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1、編號：2015JX15 3082105310安徽工程大學機電學院本科畢業(yè)設計（論文）專 業(yè)： 自動化 題 目： 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng) 設計與仿真 作 者 姓 名： 劉子 導師及職稱： 陸華才 教授 導師所在單位： 信息工程系 年 月 日姓名：論文題目永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設計與仿真摘 要隨著電力電子技術(shù)、微處理器和控制理論的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)被廣泛應用在工業(yè)控制和家用電氣等領域，伴隨而來的是人們對伺服系統(tǒng)的控制性能要求越來越高。由于永磁同摘要必須為三段式框圖建立了系統(tǒng)的仿真模型,在MATLAB7.1/SIMULINK環(huán)境下對矢量控制系統(tǒng)進行仿真實現(xiàn)。仿真結(jié)果證實了仿真系統(tǒng)的有效性,為永磁

2、同步電機矢量控制系統(tǒng)軟件設計提供了思路。關鍵詞：矢量控制 PWSM SIMULINK仿真 PI調(diào)節(jié)器Design and Simulation of Vector Control System of PMSMABSTRACTWith the development of power electronics ,microprocessor and control theory，AC servo systems have been widely used in industrial control and home electric fields，and then there are needed

3、 more high control performance of the servo system. As the permanent magnet synchronous motor has the benefits, such as a simple structure, small size, high efficiency,wide speed range ,and good dynamic and static characteristics ,there are a develo ,and using PI control verified the simulation ,the

4、 result proved the feasibility of the implementation but the positioning accuracy is unsatisfactory.This paper describes the mathematical model of PWSM vector system, designs of a new type vector control system with flux-weakening technology, builds the simulation mode of the system and realizes in

5、the environment of MATLAB7.1/SIMULINK .The system structure charts are given, and design details and simulation result are presented.Keys words: vector control PWSM Simulation of Simulink PI regulate15劉子：永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設計與仿真目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III插圖清單V表格清單VI引 言1第1章 緒論21.1 論文內(nèi)容21.1.1 論文研究的意義21.2 基于永磁式同步

6、電機矢量控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢31.2.1 國外現(xiàn)狀31.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀31.3 永磁式同步電機矢量控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢31.4 調(diào)速系統(tǒng)的分類41.5 論文研究方案5第2章 永磁同步電機數(shù)學模型及其運動規(guī)律62.1 坐標變換原理62.2 PMSM 數(shù)學模型82.3 本章總結(jié)9第3章 系統(tǒng)控制原理103.1 永磁同步電機矢量控制原理103.7 本章總結(jié)10第4章 系統(tǒng)仿真114.1 系統(tǒng)方仿真114.3 仿真結(jié)果114.4 本章總結(jié)13結(jié)論與展望14致 謝15參考文獻16插圖清單表格清單安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文）引 言隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，能源問題越來越凸顯其重要性。能源危

7、機和能源消費引起的環(huán)境污染日益成為全人類關注的問題。電能作為一種最重要的能源形式，其高效的利用和轉(zhuǎn)換可以節(jié)省非常多的能源，對于可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護都很有意義。永磁同步電機是當今電機發(fā)展的重要方向之一。在工業(yè)驅(qū)動、交通動力和伺服系統(tǒng)中，永磁同速控制系統(tǒng)的研究起步較晚，但在國家的大力扶持下，運動控制領域內(nèi)出現(xiàn)的一批擁有一定研發(fā)水平的高校和科研院所已經(jīng)對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)做了深入研究。但大部分發(fā)表的論文均為控制技術(shù)的闡述與模型推導，很少涉及到詳細的系統(tǒng)軟硬件設計分析與實現(xiàn)，而且多以仿真作為實驗參考。因此設計和研究出一套完整的，實際搭建出實驗平臺并運行良好的永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實

8、意義。第1章 緒論1.1 論文內(nèi)容鑒于現(xiàn)代控制系統(tǒng)的復雜性，僅靠數(shù)學公式的推導己經(jīng)不能夠很好的完成系統(tǒng)的分析和設計，常常必須采用理論研究和數(shù)字仿真相結(jié)合的方法進行研究，得出明確的結(jié)論3電壓空間矢量SVPWM過調(diào)制算法的研究通過仿真驗證其可行性；1.1.1 論文研究的意義隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，能源問題越來越凸顯其重要性。能源危機和能源消費引控切削加工中心、門機等要求有高速度、高精度、高效率電機輸出的場合中。尤其是由永磁同步電機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在運動控制領域占有重要地位，是位置伺服驅(qū)動器系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎，其發(fā)展水平是一個國家現(xiàn)代工業(yè)實力的標志之一。我國永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)的研究起步較晚，但

9、在國家的大力扶持下，運動控制領域內(nèi)出現(xiàn)的一批擁有一定研發(fā)水平的高校和科研院所已經(jīng)對永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)做了深入研究。但大部分發(fā)表的論文均為控制技術(shù)的闡述與模型推導，很少涉及到詳細的系統(tǒng)軟硬件設計分析與實現(xiàn)，而且多以仿真作為實驗參考。因此設計和研究出一套完整的，實際搭建出實驗平臺并運行良好的永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實意義。1.2 基于永磁式同步電機矢量控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢1.2.1 國外現(xiàn)狀永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究在國外起步較早，技術(shù)相對國內(nèi)更為成熟。目前市場代表廠商主要來自歐、美、日等國家。德國的Rexroth公司首先在 1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上推出了MAC永磁同

10、步電機系列及其調(diào)速系統(tǒng)，目前該產(chǎn)品有7個機座號92個規(guī)同步電機調(diào)速系統(tǒng)的研制方面已經(jīng)走在世界的前列，知名的有安川、松下、發(fā)那科技等專業(yè)從事電機調(diào)速系統(tǒng)開發(fā)的公司。例如松下Minas系列永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，速度響應頻率可達 1KHz，并且內(nèi)置自適應濾波器，可根據(jù)負載慣量的變化自動調(diào)節(jié)增益?？蓪崿F(xiàn)異常速度自檢測，并自動校正。1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀我國在20世紀80年代通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，并通過許多高校和科研院所進行大量的科研攻關，目前在永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的研究方面己經(jīng)取得了一定的成果、電梯、包裝及印刷機械中。但目前我國生產(chǎn)的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品的性能和可靠性方面與國外同類產(chǎn)品相

11、比還存在一定的差距。1.3 永磁式同步電機矢量控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢目前永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)正沿著全數(shù)字化、無傳感器化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。機調(diào)速系統(tǒng)與其它控制設備之間的互聯(lián)能力的互聯(lián)能力，使設備與計算機數(shù)字控制系統(tǒng)間的連接也變得十分簡單，只需要通過電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，以至數(shù)十臺調(diào)速單元與上位計算機連接成為一個數(shù)控系統(tǒng)。1.4 調(diào)速系統(tǒng)的分類根據(jù)永磁同步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式不同，可將其分為兩大類：一類是他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)；另一類是自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)中所用的變頻裝置是獨立的，其輸出頻率直接由速度給定信號決定，屬于速度開環(huán)控制系統(tǒng)。他控式變頻(經(jīng)交流電整流得到或由蓄

12、電池供電)、逆變器、轉(zhuǎn)子位感器和脈沖控制器等幾部分。圖1-1同步電機的拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)逆變器組成器件和工作方式的不同，可將自控式永磁同步電機作如下簡單分類：一類電機為晶閘管無換向器電機，又稱為負載換向同步電機調(diào)速系統(tǒng)；另一類電機稱為自控式永磁同步電動機或者永磁無刷直流電動機。根據(jù)電動動機反電勢的波形形狀又可分為無刷直流電動機(簡稱BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)和三相永磁同步電動機(簡稱PMSM)調(diào)速系統(tǒng)兩種，它們的區(qū)別在于前者的感應電動勢為梯形，一般用于低速場合。內(nèi)埋式永磁同步電機制造工藝較為復雜，但機械強度高，一般用于高速場合。本文以三相正弦波驅(qū)動表面式永磁同步電機作為研究對象。1.5 論文研究方案前期進

13、行理論研究，查閱相關文獻，深入了解永磁式同步電機的工作原理，分析永磁式同步電機的控制方式，對永磁式同步電機的矢量控制方案進行分析研究，最后實現(xiàn)基于MATLAB/SIMULINK永磁式同步電機控制系統(tǒng)的仿真。制定仿真模型，通過分析仿真結(jié)果，不斷完善模型。第2章 永磁同步電機數(shù)學模型及其運動規(guī)律2.1 坐標變換原理對于同步電機來講，矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施是落到對定子所示：圖2-1各坐標的關系圖2-1中，對于定子電流而言，三相靜止坐標系下，應是： （21）在恒速下 （2 2）式中，為電動機轉(zhuǎn)子的位置信號，即A相繞組軸線與d夾角。為電動機轉(zhuǎn)子初始位置轉(zhuǎn)角。1三相定子坐標系和兩

14、相定子坐標系之間坐標變換三相靜止坐標系A、B、C和兩相靜止坐標系、之間的變換，簡稱3/2變換。反之從兩相靜止坐標系到三相坐標系的變換稱2/3變換。設變換服從于功率不變的約束條件。采用3/2變換，則有： （23)采用2/3變換，則有： （24）2三相定子坐標系和同步旋轉(zhuǎn)坐標系之間變換采用dq/abc變換，則有： （25）采用abc/dq變換，則有： （26）3同步旋轉(zhuǎn)坐標系和兩相定子坐標系之間坐標變換采用dq/變換，則有： （27)采用/dq變換，則有： （28)2.2 PMSM 數(shù)學模型當永磁同步電機的定子通入三相交流電流i時，三相電流在定子繞組電樞電阻R上產(chǎn)生6電壓方程式；根據(jù)圖2.1可以寫

15、出ABC軸系表示的定子電壓矢量方程 （29)將此電壓方程變換到dq系中，可得 （210)式中p-微分算子。R-電樞繞組電阻。 -轉(zhuǎn)子角速度。1dq軸系的磁鏈方程為 （211)f-永磁體產(chǎn)生的磁鏈，是常數(shù)。Ld、Lq、-是dq線圈的自感。2轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程為 （212）若以dq軸系表示，則有 （213）式中，Tem是電磁轉(zhuǎn)矩，TL是負載轉(zhuǎn)矩，J是轉(zhuǎn)動慣量。2.3 本章總結(jié)本章對永磁同步電機的數(shù)學模型和運動方程進行了分析，給出了各種不同坐標系之間的變換關系以及永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。本章的分析是后幾章的理論基礎。永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子交軸電流分量和直軸電

16、流分量，在轉(zhuǎn)矩控制中，如果使得di=0，此時電磁轉(zhuǎn)矩將同樣正比于交軸的電流，控制將由此得以簡化，這也是矢量控制的一種思路所在。永磁同步電動機采用自控式變頻調(diào)速方法，在電動機軸上安裝轉(zhuǎn)子磁極位置檢測器;能檢測出轉(zhuǎn)子的磁極位置，控制定子側(cè)變頻器的電流頻率和相位，使定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈總是保持確定的關系，從而產(chǎn)生恒定的轉(zhuǎn)矩。第3章 系統(tǒng)控制原理3.1 永磁同步電機矢量控制原理3.7 本章總結(jié)本章選擇id=0矢量控制方式，可以獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比。同時討論了永磁同電機的矢量控制調(diào)速方案，給出了系統(tǒng)控制框圖和具體控制過程。然后對SVPWM發(fā)生方法及采用光電編碼器對速度進行估算的方法進行了詳細的介紹。這是

17、系統(tǒng)的基本控制理論，是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎。第4章 系統(tǒng)仿真4.1 系統(tǒng)方仿真4.3 仿真結(jié)果設定直流母線電壓Udc=100V；定子電阻R=2.8750；電感Ld=Lq=0.0085H；轉(zhuǎn)子永磁體磁通f=0.175Wb；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J=0.001Kg/m2；極對數(shù)pn=4。在pi環(huán)節(jié)設置ASR中的kp為5,ki為0.005。ACR的設置環(huán)節(jié)kp為10，ki為2.6。經(jīng)過仿真分析如下圖4-12dian電流曲線和圖4-13中轉(zhuǎn)矩曲線，經(jīng)分析二者比例為0.98。其數(shù)值與理論分析之轉(zhuǎn)矩Tem與電流id成正比。因此初步分析該仿真結(jié)果正確。圖4-11電壓曲線圖4-12 電流曲線圖4-13 轉(zhuǎn)矩曲線4.4 本章總

18、結(jié)本章在仿真方面分析了永磁同步電機矢量控制策略的實現(xiàn)，建立了一個電流、速度雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)mat lab仿真模型，通過仿真驗證了此方案具有實際的可行性。結(jié)論與展望當前，科技的飛躍發(fā)展，特別是高科技的興起，需要電機控制技術(shù)有長足的進步。隨著科學技術(shù)的前進，永磁同步電機己在電機領域中占有重要的地位。本文以表面永磁該部分至少2個頁面控制系統(tǒng)仿真模型，通過仿真結(jié)果，驗證了此方案的正確性，具有實際的可行性。由于在建模過程中，忽略了一些因素，所以系統(tǒng)仿真模型或多或少需要一些補充。另外，由于在模型中使用內(nèi)置函數(shù)，對結(jié)果有些影響。致 謝。 作者簽名：年 月 日參考文獻至少15篇以上，必須包含一定量的英文文獻，以期刊文獻為主，附錄的英文文獻必須出現(xiàn)在參考文獻中，強烈注意文獻排版