永磁电机调速仿真研究.docx

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永磁电机调速仿真研究

摘要

自改革开放以来，我国经济一直处在快速发展，而电机在工业、农业、运输业等国民经济主要产业中都有广泛应用。

近年来，随着永磁电机制造成本的降低，还有电力电子器件工艺的快速发展以及全数字化控制技术的推广，永磁同步电机在包括混合动力汽车、轨道交通、电梯领域等广泛的领域中都有非常多的应用前景，而且永磁同步电机未来的发展趋势也非常可观。

因此，研究永磁同步电机的控制符合当前时代的发展。

而永磁同步电机控制的难点在于静止启动和无传感器条件下的控制。

本文通过阅读大量国内外参考文献，了解目前永磁同步电机控制的研究现状，从而确立了采用无位置传感器的矢量控制方法来实现永磁同步电机的控制。

通过建立永磁同步电机的数学模型，分析永磁同步电机的矢量控制原理，提出了采用P-I低速外环启动的控制策略，采用滑模观测器的无位置传感器的矢量控制策略以及采用简化算法的空间矢量脉宽调制实现。

通过MATLAB中的SIMULINK仿真平台构建仿真系统来研究永磁同步电机的调速系统的可行性。

最后，在实际的控制平台上编写控制程序调试电机，通过实验测试和实验波形分析来验证基于无位置传感器的永磁同步单机的矢量控制系统的正确性和可行性，以及分析系统的调速性能和鲁棒性。

关键字：

永磁同步电机;矢量控制;滑模观测器;P-I控制策略;空间矢量脉宽调

制

Abstract

Sincereformandopeningup,China'seconomyhasbeeninrapiddevelopment,andthemotorinthemajorindustriesofthenationaleconomysuchasindustry,agriculture,transport,thereisawiderangeofapplications.Inrecentyears,withthepermanentmagnetsynchronousmotormanufacturingcostisreduced,therapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyandtheexpansionoffulldigitalcontroltechnology,therearesomanyapplicationprospectofpermanentmagnetsynchronousmotorinawiderangeoffieldssuchasofhybridcars,railtransportation,elevatorsandsoon.Therefore,researchofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolinlinewiththecurrentdevelopmentofTheTimes.Andthedifficultyofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolisstandingstartandsensorlesscontrol.

Inthisarticle,throughreadingalargenumberofreferencesathomeandabroad,analyzedtheresearchdevelopmentofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrol,adoptthesensorlessvectorcontrolmethodtorealizecontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor.Byestablishingthemathematicalmodelofpermanentmagnetsynchronousmotor,analysisofpermanentmagnetsynchronousmotorvectorcontrolprinciple,putforwardusingP-Ilow一speedopen-loopstart-upcontrolstrategy,usingtheslidingmodeobserverofsensorlessvectorcontrolstrategyandthesimplifiedalgorithmofspacevectorpulsewidthmodulation.BybuildingthesimulationsystemintheSIMULINKplatformofMATLABtoverifythefeasibilityofthedesignsystem.Finally,writethecontrolprogramstodebugthemachineinanactualmotorcontrolplatform.Throughtheexperimenttestandtheexperimentalwaveformanalysistoverifythecorrectnessandfeasibilityofpermanentmagnetsynchronousmotorvectorcontrolsystem.Andanalysissystemofspeedcontrolperformanceandrobustness.

Keywords:

permanentmagnetsynchronousmotor;vectorcontrol;theslidingmodeobserver;P-Icontrolstrategy;thespacevoltagevectorpulsewidthmodulation

目录

安徽工业大学工商学院I

前言II

AbstractIII

目录IV

第一章绪论1

1.1课题背景1

1.2发展概况及意义1

结论39

参考文献40

附录：

41

第一章绪论

1.1课题背景

随着社会的进步，高效与节能逐渐成为当代工业发展的主要目标，因此企业对于工业化自动控制设备的要求也越来越高。

电机驱动控制系统作为工业自动化控制的核心设备，其性能表现将直接影响到生产效率以及产品质量。

纵观人类工业的发展史，都与电机的发展密不可分。

早期的工业生产广泛运用直流电机控制系统。

直流电机由于机械特性和调速特性均为平行的直线，起动扭矩大，动态性能好，具有优越的可控性。

但是直流电机必须安装机械换向结构，运行过程中电刷和换向器不断接触和摩擦，容易引起火花，从而导致直流电机结构复杂、故障多、维护困难、可靠性低，难以运用于一些恶劣的工作环境中。

随着交流调速控制理论的不断提高和完善，特别是电力电子器件、脉冲宽度调制（PWM）技术、矢量控制技术的发展，人们逐渐将研究目标从直流电机转移到交流电机上来。

尤其是鼠笼式感应电机的出现，它具有耐用性好、结构简单、成本低、维护方便以及适用面广等优点，使交流调速控制理论得到了关注和更加深入的研究。

但是感应电机转子参数不可测、调速性能差，因此学者们也投入了大量精力来开发新的电机驱动系统。

80年代初，大功率交流驱动系统开始使用电励磁同步电机作为驱动电机。

同步电机可以通过调节转子励磁电流来进行控制，而且始终运行在同步速，没有转差功率，效率会更高。

但是需要维护转子侧励磁所需要的滑环电刷，降低了可靠性。

在这样的大环境下，永磁电机逐渐发展起来。

与传统的电励磁电机相对比，永磁电机直接通过永磁体励磁，取消了励磁绕组和励磁电源，从而消除了励磁系统带来的损耗，效率得到提高;其次结构简单，体积小，重量轻，提升了可靠性;电机尺寸和形状灵活多样，适用性好。

所以它不但能部分代替传统的电励磁电机，而且可以获得更加优异的性能。

目前，永磁电机由于极广的功率范围，被运用在国民生产的各行各业，产量剧增。

由于永磁电机的一系列优点，世界各国的电机电器行业和科研院所都把对永磁电机的开发和研究列为热点。

其中，研究的主要内容包括永磁电机的结构设计、运行控制和性能优化等。

永磁电机一般通过永磁体产生磁动势，而永磁体的形状和放置位置灵活多样，磁路结构复杂多变，所以对永磁电机的分析计算要比普通电机困难。

目前对于特定环境使用的永磁同步电机，必然需要在普通永磁电机的基础上进行性能的优化改进，但是这方面可借鉴的资料比较少。

而且由于部分电机设计厂商缺乏全面的试验条件，这使电机设计者不可避免的要担当很大的风险，甚至付出过高的经济代价。

所以继续深入研究和探讨有效的永磁电机分析设计方法和性能改进措施十分有必要。

1.2发展概况及意义

永磁同步电机具有结构简单可靠性高、功率因素高、效率好、启动力矩大、温升低、转子结构多样化等特点，使得永磁同步电机的使用从民用到国防，从日常生活到航天航空，从简单电动工具到高科技产品都有涵盖。

1.2.1永磁同步电机应用的领域

下面介绍几种永磁同步电机应用的领域。

（1}轨道交通

2007年，阿尔斯通公司研发出了新一代永磁牵引系统的高速AGV列车V150。

该试验车由前后两辆牵引机车、三节双层客运车厢以及装有永磁电机的新一代高速列车AGV转向架组成。

V150列车采用八台功率为1950kW异步电动机用于前后两端的牵引机车，采用四台功率为1000kW的永磁同步电机用于AGV转向架，这样的动力系统比传统列车更强劲，能耗更少，该列车创下列车速度新纪录，达到574.8km/h。

我国在2012年5月，由南车株洲公司试制采用600kW永磁同步牵引电动机的高速动车组出厂试验表现优异，各项试验结果与计算结果吻合。

这标志着我国轨道交通领域最大功率的永磁同步牵引电动机试制成功。

此次该公司研制成功的600千瓦永磁同步牵引电动机，是在此前地铁用永磁同步牵引电机的成功经验上，开发的国内第一台高速动车组用永磁同步牵引电机，也是我国目前轨道交通领域功率最大的永磁同步牵引电动机，该电机功率密度高、体积限制严。

（2）电梯领域

电梯拖动系统的发展主要经历了四个阶段:

交流双速电梯、交流调压调速、直流调速以及交流调频调压调速。

交流双速是指利用电机内的高速绕组和低速绕组的切换来实现电梯的两段速度控制，并在启动和停止的时候采用能耗制动等手段实现平滑过渡，缺点是电机结构复杂、耗电量大。

交流调压调速通过电路采集电梯运行速度模拟量，利用可控硅等电子开关调整电机输入电压，使其跟随速度变换，缺点是电机要特制、能耗大、速度特性比较差。

直流调速可以达到高速度以及高精度控制，不过电机体积庞大结构复杂，比较难维护，成本也比较高。

现在比较普遍采用的是交流调频调压调速技术。

近年来，许多国内外厂家都采用以永磁同步电机为主体的拽引系统，相较于传统的齿轮驱动电梯系统和采用感应电机的系统，永磁同步电机的效率更高，耗能更少，体积小设计更加紧凑。

而且在交流调频调压调速技术方面，永磁同步电机的矢量控制技术和直接扭矩控制技术都己经非常成熟了。

目前，有日本三菱公司推出的超薄PM拽引机，芬兰KONE推出的ECODISC盘式的PM拽引机。

此外，德国的WITTUR、日本的安川以及瑞士相关产品。

（3）石油工业与港口机械

在石油工业与港口机械等重工业行业内，采用传统电机不仅耗能多，而且工作效率也不高。

在石油工业，采用37KW稀土永磁同步电机的抽油机的工作效率与采用55KW异步电动机的工作效率是相同的，也就是说采用永磁同步电机可以克服低效率、低功率因数等问题，此外采用永磁同步电机技术提高电机机械性能和效率，节约能源损耗。

当然除了上述几种领域之外，永磁同步电机还有很多应用领域。

在医疗设备领域、风机水泵、船舶电力推进系统等，永磁同步电机也都发挥着重要的作用。

通过上面介绍的几种永磁同步电机的主要应用领域可以看到，永磁同步电机应用领域的特点都是重负载、启动扭矩大、耗能高、要求效率高等，因而永磁同步电机控制的一个难题就是启动问题。

在启动负载过重的时候，能不能使得电机平稳启动而不失步是一个至关重要的问题，如果电机不能成功启动，那么接下去电机的调速也就毫无意义可言。

因此，解决电机的启动问题在永磁同步电机的控制里面是一个很要的问题，也是一个容易被忽视的问题。

1.2.2永磁同步电机的发展趋势

我国稀土资源丰富，产量位居世界第一。

充分发挥我国的资源优势，大力研究和推广以稀土为原材料的永磁同步电机，不仅有利于我国经济的发展，也可以促进电机学科和相关工业的发展。

为了满足不同的需求，永磁同步电机的设计和制造工艺不断提升，电磁结构也更加复杂，计算结构也更加精确，因而永磁同步电机的发展前景非常可观。

（1）向机电一体化发展。

机电一体化是将机械技术、信息技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术等进行有机结合并综合运用的综合技术。

机电一体化是现代化生产设备的发展方向。

而作为中间重要的一个基础设备，永磁同步电机也要向机电一体化发展，比如体积更加紧凑，性能更加稳定等。

（2）向高性能发展。

日益更新的生产技术对电机的发展提出了新要求。

比如军事

产业需要各种高性能信号电机;移动电站和自动化生产设备需要伺服电机;航天航空需要各种高性能、高可靠性的永磁电机等。

高性能电机的发展可以促进机器人、数控机床等相关产业的发展。

（3）向专用电机方向发展。

永磁电机所带的负载各种各样，如果都采用通用电机，这样不仅会造成经济效益的浪费，也会给控制技术的发展带来不利。

因而发展专用电机是必须的。

针对不同的应用场合以及不同的应用需求，是偏向于工作效率还是偏向于节能省电，各种专用电机都有自己所对应的应用市场。

（4）向轻型化发展。

稀土永磁同步电机的结构比较简单，轻型化是其特点。

不管是在航天航空还是在精密产业，都需要结构轻巧、重量较轻的电机。

因而未来的电机肯定是往轻型化发展。

通过上述的背景分析可以看到，永磁同步电机拥有良好的性能和优点，广阔的应用领域以及非常可观的发展前景。

研究永磁同步电机的控制意义重大，不仅顺从了电机发展的潮流，也可以借助电力电子技术以及微机技术的新发展，研究出更加精确和更加稳定可靠的电机控制技术，服务于社会生产建设的需求。

1.3国内外研究现状

随着电力电子技术的快速发展，尤其是数字信号处理器的出现，使得永磁同步电机的无传感器控制得到快速发展，也获得了国内外许多专家和学者的重视。

无传感器控制的研究可以追溯到二十世纪七十年代，由A.Abbondnati等学者推导出基于稳态方程的转差频率估计方法，该方法调速范围较小，动态性能和调速精度无法得到保证，这是无传感器控制的首次尝试。

1983年，由R0.Joetten将无传感器技术与矢量控制相结合。

早期的无传感器技术主要都是通过检测物理量的波形，根据某些特征位置来辨识转子位置。

从二十世纪九十年代以来，国内外学者在无传感器控制技术上都进行了深入的研究。

美国Wisconsin大学的R.D.Lorenz教授及其研究团队于1993年最早提出采用高频信号注入的方法进行永磁同步电机的无传感器控制，取得了许多研究成果。

德国Wuppertal大学的JoachimHoltz教授主要研究的也是高频信号注入法。

在国内，浙江大学的贺益康教授及其团队主要研究基于凸极效应的高频信号注入法。

天津大学把滑模变结构观测器与扩展卡尔曼滤波算法组合用于无传感器控制中。

国内的其它高校也在不同控制算法进行尝试，并且都有了一定的研究成果。

1.4MATLAB软件

MATLAB产品家族是美国MathWorks公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理想的集成环境。

由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向一科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。

在MATLAB产品家族中，MATLAB工具箱是整个体系的基座，它是一个语言编程型（M语言）开发平台，提供了体系中其他工具所需要的集成环境（比如M语言的解释器）。

同时由于MATLAB对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。

MATLAB产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了SIMULINK,用来对动态系统建模仿真。

SIMULINK是另一种用于图形输入和非线性动态系统仿真的工具箱。

它是由大量的积木式模块组成的，可用于以这些模块为基本单元的控制系统仿真。

在MATLAB/SIMULINK基本环境之上，MathWorks公司为用户提供了丰富的扩展资源，这就是大量的Toolbox和Blockset。

从1985年推出第一个版本以后的近二十年发展过程中，MATLAB已经从单纯的Fortran数学函数库演变为多学科，多领域的函数包，模块库的提供者。

本次课题主要是基于在MATLAB软件的SIMULINK平台上模拟仿真研究。

所以要熟练的运用MATLAB软件，清晰的分析电路仿真结构示意图，了解器件的功能。

1.4本章小结（*有问题）

本文的主要研究内容以MATLAB软件的SIMULINK模块为基础，搭建了永磁同步电机矢量控制系统的实验平台，在理论上研究永磁同步电机的仿真调速结论。

全文按如下内容组织结构，论文第二章概述永磁同步电机；第三章分析了永磁同步电动机的矢量控制策略的原理及实现方法;第四章研究永磁同步电机的仿真调速结果。

第五章结论

第二章永磁同步电机的概述

2.1永磁同步电机的简介

永磁同步电机主要由定子、转子以及机体这三部分构成。

其中，定子是由三相绕组和铁心构成，这与绕组式电机相同。

永磁同步电机的转子采用永磁铁构成，可以消除直流励磁绕组所引起的励磁铜耗，提高电机的功率密度;同时也可以使转子的惯性降低。

当然，这也会导致出现退磁效应，使励磁磁链控制的灵活性降低等。

永磁同步电机的同步是指转子转速与定子旋转磁场的转速相同，也就是说永磁同步电机一定是以同步转速旋转，这个转速只与电源频率有关，因此永磁同步电机比异步电机拥有更加高的效率。

此外永磁体的性质和材料的选择都对永磁同步电机的设计以及性能有重要影响。

2.1.1永磁电机的种类和基本结构

类似于同步电机，按照隐极和凸极的分类，永磁同步电机可以分为，具有转子表面贴附永久磁铁的表面贴装式永磁同步电机（SurfacePermanentMagnet,简称SPM）与转子铁心内部埋入永久磁铁的内埋式永磁同步电机（InteriorPermanentMagnet，简称IPM）两种型式。

图2-1为这两种PMSM的切面图。

2-1两种PMSM的切面图

表面贴装式永磁同步电机由于永磁体在转子里面,电感小,可快速获得感应电流;同时且不会产生磁阻扭矩,扭矩特性的线性也很好,使用于高应答速度的随动系统,但是使用在高速范围内,离心力强度提高,永久磁铁有必要设置固定的保护环。

内埋式同步电机由于永磁体埋入于转子内部，因离心力而使磁铁飞出这方面的问题，要比表面贴附式永磁同步电机有利的多。

IPM①磁场的凸极性被设计成很小，此型式具有比较好的扭矩线性，另外，制造成本也比SPM低，使用于低应答速度的随动系统。

工PM②的转子具有磁场的凸极，不仅产生磁场扭矩，而且也产生磁阻扭矩，磁阻扭矩是在线性的磁场回路场合不会产生的扭矩。

由于凸极机使其产生非线性时的扭矩，若能灵活利用此磁阻扭矩可获得高效率的运转此方面的特点，尤其受到大家所关注。

这两种电机的分类与特点如表2-1所示。

表2-1PMSM的分类及其特点

分类

特点功能

用途

技术的课题

SPM

非凸极性（Ld=Lq）

电流应答快速

电压残流少

高应答随动系统

始动位置检出

磁铁的温度补偿

无位置传感器控制

IPM①

凸极性弱（Ld≦Lq）

高应答随动系统

始动位置检出

磁铁的温度补偿

无位置传感器控制

参数变动补偿

IPM②

凸极性（Ld﹤﹤Lq）

省能

效率优先

广阔的运转范围

始动位置检出

磁铁的温度补偿

无位置传感器控制

参数变动补偿

扭矩的线性控制

2.1.2永磁同步电机的特点和应用

永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波扭矩以及由谐波扭矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。

同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。

本小节先简单介绍永磁同步电机的特点。

永磁同步电机的优点主要有:

①高功率因数、高效率。

永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。

这样，它的效率比同规格的异步电动机可以提高2}-8个百分点。

与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。

而且，永磁同步电动机在25%^'120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。

②扭矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。

同步电动机比异步电动机对扭矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。

当异步电动机的负载扭矩发生变化时，要求电机的转差率也跟着变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。

同步电动机的负载扭矩变化时，只要电机的功角做适当变化，而转速始终维持在原来的同步速不变，转动部分的惯性不会影响电机对扭矩的快速响应。

永磁同步电动机的最大扭矩可以达到额定扭矩的3倍以上，对电机系统在负载扭矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。

③体积小、重量轻。

近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减少，从而使其在许多特殊场合得到应用。

④结构多样化，应用范围广，可靠性高。

永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不包。

与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构，增加了可靠性。

2.2永磁材料

永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。

又称硬磁材料。

实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。

常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

永磁同步电动机采用磁钢作为励磁，永磁电机的推广与应用与永磁材料的发展息息相关。

2.2.1永磁材料的发展

永磁材料在20世纪获得了巨大的发展，在现代高技术和人们日常生活中发挥着重大的作用。

1917年人们就发现钻钢具有永磁性能，在1937年用“Alnico”永磁材料制备了永磁体。

本世纪50年代，铁氧体BaFe12019被称为第一代永磁材料，由于其具有高的矫顽力和大的磁晶各向异性，掀开了磁性材料新篇章。

6、七十年代相继开发出SmCoS和Sm2Co17永磁材料，将稀土元素和3d过渡族元素结合起来，提高了永磁体的磁特性，被称为第二代永磁材料。