发展。其基本原理是：以永磁体产生的转子磁链旋转轴线为参考坐标，将定子电流分解成相互正交的两个分量，一个与磁链的方向相同为定子电流的励磁分量，另一个正交于磁链方向产生定子电流转矩分量；
14、然后分别对其进行控制，类似对直流电机进行控制，动稳态性能优良。而且由于其控制结构单一、控制策略较易实现从而使同步电机的矢量控制方法广泛应用于交流调速系统中。永磁同步电机有不同的电流控制策略，主要是：(1) id=0控制；(2)最大转矩/电流比控制；(3)=1控制等。其中id=0控制是主要控制方式，本文主要对这种控制方式以及在这种控制方式的基础上进行定子最小电流控制系统研究。1.5.2 直接转矩控制直接转矩控制技术是由德国鲁尔大学教授于1985年首次提出了异步电机的的继矢量控制技术之后的又一高性能的交流变频控制技术3。采用空间向量、定子磁场定向的分析方法，其特征在于，直接在定子坐标系下的感应电动机的数学模型进行计算和控制感应电动机的磁通和转矩，具有离散的两点调节器，传递转矩的检测值转矩与给定值进行比较并产生PWM脉冲宽度调制信号从而控制逆变器的开关状态，以获得高动稳态性能。这种控制方法消除了坐标变换中复杂的计算方法，使系统的简单的控制结构，控制信号单一，降低了耦合效应，系统转矩响应快且无超调，是一个高度动态和静态性能的交流调速控制，因此在开始受到人们的关注。异步电机直接转矩控制最初被提出，不能直接应用于对永磁同步电机。1997年，L.Zhong，MFRahman YWHu等人把直接转矩控制与永磁同步电机结合起来，成功地实现了永
