【正文】 電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并在此基礎上進行了大量的仿真研究。 本文首先建立了永磁同步電動機的數(shù)學模型，深入研究了永磁同步電動機的矢量控制理論，并在此基礎上討論了永磁同步電動機的控制方案，經(jīng)比較矢量控制的四種電流控制方法，確定了基于id =0的矢量控制方案及其電流反饋控制系統(tǒng)結構，并分析了電流解耦的主要影響因素。畢業(yè)設計（論文）題目：基于滑模變結構的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的研究指導老師：肖海峰學生 ：劉劭楓學號 ：1030301133921班級 ：電氣1339專業(yè) ：電氣自動化技術院系 ：電氣工程系學校 ：西安航空學院基于滑模變結構的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的研究摘 要 隨著電力電子技術、微型計算機技術、稀土永磁材料和控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電動機在中小功率的運動控制系統(tǒng)中得到了廣泛應用，尤其是在伺服傳動領域，永磁同步電動機逐步取代直流電動機、步進電動機成為伺服驅(qū)動的發(fā)展方向。因此，研究以永磁同步電動機為執(zhí)行電機、以數(shù)字信號處理器為核心器件、采用矢量控制策略實現(xiàn)全數(shù)字式的永磁同步電動機系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實意義。最后從滑模變結構理論出發(fā)，針對永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，設計了滑模變結構與PI的組合速度環(huán)控制器，克服了常規(guī)滑模控制器(VSC)在滑模面附近的高頻顫動，提高了穩(wěn)態(tài)精度。同時結合實際系統(tǒng)，介紹了以TMS320F2812力控制核心的全數(shù)字化永磁同步電機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，對控制系統(tǒng)硬件和軟件各部分的結構和功能作了詳細闡述。仿真及實驗結果均表明本系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性以及較高的精度。關鍵詞永磁同步電動機；矢量控制；滑模變結構組合控制；空間電壓矢量脈寬調(diào)制目 錄摘 要第1章 緒論……………………………………………………………………………………1 ………………………………………………………………………1 …………………………………………………………2 PMSM及其控制技術發(fā)展的概況………………………………………………………3 PMSM的發(fā)展概況………………………………………………………………….3 PMSM控制技術發(fā)展的概況………………………………………………………..4 ………………………………………………………………….5第2章PMSM的數(shù)學模型及矢量控制策略………………………………………………….6 PMSM的數(shù)學模型………………………………………………………………………6 …………………………………………..6 ……………………………………………………………………………..8 ……………………………………………… 10 PMSM矢量控制的基本原理………………………………………………………… 12 ……………………………………………13 ……………………………………14 …………………………………………………………………………………l5第3章基于滑模變結構的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)………………………………….16 ……………………………………….…………………… .l6 ………………………………..…………………… .l6………………………………………………………17 ………………………………..…………………… .l8 ……………………….………………… .19 ………………………………………….……………… .……l9 ……………………………………………19 ……………………………………………… .21 ……………………………………………………………………………… .23第4章PMSM滑模變結構矢量控制系統(tǒng)的仿真研究………………………………… .…24 …………………………………………………..………………………24……………………………………………………………..……25 SVPWM的仿真模塊………………………………………………………………………26 …………………………………………………..……26 ………………………………………...…………26 …………………………..………………………………27 ……………………………………………………28 PMSM控制系統(tǒng)的仿真結果和波形分析………………………...………………………28 ……………………………………………………………………………………32第5章PMSM矢量控制系統(tǒng)的軟硬件設計…………………………………… ……………33 ………………………………………… ………………………………33 TMS320F2812簡介…………………………………………………………………….34 ………………………………… …………………………………34 …………………………………………………………………… ……35 ‘j驅(qū)動電路設計……………………………………………………… ……36 …………………………………………………………………….……38 …………………………………………………… ……………………………38 ………………………………………………………39 PMSM的轉(zhuǎn)速計算與初始位置定位………………………………………….………40 …………………………………………………………………………………43第6章系統(tǒng)實驗結果分析……………………………………..………………………………44 PMSM實驗系統(tǒng)的結構……………………………………………………… .………44 PMSM控制系統(tǒng)的實驗性能分析…………………………………………………… .45 …………………………………………………………………………………47結論……………………………………………………………..………………………………48參考文獻…………………………………………………………………………………..……49第1章 緒 論 課題的背景和意義 隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化的發(fā)展，對伺服控制系統(tǒng)提出了更多性能方面的要求，而以永磁同步電動機( PMSM)為執(zhí)行機構的伺服系統(tǒng)由于具有穩(wěn)定性好、精度高和功率密度大等特點，使其逐漸成為現(xiàn)行伺服系統(tǒng)的主流。因此，研究和開發(fā)永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)具有非常廣闊的應用前景【1】。如果采用異步電動機構成伺服系統(tǒng)是難以滿足這些要求的，而由永磁同步電動機構成的伺服傳動系統(tǒng)則比較容易實現(xiàn)。 交流調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞不僅與電機本體有關，還很大程度上取決于電機控制策略的選擇。而目前應用較成熟的一種電機拉制策略是矢量控制，其是經(jīng)過多次的坐標變換，將交流電動機電流矢量解耦成類似于直流電動機的勵磁、轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)對交流電動機磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量的完全解耦控制，從而獲得類似于直流電動機的控制效果，因此使得采用矢量控制的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)異的控制性能，使永磁同步電動機不論運行在低速區(qū)還是在高速區(qū)，其動靜態(tài)性能均達到直流調(diào)速系統(tǒng)的水平。但使用直接轉(zhuǎn)矩控制策略控制的永磁同步電動機，其不僅啟動比較困難，而且在啟動及負載變動過程中電流沖擊較大，并伴隨較大磁鏈及轉(zhuǎn)矩的脈動。 綜上所述，選用矢量控制技術的永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)，不僅能夠克服同步電動機標量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的缺點，而且使永磁同步電動機的調(diào)速范圍、抗擾特性、啟制動特性、穩(wěn)速特性均達到直流調(diào)速系統(tǒng)的水平。 由于PMSM自身的特點，使其引起了人們廣泛關注。近幾年來國內(nèi)不少高校對PMSM及PMSM矢量控制系統(tǒng)進行了深入研究，但是國內(nèi)外產(chǎn)品在實用化方面卻存在著較大的差距。本文最終提出了基于DSP的全數(shù)字式永磁同步電動機矢量控制方案，并建立一套仿真和實驗平臺，從而為永磁同步電動機拄制系統(tǒng)的開發(fā)和應用奠定了基礎。因此，為便于了解永磁同步電動機控制系統(tǒng)的特點，有必要先了解一下電機的基本結構。其表面分為表面式永磁同步電機和內(nèi)嵌式永磁同步電機，其定子和普通的繞線式伺服電動機一樣，而轉(zhuǎn)子則采用強抗退磁的永磁磁鋼代替電勵磁，見圖11，具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱的優(yōu)點，結構簡單，堅固耐用、控制也比較簡單，并且轉(zhuǎn)矩控制特性好。但由于當時用的永磁材料為天然的磁鐵礦石，不僅磁能密度低，而且用它制成的永磁體電機體積龐大，使其不久便被電勵磁電機所取代。特別是1983年問世釹鐵硼（NdFeB）永磁材料，由于具有低廉的成本、優(yōu)異的磁能特性和充足的原材料等原因，便引起了世界各國的廣泛關注，并進行了無數(shù)的研究和應用研究工作。另外，由于我國稀土材料資源豐富，其蘊藏量占全世界總量85%以上，因而在開發(fā)應用高性能稀土永磁材料方面擁有得天獨厚的條件。在稀土永磁電機的理論設計、結構工藝、計算方法和驅(qū)動控制策略等方面的研究出現(xiàn)了很大的突破，形成了以等效磁路解析和電磁場數(shù)值計算相結合的分析方法和計算機分析軟件。此外，永磁材料的優(yōu)異的磁能特性、輕量化、體積小等特點，給永磁同步電動機帶來如下特點：電機結構簡單、堅固耐用、體積小、重量輕、電磁轉(zhuǎn)矩波動小、靜態(tài)特性良好、動態(tài)響應快，過載能力強、低損耗、高效率、節(jié)約能源等等。而且 PMSM將會延續(xù)目前良好的發(fā)展勢頭，必將在各個領域獲得廣泛的應用【】 。近年來，他們從提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)性能出發(fā)，進行了長時間的深入研究，取得大量重要的研究成果?？v觀PMSM控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，其控制策略分為矢量控制技術和直接轉(zhuǎn)矩控制技術。另由于PMSM自身性能比感應電動機更為優(yōu)越，而且PMSM轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測，因而使得矢量控制技術在PMSM的控制得到了更為廣泛的應用。這兩種方案各具特點，如何根據(jù)它們的特點找到其最佳應用場合，最大限度地發(fā)揮出這兩種控制技術在PMSM控制領域應用中的潛力有著深遠的現(xiàn)實意義。其中的一個重要分支一智能控制，其在電氣傳動控制系統(tǒng)中的運用已成為目前電氣傳動控制的主要發(fā)展方向。 由于PMSM本身具有強耦合性、非線性的特點，加之系統(tǒng)實際運行時還會受到運行環(huán)境的干擾，因此常規(guī)的控制策略已經(jīng)很難滿足高性能PMSM控制系統(tǒng)的性能要求。 本文主要對永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)進行了理論分析、系統(tǒng)的軟、硬件設計、仿真研究以及實驗論證。 2．分析坐標變換原理，分別建立在靜止坐標系、同步旋轉(zhuǎn)坐標系下PMSM的數(shù)學模型，深入研究PMSM矢量控制的基本工作原理及其電流控制方法，并確定電流反饋控制的系統(tǒng)結構，分析電流解耦控制環(huán)節(jié)的主要影響因素。 4．采用Matlab建立基于滑模變結構的PMSM矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并在此基礎上對控制系統(tǒng)進行大量的仿真研究，從而為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供理論依據(jù)。 6．對以TMS320F2812 DSP為控制核心的PMSM矢量控制系統(tǒng)進行實驗測試并進行大量的分析，其結果表明該控制系統(tǒng)設計合理且具有良好的性能。因此，為便于對永磁同步電機進行分析與控制，本章首先建立永磁同步電動機的數(shù)學模型，并在此基礎上介紹矢量控制的基本原理及其電流解耦控制方法，確定其電流解耦控制系統(tǒng)結構，并分析電流解耦環(huán)節(jié)中的主要影響因素。是永磁同步電動機控制系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。 PMSM的數(shù)學模型 由PMSM的電磁關系可知其數(shù)學表達方程為時變微分方程，該微分方程的系數(shù)是隨著電機的轉(zhuǎn)子和定子的相對位置變化的時間函數(shù)。而20世紀20年代建立的Park方程將同步電機定子坐標系中所有變量等效地由轉(zhuǎn)子坐標系變量來替代，消除了同步電機數(shù)學模型中的時變系數(shù)，簡化了同步電機數(shù)學模型，成為研究同步電機的重要方法。這一節(jié)將探討矢量控制坐標變換及永磁同步電機的電磁特性，并闡述分別在靜止坐標和旋轉(zhuǎn)坐標下的PMSM的數(shù)學模型【11】。為了方便對永磁同步電機進行分析，建立現(xiàn)實可行的永磁同步電機數(shù)學模型，通常做出如下假設： 1．假設PMSM的磁路是線性的，并且不考慮電機磁滯、渦流影響和磁路飽和的影響； 2．假設三相繞組ABC是完全對稱的，且不計其邊緣效應影響； 3．假設忽略齒槽效應的影響，電機定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁動勢，并且忽略電機運行時高次諧波； 4．假設不計鐵心損耗。在ABC三相坐標系下的磁鏈方程為寫成向量形式，上式可表示為，在以上兩式中式中 iA，iB，iC，為三相繞組ABC相電流；uA，uB，uC，為三相繞組ABC相電壓；Ψf為PMSM轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵磁磁鏈；LA，LB，LC，為PMSM定子繞組自感系數(shù)；MXY = MYX，為PMSM定子繞組的互感系數(shù)；Rs，為PMSM定子相繞組的電阻；θ為轉(zhuǎn)子d軸超前定子定子參考軸線as的電角度。電機運動方程是描述電機電磁轉(zhuǎn)矩與電機運動狀態(tài)之間的關系，其方程的表述會比較簡單。因此，由上述知在靜止三相坐標系中，PMSM的數(shù)學模型較為復雜，其主要原因系統(tǒng)的非線性。 坐標變換通常分成“等量”和“等功率”變換兩種?！暗裙β省弊儞Q在坐標變換前后功率相等，或稱√2/3變換。這里遵循“等功率”原則進行坐標變換。圖中定義αβ軸系的α軸與靜止空間坐標系中的參考軸線即定子A相繞組重合，軸β超前軸α90176。由于軸α與在A相繞組軸線重合，故稱αβ軸系為電機三相靜止坐標系。電角度，A相定子繞組與d軸之間的夾角為θ，dq軸坐標系在空間上隨電機轉(zhuǎn)子以電角度ωe一同旋轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)坐標系【】 。 參見圖23所示，其d軸的方向是永磁同步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子磁極的軸線方向，系統(tǒng)的d軸滯后q軸90度電角度，在旋轉(zhuǎn)坐標系中PMSM的等效模型如下圖24示。另外θ為PMSM勵磁鏈與其A相繞組軸線的夾角。永磁同步電機在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁鏈、電壓方程為電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程用dq軸系分量來表示式（211）中磁鏈和電流綜合矢量，有將式（）代入（211）中電機電磁轉(zhuǎn)矩方程變換為將磁