開題報(bào)告永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

1、.課題背景及意義課題研究背景、目的及意義近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、稀土永磁材料與電動(dòng)機(jī)控制理論的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)有了長足的進(jìn)步，交流伺服系統(tǒng)將逐步取代直流伺服系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人們可以構(gòu)成高精度、快速響應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，近年來，世界各國在高精度速度和位置控制場(chǎng)合，己經(jīng)由交流電力傳動(dòng)取代液壓和直流傳動(dòng)50二十世紀(jì)八十年代以來，隨著價(jià)格低廉的鉉鐵硼（REFEB）永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機(jī)得到了很大的發(fā)展，世界各國（以德國和日本為首）掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電機(jī)及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功

2、率應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)將逐漸走向成熟并日趨完善網(wǎng)。以往同步電機(jī)的概念和應(yīng)用范圍己被當(dāng)今的永磁同步電機(jī)大大擴(kuò)展?？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電機(jī)已在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，而且前景會(huì)越來越明顯。由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，易于散熱及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著永磁材料價(jià)格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)引起了眾多研究與開發(fā)人員的青睞，其應(yīng)

3、用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場(chǎng)合獲得廣泛的應(yīng)用450盡管永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自適應(yīng)方法等都在實(shí)際中得到應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機(jī)的參數(shù)等等。因此，對(duì)控制策略中存在的問題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)電機(jī)控制技術(shù)是伺服驅(qū)動(dòng)控制的核心。從發(fā)展的歷程來看，電機(jī)控制技術(shù)與電動(dòng)機(jī)、大功率器件、微電子器件、傳感器、微型計(jì)算機(jī)以及控制理論的發(fā)展密切相關(guān)。最初的隨動(dòng)伺服系統(tǒng)是在美國誕生的火炮瞄準(zhǔn)隨動(dòng)

4、系統(tǒng)。此后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，隨動(dòng)系統(tǒng)有了長足的進(jìn)展。1971年，德國學(xué)者相繼提出了交流電機(jī)的矢量變換控制的新思想、新理論和新技術(shù)，它的出現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的研究具有劃時(shí)代的意義。因?yàn)檫@種通過磁場(chǎng)定向構(gòu)成的矢量變換交流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制性能完全可以與直流系統(tǒng)相媲美。而后，隨著電力電子、微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料科學(xué)的發(fā)展，矢量控制技術(shù)得以迅速應(yīng)用和推廣。矢量控制是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先應(yīng)用于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，很快擴(kuò)展到三相永磁同步電機(jī)。由于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)造成轉(zhuǎn)子參數(shù)變化，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的觀測(cè)依賴于轉(zhuǎn)子參數(shù)，所以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)難以

5、準(zhǔn)確觀測(cè)，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實(shí)踐上的不足之處。而永磁同步電機(jī)采用永磁體做轉(zhuǎn)子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機(jī)在小功率和高精度的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。隨后，1985年，由德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響這一問題。直接轉(zhuǎn)矩控制一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的發(fā)展。目前該技術(shù)己成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。彳惠國、日本、美國都

6、競(jìng)相發(fā)展此項(xiàng)新技術(shù)6020世紀(jì)90年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，高速度、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。通過微機(jī)控制，可使電機(jī)的調(diào)速性能有很大的提高，使復(fù)雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)現(xiàn)，大大簡化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，還能具有保護(hù)、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復(fù)位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也變得簡單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實(shí)用性。近幾年，在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，多家公司都推出了專門用于電機(jī)控制的芯片。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用

7、于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等可以高速、高精度的完成7H9o國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的研究正處在熱潮。同時(shí)，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制、觀測(cè)控制及狀態(tài)觀測(cè)器、線性二次型積分控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制及模糊智能控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，并展現(xiàn)出更為廣闊的前景。因此，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一100.畢業(yè)設(shè)計(jì)研究內(nèi)容及任務(wù)研究內(nèi)容本文主要研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制及其建模與仿真，主要使用MATLA歆件進(jìn)行仿真。研究建模和仿真的關(guān)系，及仿真在實(shí)際應(yīng)用

8、中的意義。以及永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，建立永磁同步電機(jī)矢量控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型，分析結(jié)果終結(jié)其優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案永磁同步電動(dòng)機(jī)在不同坐標(biāo)系下的磁場(chǎng)分布a.三相靜止坐標(biāo)系（a-b-c軸系）三相永磁同步電機(jī)的定子中有三相繞組，其繞組軸線分別為A、B、C,且彼此相差120空間電角度，構(gòu)成了一個(gè)a-b-c三相坐標(biāo)系，如圖2-3所示。空間矢量V在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影分別為Va、Vb、Vc,代表該矢量在三個(gè)繞組上的分量。C圖2-3三相靜止坐標(biāo)系圖2-4兩相靜止坐標(biāo)系b.兩相靜止坐標(biāo)系（a-0軸系）定義一個(gè)兩相直角坐標(biāo)系（華B軸系），它的a軸和三相靜止坐標(biāo)系的A軸重合，B軸逆時(shí)針超前a軸

9、90捽間電角度，如圖2-4,圖中Va、Vb為Vj矢量在優(yōu)B坐標(biāo)系的投影。由于a軸固定在定子A相繞組軸線，故價(jià)B坐標(biāo)系亦為靜止坐標(biāo)系。c.兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q軸系）兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線，q軸逆時(shí)針超前d軸90度空間電角度，如圖2-4所示，該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間上以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，故為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理10若使兩相d-q坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定了電流的勵(lì)磁分量Isd,和轉(zhuǎn)夕!分量Isq獨(dú)立控制，當(dāng)轉(zhuǎn)了磁鏈幅值保持恒定時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解禍控制。*3d,q旋轉(zhuǎn)變壓器*PMS

10、M永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理圖畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用方法和手段基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，利用MATLAB仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型11-13o根據(jù)模塊化建模思想，將控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，其中主要包括：坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊、逆變器模塊、坐標(biāo)變換模塊。通過這些功能模塊的有機(jī)整合，可以在MATLAB/SIMULINK中搭建出能模塊的作用與結(jié)構(gòu)簡述如下：.坐標(biāo)變換模塊矢量控制中用到的坐標(biāo)變換有：Clarke變換（將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換）和Park變換（將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換）。靜止的三相定了坐標(biāo)系（a、b、c）和靜止的兩相定子坐標(biāo)系（

11、a,3以及固定在轉(zhuǎn)子上的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q）間變換矩陣的MATLAB實(shí)現(xiàn)1415。.SVPWM模塊從原理上講，SVPWM著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)通以三相對(duì)稱正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈，SVPWM以此圓形磁鏈為基準(zhǔn)，通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓，即用多邊形來逼近圓形，同時(shí)產(chǎn)生三相互差120汕角度的接近正弦波的電流來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于逆變器產(chǎn)生的矢量數(shù)目有限，不能產(chǎn)生角度連續(xù)變化的空間矢量，SVPWM方法通過上述8個(gè)基本空間電壓矢量中兩個(gè)相鄰的有效矢量及零矢量，并根據(jù)各自的作用時(shí)間不同來等效電機(jī)所需的空間電壓矢量Vout.逆變器模型仿真中用到的逆變器和永磁同步電機(jī)模型是利用MATLAB/SIMULINK中的SIMPOWERSYSTELN中給出的模型。電機(jī)測(cè)量模塊可以直接檢測(cè)出電機(jī)的各輸出物理量作為反饋參數(shù)構(gòu)成電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)。輸入為SPWM模塊給出的6組控制信號(hào)，輸出為三相相電壓。該逆變器模塊，有6個(gè)IGBT功率開關(guān)器件，反向并聯(lián)續(xù)流二極管，根據(jù)SPWM模塊給出的6組控制信號(hào)控制各個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)斷，從而輸出三相電壓。第1周第2周第3周第4周第5周第6周第7周第8周第9周第10周第11周第12周第13周第14周第15周第16周第17周3.畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)度安排了解課題研究內(nèi)容，查閱相關(guān)資料收集整理與課題相關(guān)的資料根據(jù)收集