开题报告：永磁同步电机控制系统仿真.doc

1．课题背景及意义
1.1课题研究背景、目的及意义
近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。
二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。
由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。
尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等。因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。
1.2 课题国内外研究现状及趋势
电机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。最初的随动伺服系统是在美国诞生的火炮瞄准随动系统。此后，随着生产的发展和科技的进步，随动系统有了长足的进展。1971年，德国学者相继提出了交流电机的矢量变换控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展，矢量控制技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电机。由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参数变化，而转子磁场的观测依赖于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制实践上的不足之处。而永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固定，所以矢量控制永磁同步电机在小功率和高精度的场合应用广泛。随后，1985年，由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相感应电动机的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。目前该技术己成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。德国、日本、美国都竞相发展此项新技术[6]。
20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、位置环、电流环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、滑模变结构控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成[7]-[9]。
国内外专家学者对交流电机控制技术的研究正处在热潮。同时，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分控制、滑模变结构控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，并展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要发展方向之一[10]。
2．毕业设计研究内容及任务
2.1 研究内容
本文主要研究永磁同步电动机的矢量控制及其建模与仿真，主要使用MATLAB软件进行仿真。研究建模和仿真的关系，及仿真在实际应用中的意义。以及永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型，建立永磁同步电机矢量控制闭环系统仿真模型，分析结果终结其优缺点。
2.2 设计思想及设计方案
2.2.1永磁同步电动机在不同坐标系下的磁场分布
a.三相静止坐标系(a-b-c轴系)
三相永磁同步电机的定子中有三相绕组，其绕组轴线分别为A、B、C，且彼此相差120“空间电角度，构成了一个a-b-c三相坐标系，如图2-3所示。空间矢量V在三个坐标轴上的投影分别为VA、VB、VC，代表该矢量在三个绕组上的分量。

图2-3 三相静止坐标系 图2-4 两相静止坐标系

b.两相静止坐标系(α-β轴系)
定义一个两相直角坐标系(α-β轴系)，它的α轴和三相静止坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90˚空间电角度，如图2-4，图中Vα、Vβ为Vj矢量在α-β坐标系的投影。由于α轴固定在定子A相绕组轴线，故价β坐标系亦为静止坐标系。
c.两相旋转坐标系(d-q轴系)
两相旋转坐标系固定在转子上，其d轴位于转子磁极轴线，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，如图2-4所示，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。
2.22永磁同步电动机矢量控制原理[10]
若使两相d-q坐标系与转子磁链同步旋转，并进一步将d轴取在转子磁链方向上，则转子磁链与转矩分别由定了电流的励磁分量Isd，和转矩分量Isq独立控制，当转了磁链幅值保持恒定时，系统可实现对转矩与转子磁链的解祸控制。

永磁同步电动机矢量控制原理图

2.3 毕业设计拟采用方法和手段
基于永磁同步电机的矢量控制原理，利用MATLAB仿真工具，建立了系统的仿真模型[11]-[13]。根据模块化建模思想，将控制系统分割为各个功能独立的子模块，其中主要包括:坐标变换模块、SVPWM模块、逆变器模块、坐标变换模块。通过这些功能模块的有机整合，可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出永磁同步电机控制系统的仿真模型，实现永磁同步电机矢量控制。且对各个功能模块的作用与结构简述如下:
1.坐标变换模块
矢量控制中用到的坐标变换有:Clarke变换(将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换)和Park变换(将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换)。静止的三相定了坐标系(a、b、c)和静止的两相定子坐标系(α ，β)以及固定在转子上的两相旋转坐标系(d，q)间变换矩阵的MATLAB实现[14][15]。
2.SVPWM模块
从原理上讲，SVPWM着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁链，SVPWM以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形，同时产生三相互差120˚电角度的接近正弦波的电流来驱动电机。由于逆变器产生的矢量数目有限，不能产生角度连续变化的空间矢量，SVPWM方法通过上述8个基本空间电压矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量，并根据各自的作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量Vout
3.逆变器模型
仿真中用到的逆变器和永磁同步电机模型是利用MATLAB/SIMULINK中的SIMPOWERSYSTELN中给出的模型。电机测量模块可以直接检测出电机的各输出物理量作为反馈参数构成电机闭环系统。输入为SPWM模块给出的6组控制信号，输出为三相相电压。该逆变器模块，有6个IGBT功率开关器件，反向并联续流二极管，根据SPWM模块给出的6组控制信号控制各个功率开关器件导通与关断，从而输出三相电压。
3．毕业设计工作计划及进度安排
第1周
了解课题研究内容，查阅相关资料
第2周
收集整理与课题相关的资料
第3周
根据收集的资料，进行开题报告的撰写
第4周
修改并完成开题报告
第5周
完成外文翻译
第6周
掌握永磁同步电机的工作原理及结构特点
第7周
学习永磁同步电机的矢量控制原理
第8周
学习并建立永磁同步电机的矢量控制的数学模型
第9周
熟悉MATLAB中SIMULINK的操作并建立坐标变换模块
第10周
建立PWM模块及逆变器模块
第11周
利用MATLAB对永磁同步电机进行仿真
第12周
对所做的仿真系统进行反复调试
第13周
对仿真结果进行比较分析
第14周
撰写论文
第15周
撰写论文
第16周
撰写论文
第17周
对论文格式进行修改