摘要永磁同步电机是一种将电能转换成机械能的装置，其适用范围十分广泛，小到商业制造、农业机械化、家用电器设备等方面，大到航空航天、国防等高精尖领域，这都要归功于其结构精巧、高效利用、重量小等优点。因此，通过对永磁同步电机的研究对国民经济的进一步发展有着指导性意义。 本文首先介绍了永磁同步电机的构造及其调速的发展过程和未来前景，通过两个静止坐标系和一个旋转坐标系建立其数学模型，在数学模型的基础上对矢量控制理论进行分析和研究，以达到最有效的电流控制方法为目的，即用0 d i 控制方式，建立控制框图，采用空间矢量脉宽调制技术，根据理论分析，使用 MATLAB/Simulink 仿真软件建立永磁同步电机矢量控制调速系统仿真模型，进行系统仿真。 30927
毕业论文关键词 永磁同步电机，矢量控制，SVPWM，PI 调节，仿真
Title Modeling and Simulation of PMSM Vector Control System
Abstract Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a conversion device of electromechanical energy. With advantages of light weight, small volume and high efficiency, PMSM has been widely used in industrial and agricultural production, daily life, aerospace, defense and so on. Therefore, the study of permanent magnet synchronous motor control system has important practical significance. The paper describes the development of PMSM and control technology associated with it, creates the mathematical models of PMSM in different coordinate systems. Then, the theory of vector control combined with mathematical models of PMSM is introduced. And the appropriate current control method is selected, such as 0 d i control. Finally, based on the theoretical analysis, a control block with using space vector pulse width modulation technology is set up and a PMSM vector control system simulation model is established for system simulation by using MATLAB/Simulink.
Keywords PMSM, Vector control, SVPWM, PI regulation, simulation
目次
1 绪论 1
1.1 本文研究的背景及意义 1
1.2 永磁同步电机及其相关控制技术的发展 1
1.3 永磁同步电机调速系统的发展方向 4
2 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理 5
2.1 永磁同步电机分类及结构 5
2.2 永磁同步电机数学模型 6
2.3 矢量控制原理 10
3 电压空间矢量调制（SVPWM）原理 14
3.1 电压空间矢量 14
3.2 电压与磁链的关系 14
3.3 三相逆变器的基本电压矢量 15
3.4 电压空间矢量线性组合 16
3.5 电压矢量扇区的判断 18
3.6 基础电压矢量作用时间的确定 18
4 永磁同步电机矢量控制系统的仿真 20
4.1 永磁同步电机矢量控制系统仿真模型构建 20
4.2 仿真结果 24
结论 28
致谢 30
参考文献 31
1 绪论 1.1 本文研究的背景及意义 永磁同步电机是一种机电能量转换装置，与直流电机、异步电机相比，其以极高的性价比和易于操控的构造，在国民经济的发展和人们的平时生活中得到极大应用。因此，对它的控制系统进行研究和掌握具有重大的现实指导意义： （1）永磁同步电机矢量控制系统作为交流调速系统，以其诸多优点受到了广大科研者的青睐，结构设计较为简便，空间利用率较高，轻巧便携，能量利用率较高，风险承受能力大，以当前较为普遍的矢量控制为基础，输出转矩和定子电流变化成正比，直观易设计，操控方便 [1]。 （2）一方面，我国在春秋战国时期就有关于天然磁石的描述，是最早使用磁的国家；另一方面，永磁同步电机的相关资源储备丰富，制造易于实现且成本花费不大，这在社会发展的多个领域内都具有广阔的应用前景和重要的战略意义[2]。 （3）最近这段时间，国内科研机构成功制造出优质的永磁材料，以及这些材料的大批量使用，加上相关配套技术地不断发展，使得永磁同步电机的性能不断提高，在更大的领域里逐步淘汰直流电机和步进电机，成为当代高性能伺服系统的主流发展方向。 1.2 永磁同步电机及其相关控制技术的发展 1.2.1 永磁同步电机的发展 永磁同步电机出现约有一百多年历史，相对于普通电机而言，其体积减小，重量减轻，精度控制增高等优点，受到各界相关人士的推崇。但由于永磁同步电机存在最大转矩受永磁体去磁约束、抗震能力差、高转速受限制、功率小、成本高和启动困难等缺点，其进一步发展限制太多，未大批量研发生产以及投入使用。 随着时代的进步，面对各种控制技术的发展和通用变频器系列产品的问世，永磁同步电机慢慢开始大批量应用。20 世纪 80 年代中叶，稀土材料的开发取得巨大进展，攻克了稀土永磁电机的关键技术问题，对调速系统的研发打下了夯实的基础，开创了永磁同步电机发展的新纪元。上世纪末的最后十年，永磁材料的进一步升级使研发永磁同步电机进入一个极速时代。 永磁同步电机和永磁材料技术两者是密不可分的。当前时期，永磁同步电机采用的永磁材料主要包括铁氧体、铝镍钴和稀土永磁材料三大类。其中，稀土永磁材料主要包括钕铁硼和钐钴。其中钐钴这一材料，本身性能很好，但是成本费用极高，各国应用这些材料大部分也都是在高科技领域，如航空航天，计算机等产业。20 世纪 80 年代，性价比更高的钕铁硼永磁材料的研制成功，使得永磁电机逐渐走向日常生活，推动各项技术的发展。当前中国主要研究开发各种工业调速系统用的高效永磁同步电机，国外则倾向于自动化方向的研究，诸如数控机床、计算机硬盘驱动电机和机器人用的无刷直流电机，减轻了人工负担。到了二十世纪末，钕铁硼这一类永磁材料已经占据了世界铁磁市场一半的材料量[3]。进入二十一世纪后，随着钕铁硼永磁材料研发的进一步发展，其耐高温性能不断提高的同时，价格则是不断滑落，性价比得到了大大的提升，因此钕铁硼永磁电机在人们的日常生活、工农业生产以及类似航空军事这样的尖端发展平台方面应用广泛，永磁电机也在不断更新换代从而更适合社会发展。 MATLAB永磁同步电机矢量控制系统的建模与仿真:http://www.751com.cn/zidonghua/lunwen_26909.html