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1、永磁同步电机矢量控制系统关键永磁同步电机矢量控制系统关键问题及实验研究问题及实验研究 主要内容主要内容 1.课题背景及研究意义 2.国内外研究现状 3.研究的主要内容 4.关键技术 5.研究方法 6.技术方案 7.预期目标 8.创新点 9.工作计划 2/22 1.本课题的背景及研究意义本课题的背景及研究意义（1/2） (1)研究背景 伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。 其最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到更多的领域，得到了越来越广泛的应用。 调速系统作为伺服系统中的一个重要环节，一直是国内外传动领域的一个研究热点。 永磁同步电机具有功率密度大、效率高
2、、体积小、重量轻、低速性能好、调速范围宽以及运行可靠等优点。 作为一种极具发展前景的节能环保型电机，已经广泛应用于工业、农业、航空航天等多个领域，成为传动系统的主流。 3/22 1.本课题的背景及研究意义本课题的背景及研究意义（2/2） (2)研究意义 矢量控制和直接转矩控制是调速系统中比较成熟的控制技术，在PMSM调速系统中，矢量控制是一种相对更好的控制技术。 本课题采用矢量控制方案，此方案能够实现电动机的解耦控制，控制简单、获得类似直流电机的调速性能。 性能对比性能对比 逆变器开关频率 转矩脉动 调速范围 低速性能 电流畸变和谐波 矢量控制矢量控制 高 小 较宽 好 一般 直接转矩控制直接
3、转矩控制 低 大 范围有限 转矩脉动严重 大 系统的复杂度 参数的敏感度 启动性能 一般 一般 好，软启动 简单 小 较大，启动冲击大 4/22 2.国内外研究现状国内外研究现状（1/3） 国外研究现状国外研究现状 1 ?20世纪80年代已经进入实用阶段 ?到达90年代以后，其技术已经趋于2 成熟 ?全数字控发展至今，永磁同步电机3 已经被广泛应用，特别是在高性能的电伺服系统中。 典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等 5/22 2.国内外研究现状国内外研究现状（2/3） 国内研究现状国内研究现状 1 ?二十世纪八十年代开始，我国开始大量引进国外先进的交流电机控制技术。 ?国
4、内的相关科研院所及各大高校纷纷投入时间和精力开始交流电机控制系统的研究，在交流电机控制技术的研究方面取得了较为丰硕的成果。近年来，我国在电机控制理论的研究上己经取得了巨大发展，与西方发达国家的差距也在不断缩小。 ?但是与国外相比，在一些主要指标比如:控制精度、调速范围以及怎样解决恶劣环境对调速系统的影响等关键技术上，仍缺乏竞争力。 6/22 2 3 2.国内外研究现状国内外研究现状（3/3） ? 永磁同步电机的控制算法对比 控制算法控制算法 PI控制 优点优点 缺点缺点 方法简单，既能提高静态精度，又能改属于线性的控制方法，适应善动态品质 负载能力差，抗干扰能力差，控制性能不够稳定 滑模变结构
5、控制 不要求精确的数学模型，不受参数变化由于惯性，时间延迟等因素，和外部扰动的影响； 存在抖振现象 自适应控制 无需精确的控制对象，无需进行参数估在线辨识和校正的时间比较计 长，对一些变化较快的伺服系统，达不到理想控制效果 无需精确数学模型，鲁棒性强，适用于难以达到较高的控制精度，解决非线性，时变系统的问题 其本身很难消除稳态误差 可以很好改善控制系统的稳定性和鲁棒算法很复杂，多用于仿真实性； 验 7/22 模糊控制 神经网络控制 1王鑫,李伟力,程树康. 永磁同步电动机发展展望J. 微电机,2007,05:69-72. 2姜飞荣.永磁同步电机伺服控制系统研究D.浙江大学,2006. 3李静，
6、程小华.永磁同步电机的发展趋势J.防爆电机，2009, (OS): 1-4 4赵光宙，刘栋梁.交流伺服系统及其控制策略综述J.电气时代，2006, (2): 38-41 5刘军，俞金寿.永磁同步电机控制策略.上海电机学院学报，2007，10(3). 6王丰尧.滑模变结构控制M.北京:机械工业出版，1995. 7王庆龙,张兴,张崇巍.永磁同步电机矢量控制双滑模模型参考自适应系统转速辨识J.中国电机工程学报,2014,06:897-902. 8 Mohamed A S,Zaky M S,Ashraf S Z,et al.Comparative study of sensorless control
7、 methods of PMSM drives. Innovative Systems Design and Engineering . 2011 9 Zhaowei Qiao,Tingna Shi,Yindong Wang,Yan Yan,Changliang Xia,Xiangning He.New Sliding-Mode Observer for Position Sensorless Control of Permanent-Magnet Synchronous Motor. Industrial Electronics, IEEE Transactions on . 2013 10
8、 王子辉,陆凯元,叶云岳.基于改进的脉冲电压注入永磁同步电机转子初始位置检测方法J.中国电机工程学报,2011,36:95-101. 11 何栋炜,彭侠夫,蒋学程,周结华.内置式永磁同步电机转子初始位置估计方法J.电机与控制学报,2013,03:49-55. 8/22 12 Ying-Shieh Kung,Pin-Ging Huang.High performance position controller for PMSM drives based on TMS320F2812 DSP. Control ,2004.Proceedings of the 2004 IEEE Internati
9、onal Conference on . 13 丁硕,崔总泽,巫庆辉,常晓恒,胡庆功.基于SVPWM的永磁同步电机矢量控制仿真研究J.国外电子测量技术,2014,06:81-85. 14 王春民,嵇艳鞠,栾卉,张智恩.MATLAB/SIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真J.吉林大学学报(信息科学版),2009,01:17-22. 15 Texas Instruments.TMS320F2810,TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual. . 2003 16 梅国权. 永磁同步电机矢量控制系统的研究与设计D. 南京理工大学 2013
10、. 17 蒋家强,曹建福.永磁同步电机矢量控制及其仿真研究J.电气开关,2011,04:51-53. 18 陈高,杨家强.基于TMS320F28335的永磁同步电机数字化矢量控制器设计J.机电工程,2011,09:1090-1094. 19 廖勇,沈朗,姚骏,刘刃.改进的面贴式永磁同步电机转子初始位置检测J.电机与控制学报,2009,02:203-207. . 20 Xu D,T Wang,H Wei.A Digital High Performance PMSM Servo System Based on DSPand FPGA. Proceedings of International C
11、onference on Industrial Electronics and Application . 2011 9/22 3. 主要研究内容主要研究内容 (1)系统框图 10/22 (2)研究内容 ? 逆变器的控制方式逆变器的控制方式 采用SVPWM控制方式代替电流滞环踪控制 ? 矢量控制方式的选取矢量控制方式的选取 寻找合适的PMSM矢量控制方式，分析原理，数学建模 ? 转子初始磁极位置的检测转子初始磁极位置的检测 选取一种简单，有效的在零速准确检测磁极位置方案 ? 搭建实验平台搭建实验平台 基于DSP对PMSM矢量控制系统进行硬件设计和软件设计 11/22 4. 关键技术关键技术 ?
12、使用SVPWM代替电流滞环跟踪控制，增设电流内环，设计电流调节器 ?转子磁极初始位置的检测 12/22 5. 研究方法研究方法 ?对PMSM的动态数学模型进行分析，掌握 PMSM矢量控制的基本原理、系统结构和实现方法 ?利用MATLAB 软件中Simulink仿真模块对矢量控制系统进行仿真、比较、分析及优化改进 ?搭建硬件与数字实验平台，进行实验探索及验证 13/22 6.技术方案技术方案(1/5) ?PMSM矢量控制方式的选取矢量控制方式的选取 控制方式控制方式 优点优点 电机的输出转矩与交轴电流成正比，控制相对比较简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场
13、合 缺点缺点 电机运行功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用 输出的最大转矩较小 控制交、直轴电流分量，保持PMSM的功率因数为1，可以充分 利用逆变器的容量 cos? 1 /电流比控制 减小电机铜耗，提高运行效率，最大转矩 id? 0 逆变器所需输出的电流较小，对逆变器的容量要求可相对低 运算复杂，实时控制时计算量大 14/22 6.技术方案技术方案(2/5) ?控制方程和系统框图控制方程和系统框图 ?电流控制型逆变器，按转子磁链定向的控制方程: d?d?ud? Rid?dt?e?q?d?q?u ? Ri ? ?qqed?dt? L i ?d df?d?q? Lqiq?Te? np?riq
14、? np(Ld? Lq)idiq?n i i (L ? L )?p qddqf?控制方程中存在耦合项，使得定子电流转矩分量和励磁分量不能够由电压独立控制,采用反馈解耦控制,达15/22 到解耦目的。 6.技术方案技术方案(3/5) ?系统控制结构框图系统控制结构框图 ?*r?r PI?i?0*dsi?*qs ?iqsPIPIvqsd,qv?SVv?PWMUdc?ids? vds3-PhaseInverter ?iqs?d,qi?i?a,b,ciaibidsRotor Speed/PositionFeedback?rel? ?PMSM ?设计定子电流励磁分量和转矩分量的电流环和相应调节器，采用S
15、VPWM控制逆变器 16/22 6.技术方案技术方案(4/5) ?通直流法通直流法 在未知转子初始位置的情况下，可以给定子通直 流电，产生恒定的磁场，这样就可以把转子拉到指定 的位置，此时就可以确定转子的初始位置。 通直流电产生恒定磁场 17/22 6.技术方案技术方案(5/5) ?硬件框图硬件框图 18/22 7.预期目标预期目标 ?增设电流内环，采用SVPWM控制逆变器获得较好的输出电压波形、有效抑制电流波动和转矩脉动 ?在零速时转子磁极位置可以准确定位，使电机平稳启动 ?搭建实验平台，得到初步实验结果 ?公开在国内外学术刊物上发表学术论文 1篇 19/22 8.创新点创新点 ?在零速时转子磁极位置可以准确定位，使电机平滑启动 ?研究改进传统矢量控制方案，用 SVPWM代替电流滞环跟踪控制 20/22 9.工作计划工作计划 ? 2016年08月10月 检索及阅读相关文献，准备开题报告 ? 2016年11月17年3月 阅读文献，理论分析，参数计算,搭建硬件电路 ? 2017年04月07月 调试硬件电路， 学习软件编程，撰写学术论文 ? 2017年08月10月 编写软件部分，实验平台搭建完毕，进行实验研究 ? 2017年11月12月 撰写学位论文 ? 2018年01月04月 毕业答辩 21/22 22/22 谢谢!
