【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真王興龍燕 山 大 學(xué)2013年 6月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真學(xué)院（系）：里仁學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：09級(jí)應(yīng)用電子 學(xué)生 姓名： 王興龍 學(xué) 號(hào)：091203031036 指導(dǎo) 教師：楊國(guó)良 答辯 日期：2013年6月16日 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū)學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電氣工程系 學(xué)號(hào)091203031036學(xué)生姓名王興龍專(zhuān) 業(yè)班 級(jí)里仁應(yīng)電092題目題目名稱(chēng)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真題目性質(zhì)：工程設(shè)計(jì) （ 214。 ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。（ ）；（ ）；（ ）。題目類(lèi)型（214。 ） （ ）題目來(lái)源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（214。 ） 主要內(nèi)容1 查詢(xún)矢量控制控制的技術(shù)資料，閱讀消化理解工作原理。2 掌握永磁同步電機(jī)矢量控制控制的一般原理。3 根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)一個(gè)PMSM矢量控制系統(tǒng)，并給出仿真過(guò)程及結(jié)果。4 給出全部設(shè)計(jì)參數(shù)和圖紙。基本要求1． 按電氣工程學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫(xiě)規(guī)范的要求完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（），A0圖紙。2． 說(shuō)明書(shū)及插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形及文字符號(hào)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。參考資料1．矢量控制的相關(guān)文獻(xiàn)2．PMSM矢量控制的相關(guān)文獻(xiàn)3．工程設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)周 次1—4周5—8周9—11周12—15周16—17周應(yīng)完成的內(nèi)容查閱并消化理解資料，找出主要問(wèn)題，確定主電路拓?fù)淞私夤ぷ髟?，設(shè)計(jì)、計(jì)算電路有關(guān)參數(shù)。利用仿真軟件進(jìn)行局部電路的仿真。給出全部工程圖紙和元器件表。撰寫(xiě)論文畫(huà)圖、準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：楊國(guó)良職稱(chēng)：副教授2012 年12 月 12日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日摘要交流永磁同步電機(jī)由于無(wú)勵(lì)磁、損耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及速度準(zhǔn)確恒定，近年來(lái)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了永磁同步電機(jī)的分類(lèi)以及我國(guó)可達(dá)到的最高水平和世界可達(dá)到的最高水平，主要進(jìn)行了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究，其主要內(nèi)容如下：本文首先介紹了永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換的內(nèi)容之后，論文對(duì)電壓空間矢量(SVPWM)的原理、合成,扇區(qū)判斷,矢量作用時(shí)間，切換時(shí)間等進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。此外，在MATLAB中做出了實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量(SVPWM)的原理、合成,扇區(qū)判斷,矢量作用時(shí)間，切換時(shí)間功能的模塊，接著又建立了基于MATLAB的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的框圖。之后，選擇了合適的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)它得到了較好的仿真波形。最后，通過(guò)觀察電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置角波形、轉(zhuǎn)速波形和定子、轉(zhuǎn)子電流波形更好地控制了電機(jī)。本論文的仿真結(jié)果證明了采用基于的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式配合電壓矢量控制可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的控制。關(guān)鍵詞　永磁同步電機(jī)；矢量控制；MATLAB；坐標(biāo)變換。 PI調(diào)節(jié)器AbstractAc permanent magnet synchronous motor due to no excitation, low loss, high efficiency, simple structure and accurate constant speed, in recent years is widely applied in motion control field. Classification of permanent magnet synchronous motor were introduced in this paper, and can achieve the highest level in our country and the world can reach the highest level, mainly for the permanent magnet synchronous motor vector control system of research, its main content is as follows: Switching time and so on were carried on the detailed description. In addition, the realization of the principle of voltage space vector (SVPWM), synthetic, sector, vector effect time, switching time module in MATLAB to make by me. Then a permanent magnet synchronous motor vector control system based on MATLAB block diagram was success established by me. Later, suitable PI controller parameters were chosen by me. Simulation waveform is good by adjusting the parameter of PI regulator. Finally, the instantaneous position of motor rotor Angle waveform, waveform of rotation speed and the stator, rotor current waveform are obtained. The motor is better controlled. The permanent magnet synchronous motor which are better realized based on the speed and current double closedloop control method with voltage vector control system are proved by simulation results.Key words: permanent magnet synchronous motor。 Vector control。 Matlab。 Coordinate transformation。 PI tuning 目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 課題背景 1 1 1 3 5 MATLAB仿真系統(tǒng) 6 MATLAB簡(jiǎn)介 6 MATLAB發(fā)展?fàn)顩r 10 12第2章 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理 13 13（SVPWM） 15 16 SVPWM的原理 17 SVPWM的合成 20 SVPWM的扇區(qū)判斷 22 七段式SVPWM的實(shí)現(xiàn) 22 23第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 24 的SVPWM 仿真 25 扇區(qū)判斷部分的Simulink框圖 25 參數(shù)X ,Y ,Z 形成的Simulink框圖 26 矢量作用時(shí)間的Simulink框圖 26 扇區(qū)比較值Simulink框圖 27 28第4章參數(shù)計(jì)算 29 29 常規(guī)PI控制器的設(shè)計(jì) 30 PI控制器的參數(shù)設(shè)定 31 34第5章 仿真結(jié)果與分析 35 35 39結(jié)論 40參考文獻(xiàn) 41致謝 44附錄1 開(kāi)題報(bào)告 45附錄2 文獻(xiàn)綜述 50附錄3 中期報(bào)告 54附錄3 中文譯文 59附錄5 外文原文 68 第1章 緒論 課題背景由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的跨進(jìn)。以DSP為核心的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，由于其控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改，便于分布式控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)。由于調(diào)速控制技術(shù)是決定交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以這也是國(guó)外交流調(diào)速技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國(guó)內(nèi)交流調(diào)速使用的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的調(diào)速控制技術(shù)已成為制約我國(guó)高性能交流調(diào)速技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。所以，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面仍然不是很理想，市場(chǎng)的大部分還是被國(guó)外公司所占據(jù)，為了加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)全面的了解和學(xué)習(xí)，并且有所創(chuàng)新。因此研究高性能交流調(diào)速控制技術(shù)，特別是最具應(yīng)用前景的永磁同步電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。永磁（PM）電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比、功率密度高、效率和功率因數(shù)高的特點(diǎn),因此在工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。永磁電機(jī)分為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）[1]。其中BLDC通常具有方波反電動(dòng)勢(shì)波形。方波反電動(dòng)勢(shì)由定子集中繞組和方波充磁的表面磁鐵產(chǎn)生。因?yàn)槠浞讲ㄐ螤畹姆措妱?dòng)勢(shì)，所以轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量可以非常方便地利用反電動(dòng)勢(shì)得到，并且其控制方式也非常的簡(jiǎn)單。但是簡(jiǎn)單的逆變器控制導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。BLDC通常用于小型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)硬盤(pán)，壓縮機(jī)和風(fēng)扇中。因?yàn)槊}動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，BLDC一般不太適合于高性能要求的驅(qū)動(dòng)。PMSM與BLDC的不同僅在于控制策略和激勵(lì)電壓的方式。在PMSM中，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的形狀基本是正弦的，其正弦的純度取決于永磁材料充磁的質(zhì)量。如果永磁鐵在轉(zhuǎn)子中的放置正確，理想正弦的氣隙密度是可以得到的。因?yàn)閷?shí)際上定子繞組不會(huì)精確正弦分布，因此其氣隙密度也只能是近似正弦。 PMSM 的不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（a）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式 （a）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和永磁體的安裝方法對(duì)電機(jī)的性能影響很大。面貼式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。此外，這種類(lèi)型的電機(jī)易于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)成近似正弦分布，從而減小磁場(chǎng)諧波及其負(fù)面效應(yīng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式永磁同步電機(jī)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度，使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，所以常被傳動(dòng)系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)采用，但是漏磁系數(shù)和制造成本較面貼式都大。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，能有效地避免永磁失磁，采用內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)性能好，廣泛應(yīng)用在動(dòng)態(tài)性能要求高的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)較大。對(duì)于采用稀土永磁材料的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近，所以,面貼式永磁同步電機(jī)在電磁性能上屬于隱極永磁同步電機(jī)而插入式永磁同步電機(jī)相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極永磁同步電機(jī)，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)在電磁性能上也屬于凸極永磁同步電機(jī)，且凸極率更高。永磁同步電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)。新型永磁材料的出現(xiàn)極大促進(jìn)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八十年代釹鐵硼稀土永磁材料問(wèn)世,由于釹資源豐富,以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷,價(jià)格較為低廉。釹鐵硼稀土永磁材料磁性能好,大大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)[2]。我國(guó)十分重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研究開(kāi)發(fā),并列入了國(guó)家“863”攻關(guān)計(jì)劃。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā),取得了豐碩成果,開(kāi)發(fā)了5種類(lèi)型22個(gè)典型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī)。1)3種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)樣機(jī),成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4項(xiàng)互相制約的巨大矛盾。2)化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電機(jī)(6個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比,所開(kāi)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高,失步轉(zhuǎn)矩是原有的3159倍,牽入轉(zhuǎn)矩提高了3倍。3)機(jī)床主軸用715kW高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)?！?000r/min(國(guó)內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為8r/min～8000r/min),恒功率調(diào)速比達(dá)到1:6。4)電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用釹鐵硼永磁材料開(kāi)發(fā)的715kW輕微型電動(dòng)客車(chē)用永磁同步電機(jī)系統(tǒng),電機(jī)重量為45kg,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5500r/min。%,m/kg(風(fēng)冷),m/kg(m/kg)(油冷),m/kg。5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4個(gè)規(guī)格樣機(jī))。以此所開(kāi)發(fā)的電機(jī)把原來(lái)永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極,節(jié)省釹鐵硼永磁材料約30%。自從20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作為工業(yè)設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)源之一的調(diào)速系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，研究和發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的共識(shí)。近年國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者從提高系統(tǒng)以“硬形式”存在的包含PMSM、逆變器、檢測(cè)元件