【正文】 燕 山 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 終期 報(bào)告 課題名稱： 永磁同步電機(jī) SVPWM 控制及仿真 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2021 級(jí)自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2021 年 3 月 摘要 永磁同步電機(jī) (PMSM)因其體積小、磁密度高、可靠性好以及對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn) ，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空航天等領(lǐng)域。而伴隨著這些領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更高的調(diào)速精度、更大的調(diào)速范圍以及更快的響應(yīng)速度成為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的迫切要求。 本文研究永磁同步電機(jī) (PMSM)矢量控制系統(tǒng)。一方面，采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）算法，在 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下，通過對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、 SVPWM 逆變器、速度控制器等功能模塊的建立與組合，構(gòu)建了 PMSM 控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型及自適應(yīng)模糊控制仿真模型。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)模型具有很好的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。另一方面，提出了一種自適 應(yīng)模糊 PI 控制器 ,將模糊控制器與 PI 控制器結(jié)合在一起，利用模糊邏輯控制，并把 MATLAB 中的 Fuzzy Toolbox 和 SIMULINK 有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了 PI 控制器的在線自調(diào)整。進(jìn)一步完善了 PI 控制器的性能，提高了系統(tǒng)的控制精度。仿真結(jié)果表明：該控制器達(dá)到了滿意的控制效果。 關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；空間矢量脈寬調(diào)制； PI 控制；模糊控制 ABSTRACT Permanent Mag Synchronous Motors (PMSM) are widely used in industrial and agricultural production and the field of Aeronautics and Astronautics for their advantages, such as pactness ,high efficiency, reliability and adaptability to the environment. Along with the continuous development of these areas, wider speedregulating range and faster response. Vector control of PMSM was studied in the paper. For one thing, a novel method for modeling and simulation of PMSM system in MATLAB had been proposed. In MATLAB/SIMULINK, the independent functional blocks and such as vector controller blocks, hysteresis current controller blocks and speed controller , etc., had been modeled. By the anic bination of these blocks, the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results. For another thing, in this paper a kind of selfadaptive fuzzy PI control system is discussed, it uses fuzzy logic controller which is bined with PI controller and the anic bination of Fuzzy Toolbox and SIMULINK that makes the selfadaptive of PI controller possible. It perfects the properties of PI controller and improves the precision of control system. The result of simulation indicated that the controller gives a good control performance. Key words: PMSM。SVPWM。PI controller。fuzzy control 第一章 緒論 本課題的研究意義及目的 本課題的研究意義 永磁同步電機(jī)（ permanent mag synchronous motor）是指采用永磁磁 鐵為轉(zhuǎn)子的同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)的以 大致不變的速度運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通車床等。這類機(jī)械設(shè)備大量采用普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，能源浪費(fèi)厲害。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能的重視和國家對(duì)高效電機(jī)和永磁電機(jī)的推廣力度的加大，這些節(jié)能潛力大的設(shè)備都有被永磁電機(jī)和普通高效電機(jī)代替的需求。而這些機(jī)械采用永磁電機(jī)則可獲得比普通電機(jī)高得多的效率和功率因數(shù)。 在某些場合，負(fù)載率低，若采用普通電機(jī)，輕載時(shí)功率因數(shù)和效率低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍窄，造成大量的電能浪費(fèi)。若采用永磁電機(jī)，部分設(shè)備可適當(dāng)?shù)慕档碗姍C(jī)容量，可以實(shí)現(xiàn)高效、高功率因數(shù) 和寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，節(jié)約大量的電能。 在一些生產(chǎn)機(jī)械中，要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率之間沒有嚴(yán)格的固定關(guān)系，隨著負(fù)載的變化而變化，即使是同一廠家生產(chǎn)相同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速也有一定的差別，難以保證多臺(tái)電動(dòng)機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間有嚴(yán)格的固定關(guān)系，只要多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率和電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)相同，就可以方便的實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。這在某些紡織設(shè)備上已得到很好的推廣。既節(jié)約了能源，又能很方便的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。這對(duì)于國家提出的節(jié)能減排政策和國家社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)具 有最要意義。 課題目的 本課題以永磁同步電機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩種控制器，即傳統(tǒng)的線性PI 控制器和自適應(yīng)的模糊控制策略。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制可以獲得很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能起主要作用。線性 PI 控制器的主要組成部分為比例 — 積分環(huán)節(jié)，積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。恢钡狡顬榱?，累積才會(huì) 停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。在串聯(lián)校正時(shí)， PI 控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于 s 左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能； 而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和 PI 控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù) iT 足夠大， PI 控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱，在控 制工程中， PI 控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 永磁同步電機(jī)本身的參數(shù) (如電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)）可能在某些應(yīng)用場合會(huì)隨工作情況而變化 。同時(shí)，交流電機(jī)本身實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性的被控對(duì)象。控制對(duì)象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的PID 調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，為了使永磁同步電機(jī)能夠在更惡劣的環(huán)境下運(yùn)行 ， 本 課 題 又 在 完 成 課 題 任 務(wù) 的 基 礎(chǔ) 上 增 加 了 模 糊 控 制 。 模糊控制具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)使用語言方法 , 可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型 。 (2)魯棒性強(qiáng) , 適于解決過程控制中的非線性、強(qiáng)耦合 時(shí)變、滯后等問題 。 (3)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力 。 (4)操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)系 , 這些模糊條件語句容易加到過程的控制環(huán)節(jié)上。 永磁同步電機(jī)及電機(jī)調(diào)速概述 同步電機(jī)的特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系，只要電源頻率不變，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就保持不變，與負(fù)載大小無關(guān)。此外，通過改變勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)同步電機(jī)的功率因數(shù)，若使其工作在容性狀態(tài)下向電網(wǎng)輸送超前無功，則可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但是，同步電機(jī)也存在 啟動(dòng)困難和重載時(shí)失步的缺點(diǎn)，這一問題在很大程度上限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。 由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，各種容量和形式的變頻電源、整流裝置的研制成功以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，使同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)了嶄新的局面。變頻裝置作為同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)設(shè)備解決了同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的問題；以微處理器為核心的轉(zhuǎn)速和頻率的閉環(huán)控制，又解決了同步電動(dòng)機(jī)的失步問題。這兩個(gè)問題的解決從根本上改變了同步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)這一領(lǐng)域的地位。 小功率的永磁同步電機(jī)，由于變頻電源供電，從而組成了新一代的交流伺服系統(tǒng)。在機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等 領(lǐng)域也越來越顯示出它的優(yōu)越性。因而永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)也逐步成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 永磁同步電機(jī)的發(fā)展概述 永磁同步電機(jī)是交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以永磁同步電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)備，它以永磁體替代電勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁繞組。永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代，它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單。永磁同步電機(jī)省略了普通同步電機(jī)所特有的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。由永磁體激磁，無須激磁電流，因而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。 20 世紀(jì) 60 到 80 年代，稀土鈷永磁和 釹鐵硼永磁的相繼問世，把永磁同步電機(jī)的發(fā)展推入了一個(gè)新的歷史時(shí)代。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以制造出許多新型的、性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品和裝備，代表了 21 世紀(jì)電機(jī)發(fā)展方向。目前，永磁同步電機(jī)朝著高效節(jié)能、機(jī)電一體化、高性能、專用電機(jī)和輕型化方向發(fā)展。 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是由控制部分、功率部分 和電動(dòng)機(jī)三大要素組成的一個(gè)有機(jī)整體。各部分可以相互組合而構(gòu)成多種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然調(diào)速系統(tǒng)在電流形式分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩類，但在交流調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展為兩類主要的調(diào)速系統(tǒng)。目前已形成直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)三大類的調(diào)速系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)差功率消耗型、轉(zhuǎn)差功率饋送型和轉(zhuǎn)差功率不變型；而同步電機(jī)轉(zhuǎn)差恒等于零即無轉(zhuǎn)差功率，所以只有無轉(zhuǎn)差不變型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速優(yōu)良，數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制的優(yōu)點(diǎn)。其換向器與電刷的位置保證了 電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦。也正是由于這個(gè)特點(diǎn)使得直流電動(dòng)機(jī)存在著不可避免的缺陷：機(jī)械換向器和電刷造價(jià)偏高；維護(hù)困難；使用環(huán)境受限；壽命短；在容量發(fā)展上受限制。直到 1960 年，晶閘管研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術(shù)發(fā)展的新時(shí)代。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體開關(guān)器件的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但調(diào)速性能可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且和直流電動(dòng)機(jī)相比還具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、價(jià)格低廉、重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)費(fèi)用低，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。 新型電力電子技術(shù)器件和脈寬調(diào)制 （ PWM）技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代的電力電子變換裝置中， PWM 變壓變頻技術(shù)是主要使用的變換器控制技術(shù)，常用的 PWM 控制技術(shù)有：基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制 SPWM 控制；基于消除指定次數(shù)諧波的 HEPWM 控制；基于電流環(huán)跟蹤的 CHPWM 控制；電壓空間矢量控制 SVPWM 控制。在以上的 4 種 PWM 變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第 3 種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第 4 種則以被控電機(jī)的算法簡單，因此目前應(yīng)用最廣。 永磁同步電機(jī)有以下幾種控制方式： (1) 0?di 控制。定子電流中只有交流分量，且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等場合