基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真.doc
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摘要
本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。
永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。
以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。
目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。
在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。
关键字：
永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。
ABSTRACT
Inthefirst,thispaperintroducesthedomesticandinternationaldevelopmentstatusofPermanentMagnetSynchronousMotor（PMSM）,givesaexplanationaboutitsbasictheory,structure.Thenitbuildsamathematicalmodel,andusesMATLABtosimulatethatmodel.
ThePMSMisanonlinear,strong-couplingandtime-varyingsystem,sointheoperationprocess,itwillbeinfluencedbymanyfactorssuchasloaddisturbance.Therere,itisnecessarytotakeactionwhenresearchingthecontrolmethodofPMSM.Theformerresearchmethodissettingupaplatformonhardwaretoperformexperimensbutitisundesirable,becauseitoftencausesomeloss,andthefeedbackcycleislongerthanresearchcycle.AsfordomesticandinternationalcurrentsituationontheresearchofPMSM,itisobviousthatresearchingunderthesimulationmodelcreatedbyMATLABcouldgreatlyreducethecostandcycleofresearchment.WhenusingMATLABtobuildsimulationmodelontheresearchofPMSM,wecantransformthesedisturbancefactorsintoanalogsignal,makingaqualitativeanalysistodrawconclusionsfromthem.
Keywords：
PMSM,SVPWM,MATLABsimulation,mathmaticalmodel
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第一章绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.1.1研究背景 1
1.1.2研究的目的及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国内研究历史及现状 2
1.2.2国外研究现状及趋势 2
1.3本文的主要内容 3
第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型 5
2.1引言 5
2.2永磁同步电机调速系统的结构 5
2.3永磁同步电机调速系统的数学模型 6
2.3.1PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程 6
2.3.2PMSM在坐标系下的磁链和电压方程 8
2.3.3PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程 9
2.4永磁同步电机的控制策略 11
2.5本章小节 12
第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 14
3.1引言 14
3.2永磁同步电动机的矢量控制 14
3.3空间矢量脉宽调制概念 15
3.4SVPWM模块的建立 17
3.5本章小结 23
第四章基于Matlab的永磁同步调速系统仿真模型的建立 24
4.1引言 24
4.2MATLAB软件的介绍 24
4.3永磁同步电机调速系统整体模型的建立 25
4.4仿真参数调试及结果分析 28
4.5本章小结 29
第五章总结与展望 30
5.1全文总结 30
参考文献 31
致谢 33
非物质文化遗产是指各族人民世代传承的，与群众生活密切相关的各种传统文化表现形式和文化空间，包括民俗活动、表演艺术、传统知识和技能以及与之相关的器具、实物、手工制品等33
第一章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。
而永磁同步电机调速系统能使电机的功率因数更高、转子参数变的可测、效率更高等特点，近年来永磁同步电机调速系统的研究也越来越受到国内外专家学者的重视[1]。
而对于永磁同步电机调速系统的研究主要是依据Matlab的仿真，在Matlab中进行永磁同步电机调速系统（PMSM）建模仿真方法的研究，以往大部分的研究是采用的是节点电流法对电机控制系统进行分析，然后通过列写nt文件来建立PMSM的仿真模型。
这实质上是一种整体分析方法，但是在此模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环会显得极不方便。
为了克服这一不足，本文利用的是将控制单元模块化的仿真方法。
对于研究永磁同步电机的研究人员来讲，只需通过修改系统参变量或人为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动、静态性能，或者模拟相同的实验条件，比较不同控制策略的优劣，来分析和设计永磁同步电机调速系统，就可为实际电机控制系统的设计和调试提供新的思路。
1.1.2研究的目的及意义
近十年来，随着永磁材料、电力电子器件和控制技术的发展。
永磁同步电动机控制存在的硬件问题得以逐步解决。
永磁同步电机由于体积小，重量轻，磁性能稳定，具有较高的运行效率、较小的转动惯量、转矩脉动、可支持高速运行等优点，在现代交流伺服系统中，诸如高性能机床进给、位置控制、工业机器人、航空航天等众多领域同步电机得到了广泛应用[2]。
但是为了得到更好的控制效果更高效的生产效率对于永磁同步电机调速系统的研究提出了新的更高的要求。
本课题主要研究基于Matlab的永磁同步电机调速系统的仿真，在Simulink中建立整个调速系统的仿真模型并给出仿真结果。
该课题主要是为了在研究永磁同步电机调速系统时搭建好一个仿真的平台，能够在研究过程中及时的实现研究要求的控制策略进行相关的条件给予模拟，以代替以往只能在实际硬件中进行调试实验的研究。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内研究历史及现状
我国从20世纪70年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向。
主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。
80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。
2000年之后，随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。
目前国内主要的伺服品牌或厂家有森01（和利时电机）、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。
其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域[2]。
1.2.2国外研究现状及趋势
在国外上，现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块。
如贝加莱（B&R）-V业自动化公司推出的ACOPOSmulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1-2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。
在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。
国外厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2-5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。
总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：
1．高效率化：
主要包括电机本身的高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，也包括驱动系统的高效率化，包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。
2．直接驱动：
由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。
3．高速、高精、高性能化：
采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级），更高采样精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。
4．通用化：
通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，方便地设置各种工作方式，适用于各种场合，可以驱动不同类型的电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。
可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。
5．智能化：
现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。
将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起。
6．网络化和模块化：
随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Intemet及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。
比如：
关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕[3]。
1.3本文的主要内容
本文主要目的是通过Matlab中的sumlink环境中进行永磁同步电机调速系统的仿真调试，具体的内容如下：
第一章绪论：
通过各种资料了解本课题的研究背景及意义，分析国内外的研究现状及研究趋势。
随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，永磁同步电机的应用越来越广泛，研究提升已有的系统的性能需要一个利于研究的平台，在这一点上国内外的差距在于我们国内的研究重视还不够。
第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型：
分析建立了永磁同步电机的结构和数学模型的，具体的细分到PMSM在三种不同坐标系下的磁链和电压方程以及它们之间的坐标转换，并简单了解了PMSM的控制策略。
第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制：
主要讲解关于PMSM的核心空间矢量脉宽调制（SVPWM）的仿真模型的建立，要用的工具有MATLAB软件，了解SVPWM的概念以及建立SVPWM模块。
第四章基于Matlab的永磁同步电机调速系统仿真模型的建立：
讲述了PMSM仿真模块整体的建构以及仿真参数的调试及结果分析的一章，通过分块建构模型，最后集成整体模型的方式完成整体建构[4]。
第五章总结与展望：
总结本文的主要研究内容，并对后续要做的进行展望。
第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型
2.1引言
20世纪80年代，永磁材料特别是具有高磁能积、高强磁力、低廉价格的铷铁硼永磁材料的发展，使人们研制出了价格低廉、体积小巧、性能高的永磁同步电机[5]。
永磁同步电动机转子通常使用永磁体，无电励磁电动机的转子发热和励磁损耗问题，运行的效率和功率因数都较高，因而此类永磁同步电机在数字驱动控制系统领域中逐渐成为了主流[5]。
本章在简要介绍永磁同步电机结构和分类的基础上，分析推导出永磁同步电机相关的数学模型。
2.2永磁同步电机调速系统的结构
永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同步电机。
本文主要以三相正弦波驱动永磁同步电机作为研究对象。
和普通同步电机一样，永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件组成。
定子由定子铁心（由冲有槽孔的硅钢片受压而成）、定子绕组（在铁芯槽中嵌入三相电枢绕组）构成。
定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。
转子通常由轴、永久磁钢及磁滞组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够大的磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。
转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。
图2-1为永磁同步电动机的结构示意图。
转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。
为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法[6]。
图2-1永磁同步电机的结构
根据转子极对数的不同，永磁同步电动机分为单极电动机和多极电动机两大类。
目前制作转子的材料多采用高性能的永磁材料有：
AINiCo（铝镍钻铁磁性合金材料）、Ferrites（铁氧体磁性材料）、RareEarth（稀土族磁性材料）、MnAIC（锰铝碳磁性材料）、Ceramic（陶瓷磁性材料）anNdFeB（铷铁硼合金磁性材料）等。
目前我国的铷铁硼磁性材料特性水平达到世界的先进水平，因此开发和研制铷铁硼永磁同步电机及其控制系统具有得天独厚的有利条件。
对于无刷直流电机构成的运动控制系统，通常有着成本低廉、材料利用率高以及控制方式简单等优点。
但由于无刷直流电机原理上存在固有缺陷，使得其转矩脉动较大，铁心附加损耗较大，因此只适用于一般精度及性能要求的场合；而交流永磁同步电机作为一种特殊的同步电动机，它能够克服无刷直流电机驱动系统的不足，具有优良的控制性能，在交流驱动系统中的应用更为广泛。
目前，永磁同步电机已经成为高性能驱动系统的主体。
永磁同步电机从转子结构上大致可以分为两大类：
表面式永磁同步电机SPMSM（SurfacePermanentManetSynchronousMotor）和内埋式永磁同步电机IPMSM（InteriorPermanentMagnetSynchronousMotor）。
对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近于1，所以表面凸极式转子在电磁性能上属于隐极转子结构;而表面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。
表面式永磁同步电机定子与转子之间磁路分布均匀，基本上与转子位置无关;内埋式转子具有明显的磁极，定子与转子之间磁路是不均匀的，与转子的位置有关。
表面式永磁同步电机结构上较简单，转子直径较小，从而降低转动惯量，它有较大的磁路气隙，若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，利于电机动态性能的改善。
一般永磁同步电机多采用这种形式的转子结构。
内埋式永磁同步电机是将永磁体装于转子铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一般适于弱磁控制的高速运行场合[7]。
2.3永磁同步电机调速系统的数学模型
下面我们将以三相正弦波电流驱动的永磁同步机（PMSM）为研究对象，分析永磁同步电机在ABC坐标系下的、永磁同步电机在坐标系下的及在dq0坐标系下的磁链和电压方程，并将分析三种坐标系下的坐标变换。
2.3.1PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程
本文所研究的对象为表面式PMSM，它与普通电励磁同步电机的定子一样有A，B，C三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定子和转子通过气隙磁场存在电磁耦合关系。
由于定子和转子之间存在相对运动，使得这种电磁耦合关系十分复杂，给电机的分析和控制带来了困难。
为了简化永磁同步电机的数学模型，做如下假设[8]：
（1）忽略磁饱和，不计铁心的涡流损耗和磁滞损耗，认为磁路是线性的；
（2）定子绕组三相对称，各相绕组的轴线在空间上互差120度；
（3）电机定子电枢绕组的空载电势是正弦波
（4）定子绕组电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波；
（5）转子上无阻尼绕组；
（6）永磁体的电导率为零。
PMSM的定子磁链是由定子三相绕组电流和转子永磁体产生，定子三相绕组电流产生的磁链与转子位置角有关，转子永磁体产生的磁链也与转子位置有关，转子永磁体在每相绕组中产生反电势。
由此，得到三相PMSM在定子静止三相ABC坐标系统下的磁链方程为[9]：
（2.1）
式（2.1）中：
为定子三相绕组磁链；
为定子三相绕组自感系数；
为定子X绕组和Y绕组的互感系数；
为永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链。
定子绕组的自感系数和互感系数均为的函数，且互感系数满足关系、、。
三相永磁同步电机在定子静止三相ABC坐标下的电压方程为
（2.2）
式（2.2）中：
为定子相电压；
R为定子绕组每相电阻；
为定子相电流。
2.3.2PMSM在坐标系下的磁链和电压方程
定子静止三相ABC坐标系统到定子静止两相坐标系统的坐标变换为
（2.3）
其中Clarke变换阵[10]为：
（2.4）
将式（2.4）改写为
（2.5）
在式（2.5）两边左乘Clarke变换阵后，得到定子静止两相坐标系统下的磁链方程
（2.6）
式（2.6）中
（2.7）
将式（2.2）改写为
（2.8）
式（2.8）中P为求导符号，在方程式两边左乘Clarke变换矩阵后，可得到定子静止两坐标系统下的电压方程
（2.9）
经过Clarke变换后，定子磁链方程和电压方程的系数矩阵仍然与转子位置角有关，分析计算比较麻烦，需进一步实现对转子位置角的解耦变化。
2.3.3PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程
dq0坐标系统是随电机转子同步旋转的，其d轴（直轴）与转子的磁场方向重合（定向），q轴（交轴）逆时针超前d轴电角度[11]。
如图2-2所示。
图2-2静止与同步坐标系
定子静止两相坐标系统到转子dq0坐标系统的坐标变换为
（2.10）
其中park变换阵为
（2.11）
由此，可得三相永磁同步电机在转子dq0坐标系统下的磁链方程和电压方程为
（2.12）
（2.13）
式中，一转子机械角速度。
在本系统中，三项永磁同步电机定子绕组采用星形连接，三相定子电流在电枢绕组中性点满足基尔霍夫电流定律，即三相电流相加等于零，因此定子电流的零序分量等于零，可以计算得定子磁链和定子电压的零序分量也等于零[12]。
因此，三相永磁同步电机在转子dq0坐标下的磁链方程和电压方程就可以简化为
（2.14）
（2.15）
即：
由此可见，三相永磁同步电机必须建立在转子dq0坐标系统下才能实现角度解耦。
2.4永磁同步电机的控制策略
永磁同步发电机调速系统常用的矢量控制策略有[13]：
（1）控制；
（2）最大转矩电流比控制：
（3）单位功率因数控制；
（4）最小损耗控制等。
每种控制策略都有其优缺点，但是针对永磁同步电机不同控制目标下的矢量控制策略进行比较分析，目前最常用到的控制策略主要是电流控制。
的控制称为磁场定向控制，这种控制方法简单，计算量小，没有电枢反应中电机的去磁问题，因此应用的比较广泛[14]。
电流控制旨在将永磁同步电机d轴电流控制为零，是永磁同步电机最常用的控制策略。
将代入永磁同步电机转矩方程有：
（2.22）
因为电机的所有电流都用来产生电磁力矩，控制效率较高。
其缺点是随着输出端转矩的增加，电机的端电压增加较快，功率因此下降，于是对逆变器的容量要求有所提高，无法充分利用电机的磁阻转矩，不能发挥其输出转矩的能力。
假定转子磁场恒定，则电磁转矩Te与q轴电流Isq成正比，即电磁转矩与定
子电流呈线性关系，从而使电机的转矩控制环节得到简化，这是Isd=0控制的优点，在已知转矩指令Te*时，电机dq轴电流指令分别如下：
（2.23）
于是得到永磁同步电机稳态控制方程：
（2.24）
要使实际电流跟随给定参考值，上式中还加入反馈控制量。
下面以比例积分PI调节为例，于是得系统最终控制方程式：
（2.25）
采用控制方法是基于转子磁通定向的矢量控制方法，这种控制方法比较简单，其突出的优点是没有电机直轴电枢反应，不会引起电机永磁体的去磁现象，并且可以实现电机最大转矩电流比控制[15]。
不足之处是没有考虑电机效率和功率因数等问题。
2.5本章小节
本章从永磁同步电机结构调速系统结构出发，建立了永磁同步电机在三种坐标系下的磁链和电压方程，分别是ABC坐标系，坐标系，dq0坐标系，以及三种坐标系下的坐标变换，并初步简单的介绍了下关于永磁同步电机的控制策略主要常用的是电流控制。
第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制
3.1引言
矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术，其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量转换为空间上正交的两个直流分量，从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个独立的直流控制量[16]，分别实现对电机磁通和转矩的控制，然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机，大大提高了调速的动态性能。
根据第二章推导的永磁同步电机运动学方程式可以知道，对传
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