永磁同步电机调速系统仿真课程设计

研究生课程论文永磁同步电机调速系统仿真课程名称运动控制系统姓名学号专业任课教师开课时间教师评阅意见：论文成绩评阅日期课程论文提交时间：目录目录 20摘

要 21引言 41.1永磁同步电动机的发展概况和发展前景 41.1.1永磁同步电动机的发展概况 41.1.2永磁同步电动机的发展前景 51.2永磁同步电动机控制技术的发展 51.2.1永磁同步电动机控制技术的概述 51.2.2永磁同步电动机矢量控制技术的发展 61.2.3伺服系统低速平稳控制关键技术 71.3本文的主要研究内容 82永磁同步电动机的矢量控制原理 92.1永磁同步电动机的矢量控制原理 92.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 92.3永磁同步电动机的矢量控制策略 102.4弱磁调速的控制策略： 113永磁同步电动机矢量控制（id=0）的simulink仿真 123.1永磁同步电动机矢量控制系统的仿真 123.2基本双PI调速系统的仿真分析 143.3加入位置环的矢量控制系统仿真 153.4带弱磁的矢量控制系统仿真 16参考文献 180摘

要

永磁同步电动机作为一种新型交流电动机，具有功率密度高、转子转动惯量小、运行效率高等优点，获得广阔的应用和发展空间,在各行各业以及日常生活中的应用越来越广泛。

本文在综述了永磁同步电动机及其控制技术发展情况的基础上，论述了其矢量控制原理。分析了对SPMSM(表贴式永磁同步电机)的id=0控制、弱磁控制等控制策略，并对其伺服控制系统进行了研究。论文最后利用Matlab/simulink工具对id=0的永磁同步电动机矢量控制系统进行了仿真研究，仿真结果证明了所提出的控制方法的优越性，为实际电机控制系统的设计提供了理论依据。

[关键词]永磁同步电动机;仿真建模；Matlab；矢量控制

1引言电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。磁场可以由电流励磁产生，也可以由永磁体产生,世界上第一台电机就是永磁电机,但当时所用永磁材料的磁性能很低,不久被电励磁电机所取代。近几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世，磁性能有了很大提高，许多电励磁电机又纷纷改用永磁体励磁。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性能。永磁同步电动机因其优良的性能和多样的结构而在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域中得到广泛应用；本章扼要地回顾了永磁同步电动机及其驱动系统的发展和现状，并介绍了与之相关的永磁材料、电力电子技术等方面的发展概况，针对现代交流驱动与伺服系统发展的趋势阐述了研究永磁同步电动机高性能调速控制系统的重大意义。1.1永磁同步电动机的发展概况和发展前景1.1.1永磁同步电动机的发展概况众所周知，每种机械产品都要配备电动机。美国1997就以立法的方式，停止生产一般效率的电动机(与我国大量生产的Y系列电机性能相当)，加拿大、英国、日本也都效法美国停止生产一般效率的电动机，如果不采取措施，加快发展高效节能电动机，我们将很快失去机械产品的国际市场。我国研制的稀土永磁电机价格、性能国际市场上很有竞争力，目前已有一些产品出口。稀土永磁电机的研究和开发大致可以分为三个阶段：（1）60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发的重点是航空、航天用电机和要求高性能而价格不是主要因数的高科技领域。（2）80年代，特别是1983年出现价格相对较低的铝铁硼永磁后，国内外的研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁的优异磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术的迅猛发展，不仅使许多传统的电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，而且可以实现传统的电励磁电机所难以达到的高性能。（3）进入90年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，使永磁电机在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到越来越广泛的应用外，稀土永磁电机的研究开发进入了一个新的阶段。它正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。因此，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，对实现我国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值[1]。1.1.2永磁同步电动机的发展前景随着稀土永磁材料的迅速发展、电力电子和微机控制技术的进步，尤其是纳米晶复合永磁（它的为69.8MGOe）的出现，将稀土永磁电机的研究与发展推向一个新的阶段。一方面，原有研发成果在国防、工农业和日常生活等领域获得大量应用，例如汽车、火车、拖拉机、机床、计算机、风机、水泵、石油、化工、建筑等领域，都急需永磁电机与其配套以满足整机的高效、高速、高响应速度和节能等高性能要求。另一方面，正向大功率化（高转速，高转矩）、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。随着稀土永磁电机性能的提高和驱动系统完善、价格的降低。稀土永磁电机将越来越多地替代传统电机，应用前景非常乐观。1.2永磁同步电动机控制技术的发展1.2.1永磁同步电动机控制技术的概述纵观永磁同步电动机控制理论的发展，先后涌现出大量的控制方法，其中具有代表性的有:转速开环恒压频比（U/f=常数）控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模控制与智能控制等。矢量控制，也称磁场定向控制。它是建立在对交流电动机数学模型坐标变换的基础之上的。通过一系列的坐标变换，将交流电动机的磁通分解成类似于直流电动机的励磁分量和转矩分量，通过磁场定向控制，把交流电动机的模型等效成直流电动机的模型，模仿直流电动机的控制方法，对交流电动机动态转矩进行控制，再经过一定的坐标变换，等效为交流电动机的控制量。矢量控制原理已经成为高性能永磁同步电动机控制的理论基础。针对永磁同步电动机矢量控制存在的缺点与不足，近几年国内外进行了广泛深入的研究，试图将各种控制理论方法应用于永磁同步电动机传动系统，以改善性能。但是，目前对永磁同步电动机控制策略的研究还不如对异步电动机控制的研究那样深入、充分，除传统的矢量控制系统己得到应用外，其它的系统都只是停留在理论探索或实验阶段，尚未得到应用。因此今后很长一段时间内传动控制策略的研究将会主要围绕以下几个方面展开:①研究具有较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰，且算法简单的新型控制策略；②研究具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、设计理论；③研究高性能的无速度传感器控制策略。1.2.2永磁同步电动机矢量控制技术的发展最早的永磁同步电机高性能控制采用电流型的矢量控制方式。矢量控制最早是F.Blaschke针对于异步电机提出的，通过旋转坐标变换将强祸合的交流电机等效为直流电机，进行解耦控制，从而可以得到与直流电机相媲美的控制性能。后来这种控制思想被拓展应用到永磁同步电机控制中，其基本的控制思想是通过控制垂直于转子磁链的定子电流来控制电机的电磁转矩。永磁同步电动机矢量控制系统中采用的电流控制方法主要有:（1）控制；（2）转矩电流比最大控制；（3）控制；（4）恒磁链控制等。每种控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行场合[2]。控制定子电流使其仅仅含有交轴分量的控制方式通常称作为控制方式.本文主要选择这种控制方式进行讨论。但是控制方式并不是适用于所有的永磁同步电动机。问题在于气隙磁链会受到电机电流和电感的影响，这种现象通常称为电枢反应。电枢反应会使气隙磁场不与上述的坐标系同步旋转，产生附加转矩(这个转矩又被称作磁阻转矩)，影响转矩的控制效果，并且这种控制方式的转矩电流比不是最优。.图1给出了电流矢量控制的原理框图。图1永磁同步电动机的电流矢量控制框图1.2.3伺服系统低速平稳控制关键技术伺服系统的平稳控制技术问题涉及到机械设计与制造、电子技术、传感技术、控制技术等多门学科。这一最终目的的实现，本文总结有如下关键技术：1.降低摩擦力矩的影响伺服系统之所以会出现速度不平稳的状态，是因为受到了各种扰动的作用，影响了速度平稳度。其中比较重要的干扰源就是机械的摩擦扰动，与其在控制策略上采用各种抑制摩擦扰动的方法，不如优化机械结构的设计、减小摩擦环节的影响。如一些大型望远镜系统采用摩擦轮设计以及在保证指向精度的前提下采用齿轮传动设计。部分转台甚至采用气浮轴承来减小工作过程中的扰动力矩。另外，在加工和装调过程中，加强润滑作用，加强润滑作用，减少摩擦扰动的影响。2.高精度反馈信号的获取在低速工况下，想要实现对速度的控制，首先必须用传感器准确测量速度。目前伺服系统中使用的传感器有编码器和测速电机。编码器的优点在于测量信号中干扰量小，但是由于其并不是一个直接测量速度的传感器，需要采用一定方法估计速度，如差分算法。加上编码器分辨率的制约，在速度测量方面表现出不足。测速电机由于其采用模拟信号输出，测量信号往往含有较大的干扰和噪声。因此，需要提高速度传感技术，以获取高精度的速度信号。除了提高传感器的制造技术，对传感器信号的处理技术也是关注的问题之一。传感器分辨率和精度的提高往往意味着制造成本的提高，在目前的技术水平，传感器的分辨率和精度已经达到了极限。这就需要一些信号处理技术提高信号的精度，但是这种提高方法是有代价的，往往会降低了信号的带宽或者增大了信号滞后。这就需要根据实际情况，研究相应的信号处理技术。3.降低电机的力矩波动目前的光电跟踪系统大多采用永磁直流力矩电机作为执行机构。力矩电机在运动过程中，由于种种原因，不可避免的会产生力矩波动的情况。这样，就给伺服系统带来了相应的扰动量。同样，在电机的设计过程中，可以优化相关的设计参数，在保持输出力矩的同时，降低力矩波动的影响。减小电机带给伺服系统的扰动。另一方面，电机的电刷也是伺服系统摩擦扰动的来源之一。现在部分伺服系统的执行器件已经采用了无刷力矩电机。有部分大型望远镜或者大型雷达天线，执行器件采用了多电机传动的方式，这样也起到平滑力矩波动，增大输出力矩的作用。1.3本文的主要研究内容本文通过对永磁同步电机的分析，就矢量控制从理论以及实验基础上进行了研究。主要工作主要分为四个部分：第一部分：简要地梳理了永磁同步电动机的发展和现状，并介绍了与之相关的永磁同步电动机的情况和分类。尤其针对其中伺服控制系统和双PI矢量控制系统进行详细论述。第二部分：在对矢量控制了解的基础上，利用simulink进行仿真模型的搭建，实现针对SPMSM的基本双PI矢量控制系统的仿真。第三部分：在基本的仿真模型上加入位置环，从而实现对伺服控制系统的仿真分析。第四部分：在基本的仿真模型上加入弱磁环节，完善对永磁同步电机的矢量控制的仿真分析。并对三种情况下仿真结果进行了总结分析。2永磁同步电动机的矢量控制原理2.1永磁同步电动机的矢量控制原理近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。本论文采用按转子磁链定向的方式。当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量，而的大小和相位又取决于和也就是说控制和；便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的和，通过这两个电流的控制，使实际和；跟踪指令值和，便实现了电动机转矩和转速的控制。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流、和，因此，三相电流的指令、和必须由下面的变换从和得到：（1）式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器提供[7]。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流、和与给定的指令、和一致，从而实现了对电动机转矩的控制。上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。而且和是各自独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略。2.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值和相电流有效值的极限值要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制。当逆变器直流侧电压最大值为时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压有效值：（2）而在d-q轴系统中的电压极限值为:(1)电压极限圆电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：（3）代入式（3）得：（4）由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上的压降可以忽略不计，上式可简化为（5）以代替上式中的，有（6）当时，式（5）是一个椭圆方程，当时（即电动机为表面凸出式转子磁路结构时），式（6）是一个以（,0）为圆心的圆方程，下面以为例，将式（6）表示在的平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹——电压极限圆。对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高，电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线[9]。(2)电流极限圆电动机的电流极限方程为：（7）上式中，为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式（7）表示的电流矢量轨迹为一以平面上坐标原点为圆心的圆。电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆，也不能超出电流极限圆[10]。2.3永磁同步电动机的矢量控制策略时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，等于90°，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为（8）控制时的相量图如图2所示：图2矢量控制相量图从图中可以看出，反电动势相量与定子电流相量同相。对表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。或者说，在生产所需要转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用控制的原因。2.4弱磁调速的控制策略：由于本文是针对标贴式永磁同步电机的仿真，可引用如下控制策略：3永磁同步电动机矢量控制（id=0）的simulink仿真3.1永磁同步电动机矢量控制系统的仿真图3为基本控制系统（无弱磁和位置环）总体仿真图：图4控制系统仿真图其中的控制系统的核心部分—电机参数和SVPWM模块如下：图5电机参数图6SVPWM驱动模块内部其中对各个功能模块进一步展开如下：图7-1区间判断a图7-2区间判断b图7-3发波时间计算模块图7-4发波模块3.2基本双PI调速系统的仿真分析仿真图如图3，在t=0.2s处加入转矩阶跃由1N·M变为3N·M。转速给定为600r/min。结果如下：图8转速、Id、位置角和转矩的实验曲线图9三相电流的试验曲线3.3加入位置环的矢量控制系统仿真加入位置环后系统仿真图如下：图10带位置环的双PI矢量控制系统仿真图在阶跃给定为2rad到10rad的情况下，仿真曲线如下:图11带位置环控制系统转速、Id、位置角和转矩仿真结果曲线3.4带弱磁的矢量控制系统仿真在图3的仿真模型基础上加入弱磁环节图12带弱磁的矢量控制系统仿真图其中，弱磁环节仿真图如下：图13