完整版基于矢量控制永磁同步电机模型建立毕业论文设计.docx
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摘要
永磁同步电机由于体积小、重量轻、功率密度高，能够实现快速、准确的控制要求，在工业领域中被广泛应用。
永磁同步电机控制系统是一个多变量、非线性、高耦合的非线性复杂系统，而研究先进控制算法的首要任务就是建立适合的永磁同步电机数学模型，并以此进行建模与仿真分析，因此，如何建立合适的永磁同步模型一直是研究永磁同步电机控制系统的基础。
论文在分析了永磁同步电机的结构和工作原理的基础上，讨论了永磁同步电机控制系统的坐标变换，并给出了永磁同步电机基于ABC静止坐标系、α–β静止坐标系和d-q旋转坐标系的数学模型，在此基础上，探讨了永磁同步电机的控制方法，给出了基于矢量控制的永磁同步电机控制方法。
论文通过MatlabSimulink，对永磁同步电机矢量控制系统进行了建模和仿真。
仿真结果表明，论文所建模型正确，可以作为进一步研究永磁同步电机控制的基础模型。
关键字永磁同步电机，矢量控制，数学模型，MATLAB，仿真模型
ABSTRACT
Permanentmagnetsynchronousmotorassmallsize,lightweight,toachievefastandaccuratecontrolrequirements,widelyusedinvariousfields.Whilepermanentmagnetsynchronousmotorisamulti-variable,nonlinear,analysis,therefore,.
Theissuebasesontheintroductinofthestructure,typeandworkingprincipleofthepermanentmagnetsynchronousmotor,givingpermanentmagnetsynchronousmotor’sstaticcoordinatesystembasedonABC,α-βstationarycoordinatesystemandthed-qrotatingcoordinatesystemofthemathematicalmodel,onthisbasis,discussingthepermanentmagnetsynchronousmotormethod,givingthecontrolmethodbasedonvectorcontrolofpermanentmagnetsynchronousmotor.
UsingMatlabSimulinksimulation,issuemodelandsimulatethepermanentmagnetsynchronousmotorvectorcontrolsystem.Theresutlshowthatthemodeliscorrect,andcanbefurtherstudiedbasedonpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolmodel.
Keyword：
permanentmagnetsynchronousmotor,vectorcontrol,mathematicalmodel,MATLAB,simulationmodel
1绪论6
1.1永磁同步电机6
1.2永磁同步电机控制系统8
1.3本文主要工作9
2永磁同步电机的工作原理和数学模型11
2.1永磁同步电机的结构和类型11
2.2永磁同步电机的工作原理11
2.3坐标变换12
2.4永磁同步电机的数学模型12
3永磁同步电机的控制系统12
3.1有传感器控制与无传感器控制12
3.2矢量控制12
3.3直接转矩控制14
4永磁同步电机控制系统的建模和仿真22
4.1MatlabSimulink软件22
4.2永磁同步电机的建模方法22
4.3PI控制模块的建模和仿真24
4.4坐标变换模块的建模和仿真25
4.5SVPWM模块的建模和仿真28
4.6电机与逆变器模块的建模和仿真39
4.7永磁同步电机控制系统的仿真30
5总结与展望42
参考文献43
致谢44
1绪论
永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）是用稀土永磁体代替励磁绕组构成的一种新型的同步电机。
它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动。
PMSM无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此使用方便，可靠性高。
所以由PMSM组成的系统已广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域[1]。
控制电动机的关键是转矩的控制，然而感应电动机的转矩与气隙主磁通，转子电流、转子内功率因数有关，而这些量都是转差率S的函数，它们相互藕合，互不独立，并且又都是难以控制的量。
因此，要在动态中控制感应电机的转矩是比较困难的，对于同步电机，更是如此。
于是各种新型控制策略的提出为永磁同步电机的动态控制起到了很大的作用，同时在实际运用中，出现的各种问题也为控制策略的进步与发展起到了重要的影响[2]。
1.1永磁同步电机
1.1.1永磁同步电机的发展
美国、日本和德国是开发永磁同步电动机起步较早的国家。
早在20世纪50年代，美国GE公司就研制了一批数百瓦的微型永磁同步电动机。
那时，这种电机是在鼠笼转子中加装铁氧体永磁，但由于这种磁钢的磁能积和剩磁密度都很低，其功率因数虽然提高较多，但效率提高较少；西德西门子公司，经过10多年的研究，采用不同的结构型式和铁氧体永磁材料，开发了多种用途的永磁同步电动机。
例如用于化纤设备的高速永磁同步电动机，用于变频器供电的永磁同步电动机。
1973年国际上出现了第一次能源危机，石油、燃料、电力不断涨价，能耗最严重的美国首当其冲。
1975年联邦能源局对电动机的节能潜力和高效电动机的发展前景进行调查分析。
1976年该公司提交了一份题为《能量的效率与电动机》的报告，引起了美国工业部门的广泛重视。
一时间，许多电机厂、研究所和大学相继开发了高效率异步电动机（效率比一般异步电动机高），并纷纷研制高效率、高功率因数的永磁同步电动机和“功率因数控制器”等各种节能装置。
可见，永磁同步电动机是一种高效节能产品已成为人们的共识，并已引起世人的广泛关注。
70年代后期，发展微型和小型永磁同步电动机已呈世界性趋势。
60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料相继问世，钐钴材料的优异磁性能给永磁电机的发展注入了新的生机。
但是，钐、钴均为稀有金属，产量极少，因此，钐钴磁钢的价格昂贵，使永磁同步电动机的价格也相应提高。
1978年，法国CEM公司采用瑞士BBC公司生产的低稀土20钐钴磁钢，研制成功新型永磁同步电动机，电机的中心高63～160mm，共8个机座号，功率0.37～18.5kW，共10个规格。
与三相异步电动机相比，该系列电机的效率提高百分之四～百分之十，其功率因数很高，功率因数平均提高0.072，电机价格约增高百分之三十五。
这种电机特别适于大范围同步调速的化纤、纺织工业，也广泛用于水泵、风机等连续调速运转的机械。
而超出的价格可以从1～2年电费的节省中得到补偿。
我国对永磁同步电动机的研究起步较晚，但发展迅速。
相继研制成功高效率、高起动转矩的稀土永磁同步电动机。
1986年，上海电器科学研究所开发出化纤用外转子永磁同步电动机，这是一种用于涤纶、维纶长丝高速纺机，作变速卷绕头传动装置的专用电机，调速范围1500～9000rmin或1500～12720rmin，调速平稳，性能稳定，运行可靠。
转矩有1.05N·m、2.35N·m、3.60N·m等13个规格，可替代进口电机[3]。
1.1.2影响永磁同步电机发展的因素
（1）高性能永磁材料的发展
在1983年问世的钦铁硼永磁材料，由于磁特性和物理特性优异，成本低廉且材料来源有保证，所以在开发高磁场永磁材料（特别是钦铁硼永磁材料）方面具有十分有利条件，又由于我国的钦铁硼永磁材料特性水平为世界的先进水平，为永磁同步电机的发展提供了物质基础。
永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。
在同步电动机中用永磁体取代传统的电励磁磁极的好处是不仅简化了结构，还消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积:
省去励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。
当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。
（2）新型电力电子技术器件和脉宽调制技术应用
电力电子技术是信息产业和传统产业间的重要接口，也是弱电与被控强电之间的桥梁。
自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合场控器件直至90年代出现的第四代功率集成电路IPM。
由于半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，其极大地推动了各类电机的控制。
70年代出现了通用变频器的系列产品，为交流电机的变频调速创造了条件。
同时也对同步电动机而言解决了起动问题。
对最新的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统中不可缺少的功率环节。
（3）电子技术和控制理论的发展
集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，大规模集成电路和计算机技术的发展完全改变了现代永磁同步电动机的控制。
随着电子技术的发展，各种集成化的数字信号处理器发展很快，性能日益改善，软件和开发工具越来越多，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很大提高，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的数字信号处理器。
这使以单片机为核心的全数字控制系统取代模拟器件控制系统成为可能。
计算机技术的应用除了实现复杂控制规律，便于故障监视、诊断和保护等功能外，还可以用于计算机辅助分析和数字仿真。
集成电路和计算机技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。
它们的飞速发展也促进了电机控制理论的发展与创新[4]。
1.1.3永磁同步电机的特点与优点
（1）永磁同步电机的特点
●电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。
●永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力。
●永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。
（2）永磁同步电机的优点
●明显的节能效果。
永磁同步电机用永磁体代替电励磁，无励磁损耗，由于定、转子同步，转子铁心没有铁耗，因此永磁同步电机的效率比电励磁同步电机和异步电机要高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，从而节约了无功，提高了电机的功率因数。
通过实验对比证明，永磁同步电机比异步电机节电，效率高。
●稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少，成为高密度、高效率的电机。
●转子结构大大简化，提高了电机运行的稳定性。
1.2永磁同步电机控制系统
永磁同步电机控制的出现是永磁电机发展过程中两种不同开发路线汇合的结果。
一条路线是早期发展的可直接起动的带有转子鼠笼绕组的永磁电动机，这种电机是为直接由公用交流电网供电的方式运行设计的。
这种特殊类型的混合式永磁同步电机的出现可以追溯至50年代，主要应用于一些重要的工业设备，如纺织生产线，这里需要大量的电动机以相同额定速度运行。
在其后的70年代，经过设计改进的直接起动型永磁同步电动机，采用了铁氧体和稀土材料，具有很好的效率特性，但其成本高于异步电动机而未能广泛使用。
第二条发展路线的标志是永磁直流伺服电动机开始取代传统的带励磁绕组的直流电动机。
这种永磁直流伺服电动机在60年代已经用于高性能机床的伺服机构。
此时，高强度稀土永久磁铁已有效使用。
最后在70年代，这两条路线汇合在一起，产生了无转子鼠笼的永磁同步电动机，它与调频逆变器结合在一起实现了高性能的运动控制。
首先开发的是梯形永磁同步电动机，这种结构可以简化控制装置，此后在70年代后期以及80年代，高性能的正弦波永磁同步电机控制系统开始飞速发展。
70年代末以来，随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的惊人发展，永磁控制系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，已具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好性能，其动态、静态性能已可以和直流控制系统相媲美。
并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业自动化领域中的应用将越来越广泛[5]。
永磁同步电机的一大主要特点为转速与电源频率同步，因此可采用变压变频（VariableVoltageVariableFrequency）实现调速，为了提高控制的性能和降低成本，VVVF控制策略得到了巨大发展，新型的控制策略也不断提出。
（1）转速开环恒压频比控制：
该控制方法从电机的稳态特性推导得出。
其只要求控制变量的幅值，而且反馈量是与给定量成正比的直流量，追究本质是一种标量控制。
所以控制原理与结构简单，成本低，容易实现，能满足一定的调速要求，恒压频比控制在实际运用中仍广泛使用。
但由于采用单变量系统的控制，稳定性能不高，动态性能不够理想，参数难以设计等缺点也十分明显。
（2）矢量控制：
该控制方法是将交流电机和直流电机分析、对比来解释其工作原理的，并由此创造了交流电机等效直流电机控制的首例。
矢量控制使人们看到交流电机控制复杂，却依旧可以实现电磁转矩、电机磁场独立控制的本质。
（3）直接转矩控制：
该控制方法是在空间矢量调速理论的基础上发展起来的一种新型交流电动机调速策略，其在异步电动机调速系统中的应用已经比较成熟,但在永磁同步电动机控制系统中的应用研究相对滞后。
由于永磁同步电动机具有诸多优点，应用日益广泛，因此直接转矩控制在永磁同步电动机中的应用研究成为当前运动控制研究的热点课题[6]。
1.3本文主要工作
（1）了解永磁同步电机的结构，工作原理，坐标变换，在此基础上建立其在三相定子坐标系，静止坐标系，旋转坐标系上的数学模型。
（2）介绍了永磁同步电机的有传感器和无传感器的控制系统，对矢量控制系统进行了详细的分析，并针对其矢量控制框图对控制过程的流程进行了简述。
（3）利用MatlabSimulink对矢量控制中各个模块的模型进行建立和仿真，并观测其输入输出波形，在此基础上对各个模块加以连接，得出矢量控制框图，并适当调节其参数，验证里矢量控制系统的合理性。
介绍了永磁同步电机和控制系统的发展，对课题有了一定的理论基础。
在此基础上，规划了课题所要研究的内容和研究的方向，并制定了所对应的计划，为后续的研究拟定了整体框架。
2永磁同步电机的工作原理和数学模型
2.1永磁同步电机的结构和类型
永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成。
永磁同步电动机的定子是指电动机在运行状态下静止不动的部分，其与异步电动机定子结构相似，主要是由硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。
永磁同步电动机的转子是指电动机在运行状态下可以自由旋转的部分，采用永磁材料组成，如钦铁硼等。
这样的永磁稀土材料具有很大的剩磁和矫顽力，加上它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以很大程度上的减少电枢反应。
永磁同步电机转子按其形状可以分为两类：
凸极式和隐极式（见图2-1）。
它们的根本不同在于转子磁极所在位置，凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面，因为永磁材料的磁导率很接近空气磁导率，所以在交轴（q轴）和直轴（d轴）上的电感基本相同。
隐极式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直轴的电感，并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在[7]。
（a）凸极式（b）隐极式
图2-1永磁同步电机的分类
2.2永磁同步电机的工作原理
当A相控制绕组通电,B相和C相断电时,同步电动机的气隙磁场与A相绕组轴线重合,而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过,故电机转子受到一个反应转矩,在同步电机中称之为静转矩。
在此转矩的作用下,使转子的齿1和齿3旋转到与A相绕组轴线相同的位置上,如图2-2（a）所示。
如果B相通电,A相和C相断电,那转子受反应转矩而转动,使转子齿2齿4与定子极B、B′对齐,如图2-2（b）所示,此时,转子在空间上逆时针转过的空间角θ为30度,即前进了一步,转过这个角叫做步距角。
同样的,如果C相通电,A相B相断电,转子又逆时针转动一个步距角,使转子的齿1和齿3与定子极C、C′对齐,如图2-2（c）所示。
如此按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组,电机便按一定的方向一步一步地转动,若按A-C-B-A顺序通电,则电机反向一步一步转动。
图2-2永磁同步电机的工作原理图
2.3坐标变换
电机控制中的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。
（1）三相定子坐标系（A,B,C坐标系）
如图2-3所示，三相交流电机绕组轴线分别为A,B,C，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个A-B-C三相坐标系。
空间任意一矢量V在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。
（2）两相定子坐标系（α一β坐标系）
两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。
对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即α一β坐标系，它的α轴和三相定子坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90度空间电角度。
由于轴固定在定子A相绕组轴线上，所以α一β坐标系也是静止坐标系。
（3）转子坐标系（d-q坐标系）
转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。
对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。
永磁同步电机的空间矢量图如图2-3所示。
图中A、B、C为定子三相静止坐标系，选定α轴方向与电机定子A相绕组轴线一致，α-β为定子两相静止坐标系，转子坐标系d-q与转子同步旋转；θ为转子磁极d轴相对定子A相绕组或a轴的转子空间位置角；δ为定、转子磁链矢量、间夹角，即电机功角[8，9]。
图2-3坐标变换矢量图
从三相定子坐标系（A，B，C坐标系）变换到静止坐标系（α，β坐标系）的关系式为：
（2-1）
从两相静止坐标系（α，β坐标系）变换到两相旋转坐标系（d，q坐标系）的关系式为：
（2-2）
从两相旋转坐标系（d，q坐标系）变换到两相静止坐标系（α，β坐标系）的关系式为：
（2-3）
2.4永磁同步电机的数学模型
2.4.1三相定子坐标系（A，B，C坐标系）上的模型
（1）电压方程：
三相永磁同步电机的定子绕组呈空间分布，轴线互差120度电角度，每相绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡。
永磁同步电机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的位置角有关，其中，转子永磁磁链在每相绕组中产生反电动势。
由此可得到定子电压方程为：
（2-4）
其中：
为三相绕组相电压；
为每相绕组电阻；
为三相绕组相电流；
为三相绕组匝链的磁链；
P=为微分算子。
（2）磁链方程
定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，因此磁链方程可以表示为：
（2-5）
其中：
为每相绕组互感；
=,=,=为两相绕组互感；
为三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链；
并且：
定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链
（2-6）
（3）转矩方程：
（2-7）
式中：
ω为电角速度，Xq,Xd为交，直流同步电抗。
2.4.2静止坐标系（α，β坐标系）上的模型
（1）电压方程
（2-8）
（2）磁链方程
（2-9）
（3）转矩方程
（2-10）
2.4.3旋转坐标系（d,q坐标系）上的模型
永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相同仍要求输入三相对称正弦电流。
现对其在d,q坐标系的数学模型描述如下：
（1）电压方程
（2-11）
其中：
为d,q轴上的电压分量；
为d,q轴上的电流分量；
为d,q坐标系旋转角频率；
为永磁体在d,q轴上的磁链；
（2）磁链方程
（2-12）
其中:
为永磁体在d,q轴上的磁链；
L为d,q坐标系上的等效电枢电感；
为d,q轴上的电流分量；
为永磁体产生的磁链；
（3）电磁转矩方程
（2-13）
其中：
为输出电磁转矩；
为磁极对数；
本章对永磁同步电机的结构、类型以及工作原理进行了介绍，并在坐标变换的基础上，对其在各个坐标下的数学模型进行了建立，为下文的控制系统的建立与相关模型的仿真提供了基础。
3永磁同步电机的控制系统
永磁同步电机有许多种控制方式，由于控制系统需要通过精确的转子位置和速度信号的反馈对控制系统进行调节与控制，根据转子位置和速度信号的获得可把控制系统分为有传感器控制和无传感器控制。
而根据控制转矩的方式来分又可以分为矢量控制与直接转矩控制。
3.1有传感器控制与无传感器控制
有传感器控制精度高，控制算法简单，通过硬件方式来获得转子位置和速度的信息，如增量式编码器，绝对式编码器，光电编码器，其中光电编码器是将角位移转换成对应数字代码，集传感器和模数转换于一体的数字式测角仪，可直接与计算机相连，抗干扰能力强，具有很高的测速精度和测速范围。
无传感器控制则可以不依赖于电机参数和负载干扰，在高速段控制中已获得良好的控制性能[10]。
高性能的系统控制需要实现转速和位置的闭环控制，所需的转速反馈信号来自和电动机转轴相连的光电码盘、旋转变压器等位置速度传感器。
然而，这些设备的加入就带来了一些问题：
增加了系统成本，高温、潮湿、振动、粉尘、腐蚀性等环境都会对传感器造成一定的影响，从而制约了系统在非理想环境中的使用，而在某些特殊场合根本不允许或许很难安装传感器，因为传感器需要进行专门维护。
除此之外，在系统设计的过程中还要考虑到抑制外界干扰对速度传感器所造成的影响，这样就进一步增加了系统的成本和复杂性。
而无传感器技术可以有效的解决这些问题，其关键的因素就是位置转速信息的获得，如何借助所测量的电动机的电压和电流信号估计电动机的转速和位置，就是无传感器技术的关键因素。
获得电动机速度的方法主要有：
基于电机模型的估计，基于控制理论的估计，调整模型进行速度辨识，利用齿谐波信号进行转速辨识，利用漏感脉动检测和饱和凸极检测。
而获得转子位置信息的方法主要有基于转子凸极效应的估计和基于谐波信号的估计[11]。
3.2矢量控制
3.2.1概述
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