【正文】 1 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及研究意義（價(jià)值） 永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)矩電流比高、易于散熱及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、寬調(diào)速范圍的伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)引起了眾多研究與開發(fā)人員的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空航天、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場合獲得廣泛的應(yīng)用。 本文針對永磁同步電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制數(shù)學(xué)模型，分析矢量控制原理，確立基于 di =0 的轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案。矢量控制是基于轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的，經(jīng)過一系列的坐標(biāo)變換，將電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦，分別對定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行控制，并經(jīng)過 PI調(diào)節(jié)、電壓空間矢量 PWM 控制實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，給出電流、速度、位置等調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法，對伺服控制需解決的一些主要問題，給出相應(yīng)的解決辦法。建立伺服系統(tǒng)的仿真模型，運(yùn)用 Matlab 中的 SIMULINK 進(jìn)行 仿真研究 給出部分結(jié)果，分析相應(yīng)的結(jié)果，得到結(jié)論。 近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù) 、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、稀土永磁材料與電動(dòng)機(jī)控制理論的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)有了進(jìn)步，交流伺服系統(tǒng)將 逐步取代直流伺服系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人們 可以 構(gòu)成高精度、快速響應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，近年來，世界各國在高精度速度和位置控制場合，己經(jīng)由交流電力傳動(dòng)取代液壓和直流傳動(dòng) [1]。 二十 世紀(jì) 八十 年代以來，隨著價(jià)格低廉的 釹鐵硼 (REFEB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機(jī)得到了很大的發(fā)展，世界各國 (以德國和日本為首 )掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電機(jī)及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè) 機(jī)器人等小功率應(yīng)用場合，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢。永磁同步電機(jī)的控制技術(shù) 將逐漸走向成熟 并日趨完善 。 可以毫不夸張地說，永磁同步電機(jī)已在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，而且前景會(huì)越來越明顯 [9,10]。 盡管永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如 SVPWM、 DTC、 SVM、 DTC 自適應(yīng)方法等都在實(shí)際中得到應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機(jī)的參數(shù)等等。因此，對控制策略中存在的問題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。 基于上述情況，對永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的仿真研究就有了重要的意義。 2 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（文獻(xiàn)綜述） 早期對永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步 [13]。 上個(gè)世紀(jì)八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電 動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。 1980 年后發(fā)表了大量的論文研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性。 等研究了電壓型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性及電流型逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。 隨著對永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)性能要求的不斷提高，需要設(shè)計(jì)出高效率、高力矩慣量比、高能量密度的永磁同步電機(jī) , 等人針對調(diào)速系統(tǒng)快速動(dòng)態(tài)性能和高效率的要求，提出了現(xiàn)代永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)方法 [13]。 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制也取得了很大的發(fā)展。 等研制了一種永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，采用了十六位單片機(jī) 8097 作為控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的全數(shù)字控制。八十年代末，九十年代初 等發(fā)表了大量關(guān)于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)全數(shù)字控制的論文。 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制器大多采用比例積分（ PI）控制。 PI控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，對被控制對象參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn) [14]。 1991年， 首次在轉(zhuǎn)速控制器中 采用自校正控制。早期自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。電機(jī)在運(yùn)行過程中，模型和參數(shù)是不斷變化的，參數(shù)和模型的變化將引起控制系統(tǒng)性能的降低?，F(xiàn)代控制理論中的各種魯棒控制技術(shù)能夠使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保持良好的控制性能。因此，將各種魯棒控制技術(shù)運(yùn)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，可以大大提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。在這方面，運(yùn)用的較為成功的控制技術(shù)主要有：自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識(shí)技術(shù)等 [8]。 目前，國內(nèi)外永磁交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品的廠家很多，如日本安川電機(jī)公司、 Fanuc公司、三菱公司、松下公司，德國西門子公司、 Rexroth 公司、 BOSCH 公司，美國Gettys 公司、 Kollmen 公司等。其中美國 Kollmen 公司 .(Industrial Drives)工業(yè)驅(qū)動(dòng)部分的 Goldline 系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)的最新水平[3]。 國內(nèi)由于資金和技術(shù)的限制，研究和產(chǎn)品多集中在低價(jià)位、性能較差的直流無刷電機(jī)上。一些院校和研究所的永磁同步電機(jī)多為特殊設(shè)計(jì)，應(yīng)用于航天、國防等 3 的特殊場合的特種電動(dòng)機(jī)。北京四通、上海開通、西安微電機(jī)研究所和華中數(shù)控等少數(shù)單位研制出部分產(chǎn)品，但都未成規(guī)模，不具有與國外產(chǎn)品競爭的能力 [7]。 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展與微處理器技術(shù) [11]、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、PWM控制技術(shù) [6]、控制理論等密切相關(guān)，以下從上述幾個(gè)方面把握一下永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)。 微處理器 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理（ DSP）以其快速的運(yùn)算能力、高可靠性和豐富靈活的指令系統(tǒng)成為伺服控制領(lǐng)域的主流控制芯片。作為伺服系統(tǒng)控制核心的 DSP 除了有中央處理單元，還有片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及片內(nèi)外設(shè)。 電機(jī)專用 DSP 芯片具備： （ 1）用于定時(shí)中斷的通用定時(shí) 器； （ 2）位置檢測用正交編碼脈沖電路和計(jì)數(shù)器； （ 3）用于過流保護(hù)、智能功率模塊（ IPM）保護(hù)、 Z 脈沖等的外部用戶中斷，以及事件管理器中斷和系統(tǒng)中斷； （ 4）電壓、電流檢測用 ADC 模塊； （ 5）內(nèi)嵌的 PWM 產(chǎn)生電路和死區(qū)設(shè)置電路； （ 6）正反轉(zhuǎn)、啟停等用數(shù)字 I\O 端口； （ 7）用于變量顯示和參數(shù)修改的通訊接口； （ 8）防止程序“跑飛”或“死機(jī)”的看門狗電路； （ 9）系統(tǒng)保護(hù)用復(fù)位電路。 電力電子器件 [15] 在電機(jī)控制中，電力電子器件及其裝置時(shí)實(shí)現(xiàn)弱電控制的關(guān)鍵所在，隨著新型可關(guān)斷器件的實(shí)用化，使得 高頻化 PWM 技術(shù)成為可能。 目前，主要采用的功率器件是 IGBT 和 IPM， IGBT 的應(yīng)用使控制系統(tǒng)的性能有了很大提高： （ 1） IGBT 具有高輸入阻抗和低通道壓降的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路功率減少，開關(guān)器件發(fā)熱減少； （ 2）高載波控制，在脈寬調(diào)制中利于逆變器輸出調(diào)制波波形； （ 3）安全工作區(qū)寬、開關(guān)時(shí)間短 ,開關(guān)頻率高，電機(jī)控制中可以達(dá)到 20kHz，使之超過人耳的聽覺范圍，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行的靜音； （ 4）驅(qū)動(dòng)電路簡單，保護(hù)容易。 傳感器 永磁電機(jī)伺服系統(tǒng)為了進(jìn)行閉環(huán)控制，需要有位置、速度和電流傳感器等。 通常位置傳感器 要完成系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置控制檢測，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測量， 4 常用的位置傳感器有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器等。 光電編碼器的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理簡單、信號(hào)噪聲容限大、容易實(shí)現(xiàn)高分辨率、檢測精度高，缺點(diǎn)是不耐沖擊及振動(dòng)、容易受溫度變化影響、適應(yīng)環(huán)境能力較差。按脈沖與對應(yīng)位置關(guān)系，分為增光式光電編碼器和絕對式光電編碼器，前者輸出兩路正交的方波信號(hào)，脈沖對應(yīng)角位移增量，角位移的基準(zhǔn)點(diǎn)由每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)的 Z 脈沖確定，后者在旋轉(zhuǎn)碼盤上制成 812個(gè)碼道，用不同的數(shù)碼指示轉(zhuǎn)子磁極位置 [4,5]。 PWM 控制技術(shù) 電壓源型 PWM 技術(shù) 利用功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷把直流電壓變成一系列寬度不等的矩形電壓脈沖序列，通過改變脈沖寬度和輸出周期實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。 PWM 控制技術(shù)大體上課分為三大類：正弦波形 PWM、優(yōu)化 PWM 和隨機(jī) PWM。 正弦波形 PWM 按照追求正弦波形的物理量不同，分為電壓正弦（即通常的SPWM）、電流正弦 PWM（即通常的電流值環(huán)控制）和 磁通正弦 PWM（即通常的 SVPWM）。 SVPWM 即空間矢量 PWM，它從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。由于該控制方法把逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體來處理，所得模型 簡單、便于微處理器實(shí)時(shí)控制，并具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪聲低，直流電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)，因此，成為近年來最受歡迎的調(diào)制方法