【正文】 I 摘 要 本文首先介紹了永磁同步電機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r ， 然后 介紹了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理 ， 接著 建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ， 并在 此 基礎(chǔ)上用 MATLAB進(jìn)行了仿真 ， 最后 進(jìn)行了仿真 及 仿真結(jié)果的分析。 永磁 同步電機(jī)是具有非線性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性的系統(tǒng) ， 在運(yùn)行過程中 會(huì) 受到負(fù)載擾動(dòng)等 多 因素影響。 以往 研究永磁同步電機(jī)的 做法是在硬件上搭建一個(gè)平臺(tái) 進(jìn)行模擬 ， 但是這樣在做實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)造成一些損失 ， 而 且硬件上的反饋會(huì)比較長研究周期長 。 目前 在國內(nèi)外關(guān)于永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的研究現(xiàn)狀上來講 ，基于 MATLAB 環(huán)境下仿真模型 的構(gòu)建 下 進(jìn)行研究 ， 這 可 極大的縮短研究周期 和 研究成本 。 在利用 MATLAB 仿真模型研究永磁同步電機(jī)時(shí) ， 我們可以把那些擾動(dòng)因數(shù)做成模擬信號(hào)給予模型 ， 這樣可以準(zhǔn)確的定性分析實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。 關(guān)鍵字：永磁同步電機(jī) ， 空間矢量調(diào)制 ， MATLAB 仿真 ， 數(shù)學(xué)模型 。 II ABSTRACT In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Mag Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematical model, and uses MATLAB to simulate that model. The PMSM is a nonlinear, strongcoupling and timevarying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The former research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them. Keywords： PMSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model III 目 錄 摘 要 .............................................. I ABSTRACT ............................................ II 目 錄 ............................................. III 第一章緒論 ........................................... 1 研究背景及意義 ...........................................1 研究背景 ...........................................1 研究的目的及意義 ...................................1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...........................................2 國內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀 .................................2 國外研究現(xiàn)狀及趨勢 .................................2 本文的主要內(nèi)容 ...........................................3 第二章永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 ............ 5 引言 .....................................................5 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ...............................5 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ...........................6 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................6 PMSM 在 0?? 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................8 PMSM 在 dq0 坐標(biāo)系下的磁鏈和電 壓方程 .................9 永磁同步電機(jī)的控制策略 ..................................11 本章小節(jié) ................................................12 第三章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ........ 14 引言 ....................................................14 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 ................................14 IV 空間矢量脈寬調(diào)制概念 ....................................15 SVPWM 模塊的建立 .........................................17 本章小結(jié) ................................................23 第四章 基于 Matlab 的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ... 24 引言 ....................................................24 MATLAB 軟件的介紹 ........................................24 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體模型的建立 .......................25 仿真參數(shù)調(diào)試及結(jié)果分析 ...................................28 本章小結(jié) .................................................29 第五章 總結(jié)與展望 ................................... 30 ......................................... 30 參考文獻(xiàn) ............................................ 31 致謝 ................................................ 33 1 第一章緒論 研究背景及意義 研究背景 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展 ， 交 流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能 ， 交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。 而 永磁 同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 能使電機(jī)的 功率因數(shù) 更 高、轉(zhuǎn)子參數(shù) 變的 可測、效率 更 高 等 特點(diǎn) ， 近年來 永磁 同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究 也 越來 越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的 重視 [1]。 而 對于 永磁 同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究主要是依據(jù) Matlab 的仿真 ， 在 Matlab 中進(jìn)行 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ PMSM） 建模仿真方法的研究 ， 以 往 大部分的研究是采用 的是 節(jié)點(diǎn)電流法對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析 ， 然后 通過列寫 nt 文件 來 建立PMSM 的 仿真模型。 這實(shí) 質(zhì)上是一種整體分析方法 ， 但是 在此模型基礎(chǔ)上修改控制算法或添加、刪除閉環(huán) 會(huì) 顯得極不方便 。 為了克服這一不足 ， 本文 利用的是 將控制單元模塊化 的仿真 方法 。 對于研究永磁同步電機(jī)的研究人員 來講 ， 只需 通過修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動(dòng) 因 素來考察不同實(shí)驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能 ， 或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件 ， 比較不同控制策略的優(yōu)劣 ， 來 分析和設(shè)計(jì) 永磁同 步電機(jī) 調(diào)速 系統(tǒng) ，就 可 為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供新的思路。 研究的目的及意義 近十年來 ， 隨著永磁材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展。 永磁同步 電動(dòng)機(jī)控制存在的 硬件 問題得以逐步解決。永磁同步電機(jī)由于體積小 ， 重量輕 ， 磁性能穩(wěn)定 ， 具有較高的運(yùn)行效率、 較小的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、可 支持 高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn) ， 在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中 ， 諸如高性能機(jī)床進(jìn)給、位置控制、工業(yè) 機(jī)器人、航空航天等眾多領(lǐng)域 同步電機(jī) 得到了廣泛應(yīng)用 [2]。 但是為了 得 到更好的控制效果更高效的生產(chǎn)效率 對于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究提出了 新的 更高的要求 。 本課題主要研究基于 Matlab 的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 ， 在 Simulink 中建立整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 并 給出仿真結(jié)果。該課題主要是為了在研究永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)搭 建好一個(gè)仿真的平臺(tái) ， 能夠在研究過程中及時(shí)的實(shí)現(xiàn)研究要 2 求的控制策略進(jìn)行相關(guān)的條件給予模擬 ， 以代替以往只能在實(shí)際硬件中進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)的研究。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀 我國從 20 世紀(jì) 70 年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù) ， 主要研究力量集中在高等院校和科研單位 ， 以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng) 用方向 。主要研究機(jī)構(gòu)是北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽自動(dòng)化所等。 80 年代之后開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域 ， 直到 2020 年 ， 國產(chǎn)伺服停留在小批量、高價(jià)格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài) ， 技術(shù)水平和可靠性難以滿足工業(yè)需要。 2020 年之后 ， 隨著中國變成世界工廠 ， 制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間 ， 國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。目前國內(nèi)主要的伺服品牌或廠家有森 01(和利時(shí)電機(jī) )、華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、蘭州電機(jī)廠等。其中華中數(shù)控、 廣 數(shù)等主要集中在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域 [2]。 國 外 研究現(xiàn)狀及趨勢 在國 外 上 ， 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) ， 經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變 ， 數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在 ， 比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能 DSP 加 FPGA、以及伺服專用模塊。如貝加萊 (Bamp。R)V 業(yè)自動(dòng)化 公司推出的 ACOPOSmulti 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu) ， 每個(gè)軸模塊可以提供 12 個(gè)伺服軸控制 ， 并集成了一個(gè) 24VDC 的輔助電源模塊 ， 為驅(qū)動(dòng)器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個(gè)到直流總線的鏈接 ， 來獲得開路、短路和過載保護(hù)。在國內(nèi) ， 我們還沒有看到有廠商進(jìn)行類似的模塊式設(shè)計(jì) ， 并在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全概念。國 外廠商伺服產(chǎn)品每 5 年就會(huì)換代 ， 新的功率器件或模塊每 25 年就會(huì)更新一次 ， 新的軟件算法則日新月異 ， 總之產(chǎn)品生命周期越來越短。總結(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線 ， 結(jié)合市場需求的變化 ， 可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢 ： 1．高效率化 ：主要包括電機(jī)本身的高效率比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 也包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率化 ， 包括逆變器驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化 ， 加減速運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化 ， 再生制動(dòng)和能量反饋以及更好的冷卻方式等。 2． 直接驅(qū)動(dòng) ：由于消除了中間傳遞誤差 ， 從而實(shí)現(xiàn)了高速化和高定位精度。 3． 高速、高精、高性能化 ：采用更高精度的編碼器 (每轉(zhuǎn)百萬脈沖級 )， 更高采樣 3 精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的 DSP， 無齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī) ， 以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略 ， 不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。 4． 通用化 ：通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大 量的參數(shù)和豐富的菜單功能 ， 便于用戶在不改變硬件配置的條件下 ， 方便地設(shè)置各種工作方式 ， 適用