永磁同步电动机矢量控制仿真.doc

1、摘 要交流永磁同步电机由于无励磁、损耗小、效率高、结构简单以及速度准确恒定，近年来在运动控制领域内得到广泛应用。本文介绍了永磁同步电机的分类以及我国可达到的最高水平和世界可达到的最高水平，主要进行了永磁同步电机矢量控制系统的研究，其主要内容如下：本文首先介绍了永磁同步电机在三相静止坐标系下和两相旋转坐标系下的数学模型和坐标变换的内容之后，论文对电压空间矢量(SVPWM)的原理、合成,扇区判断,矢量作用时间，切换时间等进行了详细的说明。此外，在MATLAB中做出了实现电压空间矢量(SVPWM)的原理、合成,扇区判断,矢量作用时间，切换时间功能的模块，接着又建立了基于MATLAB的永磁同步电机矢量

2、控制系统的框图。之后，选择了合适的PI调节器参数，通过调节它得到了较好的仿真波形。最后，通过观察电机转子的瞬时位置角波形、转速波形和定子、转子电流波形更好地控制了电机。本论文的仿真结果证明了采用基于id=0的转速、电流双闭环控制方式配合电压矢量控制可以较好实现对永磁同步电机的控制。关键词：永磁同步电机；矢量控制；MATLAB；坐标变换；PI调节器ABSTRACTAcpermanentmagnetsynchronousmotorduetonoexcitation,lowloss,highefficiency, simplestructureandaccurateconstantspeed,inr

3、ecentyearsiswidelyappliedinmotioncontrolfield.Classificationofpermanentmagnetsynchronousmotorwereintroducedinthispaper,andcanachievethehighestlevelinourcountryandtheworldcanreachthehighestlevel,mainlyforthepermanentmagnetsynchronousmotorvectorcontrolsystemofresearch,itsmaincontentis asfollows:Switch

4、ingtimeandsoonwerecarriedonthedetaileddescription.Inaddition,the realizationoftheprincipleofvoltagespacevector(SVPWM),synthetic,sector,vectoreffect time,switchingtimemoduleinMATLABtomakebyme.Thenapermanentmagnet synchronousmotorvectorcontrolsystembasedonMATLABblockdiagramwassuccess established byme.

5、Later,suitablePIcontrollerparameterswerechosenbyme.Simulation waveformisgoodbyadjustingtheparameterofPIregulator.Finally,theinstantaneouspositionofmotorrotorAnglewaveform,waveformofrotationspeedandthestator,rotorcurrent waveformareobtained.Themotorisbettercontrolled.Thepermanentmagnetsynchronous mot

6、orwhicharebetterrealizedbasedonthespeedandcurrentdoubleclosed loop control method with voltage vector contorl system are proved by simulation results.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor;Vectorcontrol;Matlab; Coordinatetransformation;PItuning目 录1 绪论11.1永磁电动机的发展概况11.2永磁同步电动机的调速系统的发展状况和发展趋势11.2.1永

7、磁同步电动机的调速系统的发展状况11.2.2永磁同步电机调速系统的发展趋势21.3永磁同步电动机调速系统的分类31.4本文的研究目的及意义32 永磁同步电动机的结构特点以及数学模型32.1永磁同步电动机的结构特点42.1.1永磁同步电动机的结构42.1.2永磁同步电动机的特点42.2永磁同步电动机在静止坐标系下的数学方程52.2.1定子电压方程52.2.2定子磁链方程62.2.3转矩方程72.2.4运动方程72.3永磁同步电动机的坐标变换72.3.1坐标变换的基本原理72.3.2三相两相变换82.3.3两相静止到两相旋转变换82.4旋转坐标系下的永磁同步电动机数学模型92.4.1定子电压方程9

8、2.4.2定子磁链方程92.4.3电磁转矩方程102.4.4电动机运动平衡方程102.5本章小结103 空间电压矢量脉宽调制技术原理103.1空间电压矢量脉宽调制技术的定义103.2两电平牵引的逆变器SVPWM的算法实现113.3 SVPWM的特点153.4本章小结164 矢量控制原理164.1永磁同步电机矢量控制原理164.1.1矢量控制基本原理164.1.2永磁同步电动机的矢量控制方法的选择174.2永磁同步电机矢量控制调速系统控制组成174.2.1永磁同步电机矢量控制调速系统框图174.2.2永磁同步电机矢量控制调速系统的控制过程184.3永磁同步电机矢量控制系统闭环控制方法的选择184

9、.4本章小结195 永磁同步电机的矢量控制仿真195.1仿真工具MATLAB软件的简介195.2双闭环控制系统的仿真195.3仿真结果分析235.3.1仿真调试235.3.2永磁同步电机控制系统的仿真235.3.3仿真结果分析275.4本章小结28结 论29参考文献29翻译部分31英文原文31中文译文41致 谢521 绪论1.1永磁电动机的发展概况在20世纪30年代，美国贝尔公司问世了人工铝镍钴合金永磁材料，50年代铁氧体永磁材料产生，60年代高性能稀土永磁材料产生，80年代钕铁硼永磁材也产生之后，这些材料都被很快的应用在永磁同步电动机中，新型的钕铁硼曲柄电机外壳很轻，体积和重量都只有以前的一

10、半。NdFeB无齿电动机与一般的电动机相比，新型的电动机的性价比更高。日本和美国都是对永磁电动机试验和运用最早的国家之一，在汽车、军事、医院等一些方面都有所运用。然而中国是世界稀土资源最丰富的国家。从1965年开始，前前后后研制出了各种类型的永磁式电动机。到目前为止，永磁式电动机的功率上至一千瓦左右下至毫瓦级，覆盖了各个功率等级的范围。已经能满足用永磁式同步牵引电动机做成的动力分散式的牵引电机（通常是300500kw)的功率要求.现在各个国家发展的方向是优化如今的各类永磁同步电动机，特别是研制出低价格、高性能的永磁同步电动机。1.2永磁同步电动机的调速系统的发展状况和发展趋势1.2.1永磁同步

11、电动机的调速系统的发展状况电气传动系统有三个部分，分别是控制部分、功率部分和电动机。三部分之间的不同组合又可以组成很多种电气传动系统。调速传动在电流形式上分为交流调速与直流调速两大类，在交流调速系统中，异步电机调速系统与同步电机调速系统已经发展成为占有很大比例的两类调速系统，到目前为止已经形成直流电机，异步电机，永磁同步电机三大调速系统。直流调速系统由于控制方式简单，调速性能好，装置结构简单所以一直在调速领域里占着统治地位。但直流电动机一些固有的缺点限制了它向高转速高电压大容量方向发展，比如它故障多、结构复杂、成本高、维护困难、工作量大。机械换向器换向能力限制了电动机的容量电压和速度。电枢在转

12、子上电机效率低，散热条件差，冷却费用高等等。然而在交流电网上，异步电机因为有结构简单，工作可靠，寿命长，成本低，保养维护简单等等一些优点。一般情况下子异步电机在不要求调速的场合里都占有主导位。比如说在风机水泵的的驱动里面人们普遍使用交流异步电机来拖动机械工作。不过在此类型的拖动中旋转磁场的产生需要从电网中吸取无功功率并且在轻载以及功率因数低时更为严重，这严重地增加了线路和电网的损耗损失了大量的电能。从七十年代以来科学的进步与发展大力推动了永磁同步电机的发展和应用，其主要的原因有以下几个方面：1.永磁材料的发展我们国家丰富的钕铁硼材料是永磁同步电机的良好的物质基础。永磁材料的发展大大地推动了永磁

13、同步电机的发展与应用，简化了结构，消除了转子的滑环，电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积,省去励磁直流电源，消除励磁损耗和发热现在许多的中小功率的同步电动机都已经采用永磁式。2.新型电子电力器件和电压脉宽调制技术的应用电力电子技术是传统产业和信息产业的中间桥梁，自第一个半导体开关晶闸管问世以来电力电子元件经历第一代半控制式晶闸管，第二代有自断能力的半导体，第三代复合场控制器件以及九十年代问世的第四代功率集成电IPM。半导体开关器件的性能的提高，容量的增大，成本大大的降低，控制方式的完善，极大限度地推动各种电机的制。通用变频器给交流电动机的变频调速创造条件，解决了同步电动机的启动问题，由高性能电

14、力电子半导体开关组成的逆变电路是矢量控制系统中不可缺少的环节。3.电力电子技术以及控制理论的发展计算机技术、集成电路是电力电子技术发展的代表。计算机技术的发展以及大规模的集成电路的发展完全改善了当今永磁同步电机的控制。并且伴随着电力电子技术的发展各种各样的数字信号处理器(DSP)发展迅速，性能不断提高，软件越来越多，数字化控制处理芯片的运算能力准确性得到极大的提高。由此低价位、高性能的DSP出现，专门用于电动机的控制。其使模拟器件控制系统被全数字控制系统所取代具有了可能性、计算机技术的应用除了一些比较普遍的性能以外，还能用于计算机的数字仿真、辅助分析。集成电路以及计算机技术的发展对永磁同步电机控制技术至关重要。促进了电动机控制理论的创新以及发展。对交流电动机的矢量控制这个全新的概念,在70年代被提出，此种理论的中心思想是交流电动机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，以便将交流电动机模拟成直流电动机来控制可以获得和直流电动机一样良好的调速特性。永磁同步电动机遍布我们日常生活的各个方面，在汽车产业中电动机主要以永磁电动机为主。在家电中的应用也并不少见，比如说洗衣机中用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等等。伴随着电动机转子制造价格以及高磁场永磁材料价格的降低，还有电动机控制系统地理论研究、实践的不断