永磁同步電機調速系統(tǒng)仿真課程設計

研究生課程論文永磁同步電機調速系統(tǒng)仿真課程名稱運動控制系統(tǒng)姓名學號專業(yè)任課教師開課時間教師評閱意見：論文成績評閱日期課程論文提交時間：目錄目錄 20摘

要 21引言 41.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景 41.1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況 41.1.2永磁同步電動機的發(fā)展前景 51.2永磁同步電動機控制技術的發(fā)展 51.2.1永磁同步電動機控制技術的概述 51.2.2永磁同步電動機矢量控制技術的發(fā)展 61.2.3伺服系統(tǒng)低速平穩(wěn)控制關鍵技術 71.3本文的主要研究內容 82永磁同步電動機的矢量控制原理 92.1永磁同步電動機的矢量控制原理 92.2永磁同步電動機矢量控制運行時的基本電磁關系 92.3永磁同步電動機的矢量控制策略 102.4弱磁調速的控制策略： 113永磁同步電動機矢量控制（id=0）的simulink仿真 123.1永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真 123.2基本雙PI調速系統(tǒng)的仿真分析 143.3加入位置環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真 153.4帶弱磁的矢量控制系統(tǒng)仿真 16參考文獻 180摘

要

永磁同步電動機作為一種新型交流電動機，具有功率密度高、轉子轉動慣量小、運行效率高等優(yōu)點，獲得廣闊的應用和發(fā)展空間,在各行各業(yè)以及日常生活中的應用越來越廣泛。

本文在綜述了永磁同步電動機及其控制技術發(fā)展情況的基礎上，論述了其矢量控制原理。分析了對SPMSM(表貼式永磁同步電機)的id=0控制、弱磁控制等控制策略，并對其伺服控制系統(tǒng)進行了研究。論文最后利用Matlab/simulink工具對id=0的永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)進行了仿真研究，仿真結果證明了所提出的控制方法的優(yōu)越性，為實際電機控制系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù)。

[關鍵詞]永磁同步電動機;仿真建模；Matlab；矢量控制

1引言電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉換的電力機械。磁場可以由電流勵磁產(chǎn)生，也可以由永磁體產(chǎn)生,世界上第一臺電機就是永磁電機,但當時所用永磁材料的磁性能很低,不久被電勵磁電機所取代。近幾十年來，隨著鋁鎳鈷永磁、鐵氧體永磁，特別是稀土永磁的相繼問世，磁性能有了很大提高，許多電勵磁電機又紛紛改用永磁體勵磁。與電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結構簡單，運行可靠；體積小，質量輕；損耗小，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點，它不僅可以部分替代傳統(tǒng)的電勵磁電機，而且可以實現(xiàn)電勵磁電機難以達到的高性能。永磁同步電動機因其優(yōu)良的性能和多樣的結構而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、航空航天和國防等各個領域中得到廣泛應用；本章扼要地回顧了永磁同步電動機及其驅動系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，并介紹了與之相關的永磁材料、電力電子技術等方面的發(fā)展概況，針對現(xiàn)代交流驅動與伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢闡述了研究永磁同步電動機高性能調速控制系統(tǒng)的重大意義。1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景1.1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況眾所周知，每種機械產(chǎn)品都要配備電動機。美國1997就以立法的方式，停止生產(chǎn)一般效率的電動機(與我國大量生產(chǎn)的Y系列電機性能相當)，加拿大、英國、日本也都效法美國停止生產(chǎn)一般效率的電動機，如果不采取措施，加快發(fā)展高效節(jié)能電動機，我們將很快失去機械產(chǎn)品的國際市場。我國研制的稀土永磁電機價格、性能國際市場上很有競爭力，目前已有一些產(chǎn)品出口。稀土永磁電機的研究和開發(fā)大致可以分為三個階段：（1）60年代后期和70年代，由于稀土鉆永磁價格昂貴，研究開發(fā)的重點是航空、航天用電機和要求高性能而價格不是主要因數(shù)的高科技領域。（2）80年代，特別是1983年出現(xiàn)價格相對較低的鋁鐵硼永磁后，國內外的研究開發(fā)重點轉移到工業(yè)和民用電機上，稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電力電子器件和微機控制技術的迅猛發(fā)展，不僅使許多傳統(tǒng)的電勵磁電機紛紛用稀土永磁電機來取代，而且可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的電勵磁電機所難以達到的高性能。（3）進入90年代，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，使永磁電機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天、國防和日常生活中得到越來越廣泛的應用外，稀土永磁電機的研究開發(fā)進入了一個新的階段。它正向大功率化(高轉速、高轉矩)、高功能化和微型化方向發(fā)展。因此，充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對實現(xiàn)我國社會主義現(xiàn)代化具有重要的理論意義和實用價值[1]。1.1.2永磁同步電動機的發(fā)展前景隨著稀土永磁材料的迅速發(fā)展、電力電子和微機控制技術的進步，尤其是納米晶復合永磁（它的為69.8MGOe）的出現(xiàn)，將稀土永磁電機的研究與發(fā)展推向一個新的階段。一方面，原有研發(fā)成果在國防、工農(nóng)業(yè)和日常生活等領域獲得大量應用，例如汽車、火車、拖拉機、機床、計算機、風機、水泵、石油、化工、建筑等領域，都急需永磁電機與其配套以滿足整機的高效、高速、高響應速度和節(jié)能等高性能要求。另一方面，正向大功率化（高轉速，高轉矩）、高功能化和微型化方向發(fā)展，擴展新的電機品種和應用領域。隨著稀土永磁電機性能的提高和驅動系統(tǒng)完善、價格的降低。稀土永磁電機將越來越多地替代傳統(tǒng)電機，應用前景非常樂觀。1.2永磁同步電動機控制技術的發(fā)展1.2.1永磁同步電動機控制技術的概述縱觀永磁同步電動機控制理論的發(fā)展，先后涌現(xiàn)出大量的控制方法，其中具有代表性的有:轉速開環(huán)恒壓頻比（U/f=常數(shù)）控制、矢量控制、直接轉矩控制、非線性控制、自適應控制、滑?？刂婆c智能控制等。矢量控制，也稱磁場定向控制。它是建立在對交流電動機數(shù)學模型坐標變換的基礎之上的。通過一系列的坐標變換，將交流電動機的磁通分解成類似于直流電動機的勵磁分量和轉矩分量，通過磁場定向控制，把交流電動機的模型等效成直流電動機的模型，模仿直流電動機的控制方法，對交流電動機動態(tài)轉矩進行控制，再經(jīng)過一定的坐標變換，等效為交流電動機的控制量。矢量控制原理已經(jīng)成為高性能永磁同步電動機控制的理論基礎。針對永磁同步電動機矢量控制存在的缺點與不足，近幾年國內外進行了廣泛深入的研究，試圖將各種控制理論方法應用于永磁同步電動機傳動系統(tǒng)，以改善性能。但是，目前對永磁同步電動機控制策略的研究還不如對異步電動機控制的研究那樣深入、充分，除傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)己得到應用外，其它的系統(tǒng)都只是停留在理論探索或實驗階段，尚未得到應用。因此今后很長一段時間內傳動控制策略的研究將會主要圍繞以下幾個方面展開:①研究具有較高動態(tài)性能，能抑制參數(shù)變化、擾動及各種不確定性干擾，且算法簡單的新型控制策略；②研究具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、設計理論；③研究高性能的無速度傳感器控制策略。1.2.2永磁同步電動機矢量控制技術的發(fā)展最早的永磁同步電機高性能控制采用電流型的矢量控制方式。矢量控制最早是F.Blaschke針對于異步電機提出的，通過旋轉坐標變換將強禍合的交流電機等效為直流電機，進行解耦控制，從而可以得到與直流電機相媲美的控制性能。后來這種控制思想被拓展應用到永磁同步電機控制中，其基本的控制思想是通過控制垂直于轉子磁鏈的定子電流來控制電機的電磁轉矩。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)中采用的電流控制方法主要有:（1）控制；（2）轉矩電流比最大控制；（3）控制；（4）恒磁鏈控制等。每種控制方法有其各自的特點，適用于不同的運行場合[2]?？刂贫ㄗ与娏魇蛊鋬H僅含有交軸分量的控制方式通常稱作為控制方式.本文主要選擇這種控制方式進行討論。但是控制方式并不是適用于所有的永磁同步電動機。問題在于氣隙磁鏈會受到電機電流和電感的影響，這種現(xiàn)象通常稱為電樞反應。電樞反應會使氣隙磁場不與上述的坐標系同步旋轉，產(chǎn)生附加轉矩(這個轉矩又被稱作磁阻轉矩)，影響轉矩的控制效果，并且這種控制方式的轉矩電流比不是最優(yōu)。.圖1給出了電流矢量控制的原理框圖。圖1永磁同步電動機的電流矢量控制框圖1.2.3伺服系統(tǒng)低速平穩(wěn)控制關鍵技術伺服系統(tǒng)的平穩(wěn)控制技術問題涉及到機械設計與制造、電子技術、傳感技術、控制技術等多門學科。這一最終目的的實現(xiàn)，本文總結有如下關鍵技術：1.降低摩擦力矩的影響伺服系統(tǒng)之所以會出現(xiàn)速度不平穩(wěn)的狀態(tài)，是因為受到了各種擾動的作用，影響了速度平穩(wěn)度。其中比較重要的干擾源就是機械的摩擦擾動，與其在控制策略上采用各種抑制摩擦擾動的方法，不如優(yōu)化機械結構的設計、減小摩擦環(huán)節(jié)的影響。如一些大型望遠鏡系統(tǒng)采用摩擦輪設計以及在保證指向精度的前提下采用齒輪傳動設計。部分轉臺甚至采用氣浮軸承來減小工作過程中的擾動力矩。另外，在加工和裝調過程中，加強潤滑作用，加強潤滑作用，減少摩擦擾動的影響。2.高精度反饋信號的獲取在低速工況下，想要實現(xiàn)對速度的控制，首先必須用傳感器準確測量速度。目前伺服系統(tǒng)中使用的傳感器有編碼器和測速電機。編碼器的優(yōu)點在于測量信號中干擾量小，但是由于其并不是一個直接測量速度的傳感器，需要采用一定方法估計速度，如差分算法。加上編碼器分辨率的制約，在速度測量方面表現(xiàn)出不足。測速電機由于其采用模擬信號輸出，測量信號往往含有較大的干擾和噪聲。因此，需要提高速度傳感技術，以獲取高精度的速度信號。除了提高傳感器的制造技術，對傳感器信號的處理技術也是關注的問題之一。傳感器分辨率和精度的提高往往意味著制造成本的提高，在目前的技術水平，傳感器的分辨率和精度已經(jīng)達到了極限。這就需要一些信號處理技術提高信號的精度，但是這種提高方法是有代價的，往往會降低了信號的帶寬或者增大了信號滯后。這就需要根據(jù)實際情況，研究相應的信號處理技術。3.降低電機的力矩波動目前的光電跟蹤系統(tǒng)大多采用永磁直流力矩電機作為執(zhí)行機構。力矩電機在運動過程中，由于種種原因，不可避免的會產(chǎn)生力矩波動的情況。這樣，就給伺服系統(tǒng)帶來了相應的擾動量。同樣，在電機的設計過程中，可以優(yōu)化相關的設計參數(shù)，在保持輸出力矩的同時，降低力矩波動的影響。減小電機帶給伺服系統(tǒng)的擾動。另一方面，電機的電刷也是伺服系統(tǒng)摩擦擾動的來源之一。現(xiàn)在部分伺服系統(tǒng)的執(zhí)行器件已經(jīng)采用了無刷力矩電機。有部分大型望遠鏡或者大型雷達天線，執(zhí)行器件采用了多電機傳動的方式，這樣也起到平滑力矩波動，增大輸出力矩的作用。1.3本文的主要研究內容本文通過對永磁同步電機的分析，就矢量控制從理論以及實驗基礎上進行了研究。主要工作主要分為四個部分：第一部分：簡要地梳理了永磁同步電動機的發(fā)展和現(xiàn)狀，并介紹了與之相關的永磁同步電動機的情況和分類。尤其針對其中伺服控制系統(tǒng)和雙PI矢量控制系統(tǒng)進行詳細論述。第二部分：在對矢量控制了解的基礎上，利用simulink進行仿真模型的搭建，實現(xiàn)針對SPMSM的基本雙PI矢量控制系統(tǒng)的仿真。第三部分：在基本的仿真模型上加入位置環(huán)，從而實現(xiàn)對伺服控制系統(tǒng)的仿真分析。第四部分：在基本的仿真模型上加入弱磁環(huán)節(jié)，完善對永磁同步電機的矢量控制的仿真分析。并對三種情況下仿真結果進行了總結分析。2永磁同步電動機的矢量控制原理2.1永磁同步電動機的矢量控制原理近二十多年來電動機矢量控制、直接轉矩控制等控制技術的問世和計算機人工智能技術的進步，使得電動機的控制理論和實際控制技術上升到了一個新的高度。目前，永磁同步電動機調速傳動系統(tǒng)仍以采用矢量控制技術為主。矢量控制實際上是對電動機定子電流矢量相位和幅值的控制。本論文采用按轉子磁鏈定向的方式。當永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動機的轉矩便取決于定子電流的空間矢量，而的大小和相位又取決于和也就是說控制和；便可以控制電動機的轉矩。一定的轉速和轉矩對應于一定的和，通過這兩個電流的控制，使實際和；跟蹤指令值和，便實現(xiàn)了電動機轉矩和轉速的控制。由于實際饋入電動機電樞繞組的電流是三相交流電流、和，因此，三相電流的指令、和必須由下面的變換從和得到：（1）式中，電動機轉子位置信號由位于電動機非負載端軸伸上的速度、位置傳感器提供[7]。通過電流控制環(huán)，可以使電動機實際輸入三相電流、和與給定的指令、和一致，從而實現(xiàn)了對電動機轉矩的控制。上述電流矢量控制對電動機穩(wěn)態(tài)運行和瞬態(tài)運行都適用。而且和是各自獨立的；因此，便于實現(xiàn)各種先進的控制策略。2.2永磁同步電動機矢量控制運行時的基本電磁關系永磁同步電動機的控制運行是與系統(tǒng)中的逆變器密切相關的，電動機的運行性能受到逆變器的制約。最為明顯的是電動機的相電壓有效值的極限值和相電流有效值的極限值要受到逆變器直流側電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。當逆變器直流側電壓最大值為時，Y接的電動機可達到的最大基波相電壓有效值：（2）而在d-q軸系統(tǒng)中的電壓極限值為:(1)電壓極限圓電動機穩(wěn)態(tài)運行時，電壓矢量的幅值：（3）代入式（3）得：（4）由于電動機一般運行于較高轉速，電阻遠小于電抗，電阻上的壓降可以忽略不計，上式可簡化為（5）以代替上式中的，有（6）當時，式（5）是一個橢圓方程，當時（即電動機為表面凸出式轉子磁路結構時），式（6）是一個以（,0）為圓心的圓方程，下面以為例，將式（6）表示在的平面上，即可得到電動機運行時的電壓極限軌跡——電壓極限圓。對某一給定轉速，電動機穩(wěn)態(tài)運行時，定子電流矢量不能超過該轉速下的橢圓軌跡，最多只能落在橢圓上。隨著電動機轉速的提高，電壓極限橢圓的長軸和短軸與轉速成反比地相應縮小，從而形成了一族橢圓曲線[9]。(2)電流極限圓電動機的電流極限方程為：（7）上式中，為電動機可以達到的最大相電流基波有效值，式（7）表示的電流矢量軌跡為一以平面上坐標原點為圓心的圓。電動機運行時，定子電流空間矢量既不能超出電動機的電壓極限圓，也不能超出電流極限圓[10]。2.3永磁同步電動機的矢量控制策略時，從電動機端口看，相當于一臺它勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，等于90°，電動機轉矩中只有永磁轉矩分量，其值為（8）控制時的相量圖如圖2所示：圖2矢量控制相量圖從圖中可以看出，反電動勢相量與定子電流相量同相。對表面凸出示轉子磁路結構的永磁同步電動機來說，此時單位定子電流可獲得最大的轉矩。或者說，在生產(chǎn)所需要轉矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率有所提高。這也是表面凸出示轉子磁路結構的永磁同步電動機通常采用控制的原因。2.4弱磁調速的控制策略：由于本文是針對標貼式永磁同步電機的仿真，可引用如下控制策略：3永磁同步電動機矢量控制（id=0）的simulink仿真3.1永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真圖3為基本控制系統(tǒng)（無弱磁和位置環(huán)）總體仿真圖：圖4控制系統(tǒng)仿真圖其中的控制系統(tǒng)的核心部分—電機參數(shù)和SVPWM模塊如下：圖5電機參數(shù)圖6SVPWM驅動模塊內部其中對各個功能模塊進一步展開如下：圖7-1區(qū)間判斷a圖7-2區(qū)間判斷b圖7-3發(fā)波時間計算模塊圖7-4發(fā)波模塊3.2基本雙PI調速系統(tǒng)的仿真分析仿真圖如圖3，在t=0.2s處加入轉矩階躍由1N·M變?yōu)?N·M。轉速給定為600r/min。結果如下：圖8轉速、Id、位置角和轉矩的實驗曲線圖9三相電流的試驗曲線3.3加入位置環(huán)的矢量控制系統(tǒng)仿真加入位置環(huán)后系統(tǒng)仿真圖如下：圖10帶位置環(huán)的雙PI矢量控制系統(tǒng)仿真圖在階躍給定為2rad到10rad的情況下，仿真曲線如下:圖11帶位置環(huán)控制系統(tǒng)轉速、Id、位置角和轉矩仿真結果曲線3.4帶弱磁的矢量控制系統(tǒng)仿真在圖3的仿真模型基礎上加入弱磁環(huán)節(jié)圖12帶弱磁的矢量控制系統(tǒng)仿真圖其中，弱磁環(huán)節(jié)仿真圖如下：圖13