永磁同步電機(jī)矢量控制方法的研究

1、<p><b>　　南京工程學(xué)院</b></p><p><b>　　自動(dòng)化學(xué)院</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目：永磁同步電機(jī)矢量控制方法的研究</p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 （數(shù)控） </p><p

2、>　　班 級(jí)： 數(shù)控102 學(xué) 號(hào)： 203100630</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　起迄日期： 2013.2.28～2013.6.12 </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)樓

3、 </p><p>　　Graduation Design (Thesis)</p><p><b>　　By</b></p><p>　　Supervised by</p><p><b>　　Prof. </b></p><p>　　Department of Aut

4、omation Engineering</p><p>　　Nanjing Institute of Technology</p><p>　　June, 2013</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著新型電機(jī)理論，電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于人們

5、的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。永磁同步電機(jī)具有體積小，裝配簡(jiǎn)單，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本文的主要內(nèi)容是對(duì)永磁同步電機(jī)的矢量控制方法進(jìn)行研究。</p><p>　　本文分別給出了永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型以及它們之間的轉(zhuǎn)換公式。在分析數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab/Simulink建立了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。</p><p>　　本文對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制方法進(jìn)行了分析，并且

6、在Matlab環(huán)境下，對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明永磁同步電機(jī)矢量控制方法是高效可行的。得到的仿真結(jié)果為我們進(jìn)一步的研究提供了依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制； MATLAB </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In recent years, with the

7、 power electronics technology, the development of the theory of the new motor, permanent magnet synchronous motor has been widely used in industrial production. He himself has a small, simple assembly and other advantage

8、s. The main content of this paper is to vector control for permanent magnet synchronous motor research.</p><p>　　Gives a mathematical model of permanent magnet synchronous motor in different coordinate syste

9、ms and a conversion formula between them On the basis of analysis of the mathematical model, Using Matlab / Simulink to establish a permanent magnet synchronous motor simulation model .</p><p>　　in this pape

10、r, permanent magnet synchronous motor vector control methods are analyzed, and the Matlab environment, permanent magnet synchronous motor model, the simulation results show that the permanent magnet synchronous motor vec

11、tor control method is effective and feasible. The simulation results obtained for us to provide a basis for further research.</p><p>　　Key Words: permanent magnet synchronous motor; vector control; MATLAB<

12、;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章緒論1</b></p><p>　　1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展1</p><p>　　1.2 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及其發(fā)展概況1</p><p>　　1.1.1永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)1</p&

13、gt;<p>　　1.1.2永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況2</p><p>　　1.3 永磁同步電機(jī)的基本控制策略3</p><p>　　1.2.1變壓變頻控制3</p><p>　　1.2.2矢量控制3</p><p>　　1.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制3</p><p>　　1.4 永磁同步電機(jī)矢量控制技

14、術(shù)的發(fā)展和研究意義4</p><p>　　1.5 論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排5</p><p>　　第二章 永磁同步電機(jī)矢量控制原理與電機(jī)模型6</p><p>　　2.1 永磁同步電機(jī)的工作原理6</p><p>　　2.1.1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.1.2 永磁同步電機(jī)工作原理6</

15、p><p>　　2.2 永磁同步電機(jī)矢量控制原理7</p><p>　　2.3 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型7</p><p>　　2.4 永磁同步電機(jī)在matlab環(huán)境下的仿真模型10</p><p>　　2.5 本章小結(jié)11</p><p>　　第三章 PI控制器的設(shè)計(jì)12</p><p>　

16、　3.1 PID控制原理和特點(diǎn)12</p><p>　　3.2 PID控制的意義13</p><p>　　3.3 PID參數(shù)的整定方法14</p><p>　　第四章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型15</p><p>　　4.1 系統(tǒng)仿真工具matlab/Simulink15</p><p>　　4.2 永

17、磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模15</p><p>　　4.3 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型子模塊介紹16</p><p>　　4.3.1 永磁同步電機(jī)模型PMSM模塊16</p><p>　　4.3.2 park變換模塊17</p><p>　　4.3 本章小結(jié)17</p><p>　　第五章 永磁同步電機(jī)

18、矢量控制系統(tǒng)的性能分析18</p><p>　　5.1 矢量控制方法下仿真結(jié)果及性能分析19</p><p>　　5.2 本章總結(jié)28</p><p>　　第六章 結(jié)論29</p><p>　　6.1 論文總結(jié)29</p><p><b>　　致 謝30</b></p>

19、<p><b>　　參考文獻(xiàn)：31</b></p><p>　　附錄A S函數(shù)編寫PID控制器程序清單32</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　從20世紀(jì)50年代中到70年代末，以大功率硅二極管、雙極型功率晶

20、體管和晶閘管應(yīng)用為基礎(chǔ)（尤其是晶閘管）的電力電子技術(shù)發(fā)展比較成熟。70年代末以來(lái)，兩個(gè)方面的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)引起了巨大的沖擊。其一為微機(jī)的發(fā)展對(duì)電力電子裝置的控制系統(tǒng)、故障檢測(cè)、信息處理等起了重大作用,今后還將繼續(xù)發(fā)展;其二為微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等滲透到電力電子器件中，開發(fā)出更多的新一代電力電子器件。其中除普通晶閘管向更大容量（6500伏、3500安）發(fā)展外，門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)電壓已達(dá)4500伏，電流已達(dá) 2500～3000安

21、；雙極型晶體管也向著更大容量發(fā)展，80年代中后期其工業(yè)產(chǎn)品最高電壓達(dá)1400伏，最大電流達(dá)400安,工作頻率比晶閘管高得多,采用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)時(shí)電流增益可達(dá)75～200。 隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)和日本于1981～1982年間相繼研制成光控晶閘管并用于直流輸電系統(tǒng)。這種光控管與電觸發(fā)的晶閘管相比，簡(jiǎn)化了觸發(fā)電路，提高了絕緣水平和抗干擾能力，可使變流設(shè)備向小型、輕量方向發(fā)展，既降低了造價(jià)，又提高運(yùn)行的可靠性。同時(shí)，場(chǎng)控電力電子器件也得到發(fā)展，

22、如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(power MOSFET)和功率靜電</p><p>　　1.2 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及其發(fā)展概況</p><p>　　1.1.1永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換與傳遞的一種電磁裝置。永磁同步電機(jī)，用永磁體代替了繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組。因此電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制造成本更低，而電機(jī)的運(yùn)行效率和可

23、靠性得到了提高。當(dāng)代社會(huì)更加注重成本的節(jié)約和效率的提高，加之隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機(jī)必將更為廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。</p><p>　　1.1.2永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況</p><p>　　永磁電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展是密不可分的。近幾十年來(lái)，隨著鋁鎳鈷永磁、鐵氧體永磁，特別是稀土永磁的相繼問(wèn)世，永磁材料的性能不斷的提高，許多電勵(lì)磁電機(jī)紛紛改為永磁體勵(lì)磁

24、電機(jī)。</p><p>　　美國(guó)，日本，德國(guó)等國(guó)家研究永磁同步電機(jī)都比較早。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)GE公司就研制了一批數(shù)百瓦的微型永磁同步電動(dòng)機(jī)。1973年國(guó)際范圍能源危機(jī)的出現(xiàn)，更加刺激了高性能電機(jī)的發(fā)展。一時(shí)間，各類高功率因數(shù)的永磁同步電機(jī)被開發(fā)出來(lái)。</p><p>　　相對(duì)于上述國(guó)家，我國(guó)對(duì)永磁同步電機(jī)的研究起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展卻十分迅速。在1986年，上海電器科學(xué)研究所開發(fā)

25、出了一種化纖用外轉(zhuǎn)子永磁同步電動(dòng)機(jī)，這是一種用于滌綸、維綸長(zhǎng)絲高速紡機(jī)，作變速卷繞頭傳動(dòng)裝置的專用電機(jī)，調(diào)速范圍1500～9000r／min或1500～12720r／min，調(diào)速平穩(wěn)，可靠性高。轉(zhuǎn)矩有1.05N·m、2.35N·m、3.60N·m等13個(gè)規(guī)格，可替代進(jìn)口電機(jī)</p><p>　　伴隨稀土永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁電機(jī)的發(fā)展大致分為四個(gè)階段： </p>&

26、lt;p>　　（1）20世紀(jì)六七十年代，由于高性能永磁材料的稀缺，永磁同步電機(jī)的研究領(lǐng)域著重放在航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　（2）上世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了價(jià)格相對(duì)較低的釹鐵硼永磁材料，因此，永磁電機(jī)的研究被應(yīng)用到了工業(yè)與民用領(lǐng)域。之后電力電子技術(shù)與運(yùn)動(dòng)控制理論不斷的發(fā)展與完善，永磁電機(jī)各方面的性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)，于是許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)都被稀土永磁電機(jī)代替。</p>&l

27、t;p>　　（3）上世紀(jì)90年代，永磁材料性能更加的完善，并且稀有永磁材料的價(jià)格也變得更低，稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。在永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)工藝和計(jì)算方法等方面的研究工作形成了一套完整的體系。 </p><p>　　（4）到了現(xiàn)代，永磁材料的性能得到了更進(jìn)一步的提升和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性得到了極大的改善，電力電子技術(shù)與新型電機(jī)理論也更加的完善，加上永磁電機(jī)研

28、究和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，除了大力推廣和應(yīng)用已有研究成果外，稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用和開發(fā)也進(jìn)入了一個(gè)新階段，目前正再向大功率化、高功能化和微型化方向發(fā)展。</p><p>　　我國(guó)是資源大國(guó)，高效的利用國(guó)土稀有資源，作為永磁材料的使用，進(jìn)而更好的研究永磁電機(jī)是非常有意思的。</p><p>　　1.3 永磁同步電機(jī)的基本控制策略</p><p>　　在對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行了

29、充分研究的情況下，目前交流電機(jī)基本控制策略大致分為三種，分別是變壓變頻控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制。</p><p>　　1.2.1變壓變頻控制</p><p>　　變壓變頻控制，也稱VVVF控制，指的是通過(guò)改變電機(jī)外部的電壓和頻率，使得電機(jī)能夠在給定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。具體操作是將速度給定信號(hào)輸入到控制器中，給定的速度信號(hào)經(jīng)過(guò)SVPWM模塊變?yōu)榱烽_關(guān)信號(hào)施加到逆變器上，然后逆變器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交

30、變的正弦電壓，該電壓會(huì)被施加到電機(jī)的三相定子繞組上。因此電機(jī)便能夠在給定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。</p><p>　　根據(jù)變壓變頻控制的工作原理可以看出，它不需要從電機(jī)端部引入任何反饋信號(hào)。因此它具有控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本較低的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　1.2.2矢量控制</b></p><p>　　最早的矢量控制是在上世紀(jì)70年代，西門子工程師F

31、．Blaschke提出的。矢量控制是指利用坐標(biāo)變換原理，將永磁同步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系上的物理量，分解到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從而能夠簡(jiǎn)單方便的對(duì)電機(jī)的各個(gè)物理量進(jìn)行分解或合成。從而達(dá)到控制的目的。我們把這種控制方法叫做矢量控制，也稱為磁場(chǎng)定向控制。</p><p>　　矢量控制算法的特點(diǎn)是：對(duì)永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分別進(jìn)行控制，采用信號(hào)采集的原理檢測(cè)定子電流，并且將定子電流矢量分解成用于生產(chǎn)磁場(chǎng)的勵(lì)磁電流和

32、用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流兩部分，從而對(duì)這兩個(gè)電流之間的相位和幅值進(jìn)行控制，最終達(dá)到控制定子電流的目的。</p><p>　　1.2.3直接轉(zhuǎn)矩控制</p><p>　　直接轉(zhuǎn)矩控制，顧名思義是指以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行綜合控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的中心思想是控制定子磁鏈。在靜止坐標(biāo)系下，可以得到的定子的電流和電壓，從而可以計(jì)算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，以此來(lái)獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制是有

33、很大區(qū)別的，矢量控制是通過(guò)電流和磁鏈等物理量間接的控制轉(zhuǎn)矩，并且需要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。而直接轉(zhuǎn)矩控制是在兩相靜止坐標(biāo)系上對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度快。</p><p>　　由上述三種永磁同步電機(jī)的控制策略可知，永磁同步電機(jī)的多種控制策略有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)，要選擇合適的控制策略，從而達(dá)到真正高效而準(zhǔn)確的控制 </p><p>　　1.4 永磁同步電機(jī)矢

34、量控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義</p><p>　　1968年，達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的K. Hasse提出了間接矢量控制的概念，隨后在1970年初期，西門子公司的F.Blaschke提出了直接矢量控制。布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的維爾納·萊昂哈德（Leonhard further）進(jìn)一步開發(fā)磁場(chǎng)導(dǎo)向控制的控術(shù)，因此交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器開始有機(jī)會(huì)取代直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)時(shí)微處理器尚未商品化，但已經(jīng)出現(xiàn)泛用的交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)

35、時(shí)較于直流馬達(dá)啟動(dòng)器，交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的成本高，架構(gòu)復(fù)雜，而且不易維護(hù)。而當(dāng)時(shí)的矢量控制需要許多傳感器及放大器等原件，因此無(wú)法將矢量控制應(yīng)用在交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器中。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，矢量控制理論也越來(lái)越被重視。近年來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)與數(shù)字控制技術(shù)飛快的發(fā)展，矢量控制的應(yīng)用已經(jīng)從曾經(jīng)的高科技領(lǐng)域拓展到更為通用的場(chǎng)合。</p><p>　　隨著功率器件的不斷優(yōu)化，處理速度不斷

36、提升，極大的提高了伺服驅(qū)動(dòng)的性能。到目前為止，伺服驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用最多的同步電機(jī)和異步電機(jī)，額定功率從50W到200KW，位置環(huán)和速度環(huán)的典型帶寬分別為60Hz和200Hz。</p><p>　　現(xiàn)在，交流驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)開發(fā)重點(diǎn)是如何將驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)有效的結(jié)合在一起，開發(fā)出更加可靠的驅(qū)動(dòng)模塊?；谶@一思路，研究人員開始對(duì)矢量控制技術(shù)進(jìn)行深入的研究。矢量控制技術(shù)已經(jīng)成為了近幾年控制研究的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)該控制所需的魯棒性等各種方案

37、被不斷的提出，該技術(shù)已經(jīng)在高性能交流驅(qū)動(dòng)中占有越來(lái)越重要的地位。</p><p>　　從矢量控制技術(shù)被提出至今，已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。目前已有的研究成果有。磁通快速控制技術(shù)，即在直接磁場(chǎng)定向矢量控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，利用磁鏈預(yù)測(cè)值進(jìn)行磁通快速控制的技術(shù)。非線性自抗饒控制器，能夠在異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程中，用自抗饒控制器取代經(jīng)典PID控制器進(jìn)行控制。參數(shù)識(shí)別和調(diào)節(jié)器自整定技術(shù)，是一種基于模型參考自適應(yīng)算法

38、的一慣性系統(tǒng)及二慣性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)的識(shí)別技術(shù)。矩陣式變換器，是一種適用于矩陣式變換器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組合控制策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調(diào)制和異步電動(dòng)機(jī)的直接磁場(chǎng)定向控制。</p><p>　　在不久的將來(lái)，采用嵌入式實(shí)時(shí)軟件操作系統(tǒng)，高速電動(dòng)機(jī)控制專用DSP，通過(guò)開發(fā)性能更加優(yōu)良的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向方法和磁通觀測(cè)器，來(lái)使得變頻器獲得高性能的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力，會(huì)成為矢量控制技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。無(wú)速

39、度傳感器的交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是將會(huì)成為開發(fā)熱點(diǎn)之一。永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于它的高效，高功率，高可靠性而得到越來(lái)越多的關(guān)注，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置傳感器控制和正弦波電流控制，在應(yīng)用方面已經(jīng)趨于成熟。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在許多領(lǐng)域應(yīng)用也取得了很多進(jìn)展。</p><p>　　由此可見(jiàn)，在愈加注重運(yùn)行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的今天，矢量控制已經(jīng)成為了發(fā)展的熱點(diǎn)，并且有著良好的發(fā)展勢(shì)頭。對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制方法進(jìn)

40、行研究是有意義的。</p><p>　　1.5 論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排</p><p>　　本文以永磁同步電機(jī)控制策略的研發(fā)工程項(xiàng)目為應(yīng)用背景，著重講述了對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制方法的研究。全文共分為六章，現(xiàn)介紹各章的主要內(nèi)容。</p><p>　　第一章介紹了永磁同步電機(jī)的概況及其基本控制策略。</p><p>　　第二章具體介紹了矢量控制原理，

41、給出了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和matlab環(huán)境下的仿真模型 </p><p>　　第三章介紹了PID控制器以及PID參數(shù)的調(diào)節(jié)方法。</p><p>　　第四章介紹了在matlab環(huán)境下永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模。</p><p>　　第五章通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)觀察永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真波形，并借此分析矢量控制方法下系統(tǒng)的性能。</p><p

42、>　　第六章對(duì)全文的研究工作做了總結(jié)，并簡(jiǎn)述了感想。</p><p>　　第二章 永磁同步電機(jī)矢量控制原理與電機(jī)模型</p><p>　　2.1 永磁同步電機(jī)的工作原理</p><p>　　2.1.1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)</p><p>　　（1）永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和其他的一般電機(jī)一樣，由固定的定子和可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 （2）

43、在同步發(fā)電機(jī)的定子鐵心的內(nèi)圓里均勻分布著定子槽，在定子槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對(duì)稱交流繞組。同步電機(jī)的定子又稱為電樞，同樣的，定子鐵心和定子繞組也被稱為電樞鐵心和電樞繞組。 （3）在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心上裝有成對(duì)的磁極，在磁極上還裝有勵(lì)磁繞組。啟動(dòng)同步電機(jī)，通入直流電流，電機(jī)的氣隙中將會(huì)形成極性相間的磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)稱為勵(lì)磁磁場(chǎng)，即主磁場(chǎng)。 （4）在電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間，會(huì)形成氣隙。氣隙層的狀態(tài)與電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的分布以及電機(jī)

44、的性能有很大關(guān)系。 （5）同步電機(jī)可以分為轉(zhuǎn)場(chǎng)式同步電機(jī)和轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)，后者的磁極安裝在定子上，而交流繞組卻安裝在轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi)。轉(zhuǎn)樞式同步電機(jī)的定子相當(dāng)于電樞。</p><p>　　2.1.2 永磁同步電機(jī)工作原理</p><p>　　將直流勵(lì)磁電流加在永磁同步電機(jī)的勵(lì)磁繞組上，便能建立極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)，勵(lì)磁磁場(chǎng)也稱為主磁場(chǎng)。 </p><p>　　三相

45、對(duì)稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢(shì)或者感應(yīng)電流的載體，稱為載流導(dǎo)體。 </p><p>　　原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)便能給電機(jī)輸入機(jī)械能，極性相間的勵(lì)磁磁場(chǎng)（即主磁場(chǎng)）隨軸一起旋轉(zhuǎn)，便可以使繞組的導(dǎo)體順次切割勵(lì)磁磁場(chǎng)。 </p><p>　　由于電樞繞組與勵(lì)磁磁場(chǎng)之間產(chǎn)生了相對(duì)的切割運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電樞繞組中便會(huì)產(chǎn)生大小和方向按周期性變化的電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)相當(dāng)于交流電源。</

46、p><p>　　根據(jù)公式f=np/60可知，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 和極對(duì)數(shù)p決定了同步電機(jī)的功率。 </p><p>　　旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極性相間，因此能產(chǎn)生極性交變的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再由于電樞繞組的對(duì)稱性，使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也能保證三相對(duì)稱性。</p><p>　　2.2 永磁同步電機(jī)矢量控制原理</p><p>　　交流電動(dòng)機(jī)的矢量控

47、制理論是由德國(guó)科學(xué)家Blaschke和Hasse在1971年提出來(lái)的。恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)用矢量控制，可以使交流調(diào)速像直流調(diào)速一樣方便簡(jiǎn)單，并且能夠擁有優(yōu)良的控制性能。矢量控制的基本思想是對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)上的電流矢量進(jìn)行控制，使之能夠?qū)崿F(xiàn)像直流電動(dòng)機(jī)一樣的轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制的基本原理是通過(guò)磁場(chǎng)坐標(biāo)，將電流矢量分解成兩個(gè)量。一個(gè)是產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量，另一個(gè)是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量。這兩個(gè)電流分量是互相垂直，并且彼此獨(dú)立的。通過(guò)對(duì)電流矢量的分解，便

48、能對(duì)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)這種方法，便能將交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制變得和直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制相類似。從矢量控制的原理可以看出，矢量控制的關(guān)鍵是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置（即頻率和相位）進(jìn)行控制。雖然矢量控制的目的是能夠提高轉(zhuǎn)矩控制的性能，但最終還是要落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。由于在定子側(cè)的各個(gè)物理量，如電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁鏈等，這些物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，計(jì)算起來(lái)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜。為了解決這一問(wèn)題

49、，需要借助坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從兩相靜止坐標(biāo)系（α，β坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q坐標(biāo)系）</p><p>　　電動(dòng)機(jī)調(diào)速的最終目的是能夠控制其轉(zhuǎn)矩，而矢量控制的目的是為了能夠改善轉(zhuǎn)矩的控制性能，因此必須對(duì)定子電流進(jìn)行控制。倘若不改變系統(tǒng)的參數(shù)，為了達(dá)到要求的轉(zhuǎn)矩，會(huì)有不同的d，q坐標(biāo)系上電流分量的組合，因此也會(huì)有不同的控制策略。</p><p>　　如果使d坐標(biāo)軸上的電流為0

50、，即采用的控制方法。這樣定子電流中便只有一個(gè)分量。這能使得定子的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)正交。永磁同步電機(jī)便相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)而我們只需要控制q軸的電流就可以控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方式簡(jiǎn)單方便，并且能很好的提高同步電機(jī)的性能。因此，本文將采用的控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。</p><p>　　2.3 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　由于本文建立的永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是

51、在理想狀況下的模型，與實(shí)際情況略有偏差，因此需要假設(shè)以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）鐵芯損耗不作考慮；</p><p>　?。?）電機(jī)磁路是線性的，不考慮磁路飽和，磁滯和渦流等因素的影響； </p><p>　?。?）電動(dòng)機(jī)的三相繞組是完全對(duì)稱的，他們?cè)诳臻g中互差120°，不考慮邊緣效應(yīng)； </p><p>　　（4）不計(jì)齒槽

52、效應(yīng)與高次諧波，并且假設(shè)定子電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)是正弦分布的； </p><p>　　通過(guò)假設(shè)，我們可以得到理想的永磁同步電機(jī)模型，現(xiàn)討論不同坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　定子三相坐標(biāo)系（a-b-c坐標(biāo)系）中永磁同步電機(jī)模型</p><p>　　三相永磁同步電機(jī)在定子三相坐標(biāo)系（a-b-c坐標(biāo)系）下的電壓方程和磁鏈方程可以寫成如下形式 &

53、lt;/p><p>　　其中為定子電壓，為定子電阻，為定子電流，為定子磁鏈，為定子電感，為轉(zhuǎn)子磁鏈。</p><p>　　三相永磁同步電機(jī)在定子三相坐標(biāo)系（a-b-c坐標(biāo)系）下的電壓方程的矩陣形式如下：</p><p>　　其中、、為定子三相電壓，、、為定子a、b、c各相的磁鏈，、、、為定子a、b、c各相電流，p為微分算子。</p><p>　　

54、三相永磁同步電機(jī)在定子三相坐標(biāo)系（a-b-c坐標(biāo)系）下的磁鏈方程的矩陣形式如下：</p><p>　　其中、、分別為三相自感系數(shù)， 和為a、b相的互感系數(shù)，和為a、c相之間的互感系數(shù)，和為b、c相之間的互感系數(shù)，為轉(zhuǎn)子磁鏈，為轉(zhuǎn)子位置較角。</p><p>　　從上述式子中可以看出，在三相靜止坐標(biāo)下，永磁同步電機(jī)各個(gè)物理量都與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)。并且是一組復(fù)雜的變系數(shù)的微分方程組。分析和求解

55、此類方程是非常不便的。因此我們可以想辦法將通過(guò)公式將變系數(shù)的方程組轉(zhuǎn)換成常系數(shù)的方程組。</p><p>　　Clark變換，指的是在磁場(chǎng)等效的原則下，用兩相匝數(shù)相同、結(jié)構(gòu)相同、并且相互正交的繞組去代替原本的定子a、b、c三相對(duì)稱繞組。為了能夠使計(jì)算更為簡(jiǎn)便，我們規(guī)定三相繞組的磁動(dòng)勢(shì)與變換后的兩相繞組的磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)向相同，并且α軸與a軸重合。</p><p>　　α-β坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的狀

56、態(tài)方程。</p><p>　　電壓方程的矩陣形式如下：</p><p>　　、為α-β坐標(biāo)系中定子的電壓，、為坐標(biāo)系中定子的電流，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,為轉(zhuǎn)子磁鏈。</p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p>　　、為α-β坐標(biāo)系中的定子磁鏈， T為電磁轉(zhuǎn)矩，為磁極數(shù)。</p><p>

57、　　同樣的，park變換指的是將兩相靜止坐標(biāo)系（α-β坐標(biāo)系）下的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）下。</p><p>　　d-q坐標(biāo)系中永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p><b>　　、</b></p><p>　　式中、為定子磁鏈的d、q 軸分量; 、為定子電壓的d、q 軸分量; 、為定子電流的d、q軸分量;、為定子繞組的d

58、、q 軸等效電感;為永磁體磁鏈; 為定子繞組電阻;為極對(duì)數(shù); T為輸出電磁轉(zhuǎn)矩; p為微分算子。</p><p>　　電壓方程的矩陣形式：</p><p>　　、為d-q坐標(biāo)系中的定子電壓，、為d-q坐標(biāo)系中的定子電流，、為d-q坐標(biāo)系中的定子磁鏈。</p><p>　　磁鏈方程的矩陣形式：</p><p>　　、為d-q坐標(biāo)系中的定子電感

59、，為轉(zhuǎn)子磁鏈。</p><p>　　以上為永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）下的數(shù)學(xué)模型。在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，三相永磁同步電機(jī)可以等效的看做是直流電機(jī)，對(duì)我們研究電機(jī)的控制策略而言相對(duì)簡(jiǎn)單方便。</p><p>　　2.4 永磁同步電機(jī)在matlab環(huán)境下的仿真模型</p><p>　　（1）JX—PMSM—750型號(hào)電機(jī)參數(shù)</p><

60、;p>　?。?）永磁同步電機(jī)MATLAB仿真模型</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)運(yùn)用到了MATLAB軟件對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和仿真，MATLAB中的的simulink模塊中具備很多電機(jī)仿真所要用到的器件，是一種非常常用的電機(jī)仿真軟件，使用起來(lái)也非常的方便快捷。</p><p>　　根據(jù)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以建立起如下圖所示的永磁同步電機(jī)仿真模型（MATLAB仿真圖）：</p

61、><p>　　具體建立步驟在第四章有詳細(xì)介紹。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章著重介紹了同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理，給出了在不同坐標(biāo)軸下同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。最后還給出了MATLAB環(huán)境下同步電機(jī)的仿真模型。</p><p>　　（1) 介紹了永磁同步電機(jī)的工作原理</p>

62、;<p>　　(2) 詳細(xì)介紹了同步電機(jī)的矢量控制原理</p><p>　　(3) 給出了同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　(4) 在MATLAB環(huán)境中，根據(jù)電機(jī)參數(shù)和電機(jī)方程，對(duì)電機(jī)本體進(jìn)行建模。</p><p>　　第三章 PI控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 PID控制原理和特點(diǎn)</p&

63、gt;<p>　　PID控制是在工程實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)，他具體是指比例，積分，微分控制。到目前為止，PID控制器已經(jīng)有了近七十年的研究歷史，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有良好的穩(wěn)定性、并且便于調(diào)節(jié)。因此，PID控制是目前工業(yè)控制的一大重要技術(shù)。在工程研究的過(guò)程中，當(dāng)我們無(wú)法完全掌握被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并且得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，很難采用其他控制技術(shù)。當(dāng)我們必須依靠經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)的調(diào)試來(lái)掌握控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，PID控制技

64、術(shù)是最好的選擇。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)系統(tǒng)反饋的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量從而進(jìn)行控制。</p><p><b>　　比例控制（P）</b></p><p>　　比例控制是最基本，也是最簡(jiǎn)單的控制方式。他指的是控制器的輸出與輸入的誤差信號(hào)成比例關(guān)系。如果系統(tǒng)中僅存在比例控制，系統(tǒng)輸出將存在穩(wěn)態(tài)誤差。</p&g

65、t;<p><b>　　積分控制（I）</b></p><p>　　積分控制是指控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。一個(gè)普通的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后會(huì)存在一個(gè)穩(wěn)態(tài)誤差，我們稱這個(gè)自控系統(tǒng)為簡(jiǎn)差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，則必須要在控制器中引入“積分項(xiàng)”。誤差對(duì)時(shí)間的積分決定了積分項(xiàng)的大小，積分項(xiàng)的大小會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。盡管誤差有時(shí)是一個(gè)很小的量，但是積分項(xiàng)也會(huì)隨著

66、時(shí)間的增加而加大。這樣它便能使控制器的輸出增大，從而進(jìn)一步的減小穩(wěn)態(tài)誤差，直到穩(wěn)態(tài)誤差接近零值。因此，比例積分控制器（即PI控制器），可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后幾乎沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　微分控制（D）</b></p><p>　　微分控制指的是控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系，它也反應(yīng)了誤差的變化率。由于滯后組件或者大慣性組件的存在，自動(dòng)控

67、制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定的現(xiàn)象。我們可以通過(guò)微分控制來(lái)解決。微分控制能夠抑制誤差的變化作用。許多時(shí)候，在控制器中僅引入 “比例項(xiàng)”和“積分項(xiàng)”是不夠的，我們需要增加“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差的變化趨勢(shì)。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分控制器（即PD控制器）能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。</p&

68、gt;<p>　　現(xiàn)對(duì)PID控制器中三個(gè)環(huán)節(jié)的作用做一個(gè)總結(jié)：</p><p>　　（1）比例環(huán)節(jié)的作用：比例環(huán)節(jié)能夠迅速的反映偏差，減小誤差，但消除不了靜差，如果“比例項(xiàng)”過(guò)大會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。</p><p>　?。?）積分環(huán)節(jié)的作用：積分環(huán)節(jié)能夠減小偏差，直到最終將偏差完全消除，如果“積分相”過(guò)大會(huì)影起系統(tǒng)的超調(diào)，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。</p><p

69、>　?。?）微分環(huán)節(jié)的作用：微分環(huán)節(jié)能夠減小系統(tǒng)的震蕩，提高系統(tǒng)的快速性，如果“微分相”過(guò)大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定 </p><p>　　3.2 PID控制的意義</p><p>　　目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制

70、系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的PID控

71、制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 (intelligent regulator），其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器(PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破鳎≒LC) 是利用其閉</p><p>　　3.3 PID參數(shù)的整定方法</p

72、><p>　　為了得到符合要求的仿真結(jié)果，我們要對(duì)PID控制器中的比例，積分，微分項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這便是PID參數(shù)的整定。PID參數(shù)的整定也是整個(gè)電機(jī)模型控制理論的核心。</p><p>　　PID參數(shù)整定的方法大致分為兩類。第一種是理論計(jì)算整定法，第二種是經(jīng)驗(yàn)法。</p><p>　　理論計(jì)算的方法是指依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)一系列的計(jì)算得到PID中各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)。由于實(shí)

73、際情況與理論上的數(shù)學(xué)關(guān)系存在偏差，因此這種方法所得到的數(shù)據(jù)并不能直接用，還要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一系列的修改。經(jīng)驗(yàn)法，顧名思義是根據(jù)工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，在電機(jī)控制中對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。這種方法根據(jù)電機(jī)控制系統(tǒng)輸出量的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)試，非常的實(shí)用，并且方便快捷。</p><p>　　第四章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　　4.1 系統(tǒng)仿真工具matlab/Simulink<

74、/p><p>　　矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）是MATLAB的簡(jiǎn)稱，它是美國(guó)MathWorks公司研發(fā)的一款數(shù)學(xué)軟件，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，MATLAB在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　Simulink是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真時(shí)用到的工具軟件。</p><p>　　Simulink是MATLAB

75、的一個(gè)應(yīng)用工具箱，它能完成對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的建模和仿真。Simulink的功能非常強(qiáng)大，它不但能夠支持對(duì)連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，還支持其他類型的系統(tǒng)仿真。在Simulink環(huán)境下建立的仿真模型非常的簡(jiǎn)便，直觀。用戶還可以根據(jù)自己的需求，自己建立模型器件。 </p><p>　　在完成Simulink環(huán)境下仿真模型的建立之后，可以通過(guò)Simulink的菜單實(shí)現(xiàn)多種用戶所需求的功能。因此，用戶可以十分方便的得到

76、仿真結(jié)果，仿真波形也很直觀和清晰，這對(duì)用戶分析仿真結(jié)果提供了極大的便利。</p><p>　　下面便介紹在simulink環(huán)境下建立的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型。</p><p>　　4.2 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模</p><p>　　根據(jù)永磁同步電機(jī)矢量控制原理，同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及電機(jī)公式，可建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型如下圖。</p>

77、;<p>　　4.3 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型子模塊介紹</p><p>　　4.3.1 永磁同步電機(jī)模型PMSM模塊</p><p>　　PMSM電機(jī)模型如下</p><p>　　輸入電壓，根據(jù)電壓方程可以得到電流</p><p>　　根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以得到輸出轉(zhuǎn)矩T</p><p>　　根據(jù)機(jī)械

78、運(yùn)動(dòng)方程可以得到角速度</p><p>　　4.3.2 park變換模塊</p><p><b>　　park變換公式為</b></p><p><b>　　經(jīng)過(guò)變換可得</b></p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　

79、本章主要介紹了在matlab環(huán)境下永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型的建立</p><p>　?。?）介紹了仿真工具matlab</p><p>　?。?）建立了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型</p><p>　?。?）介紹了系統(tǒng)模型下的各個(gè)子模塊</p><p>　　第五章 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的性能分析</p><p

80、>　　5.1 矢量控制方法下仿真結(jié)果及性能分析</p><p>　　現(xiàn)在PI控制方法下對(duì)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析和調(diào)試，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器中PI參數(shù)Kp=5，Ki=10。的時(shí)候，系統(tǒng)能夠有較好的性能。在t=0的時(shí)候啟動(dòng)電機(jī)，并且在0.2s時(shí)加入負(fù)載，負(fù)載大小為0.5。id，iq的波形如下圖所示。</p><p>　　圖5-1 PI控制方法下電流id波形</p>&

81、lt;p>　　圖5-2 PI控制方法下電流iq波形</p><p>　　由上圖可以看出，采取id=0來(lái)實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)iq有一個(gè)很大的電流，并且迅速減小，在0.2秒時(shí)加入負(fù)載，iq能夠迅速回升，并且一直保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出波形如下：</p><p>　　圖5-3 PI控制方法下輸出轉(zhuǎn)矩波形</p>

82、;<p>　　圖5-4 PI控制方法下輸出轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　在仿真過(guò)程中，當(dāng)沒(méi)有加入負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩為0,在 0.2秒時(shí)加入負(fù)載，轉(zhuǎn)矩明顯上升，然后保持穩(wěn)定，超調(diào)較小。由此可以證明該控制系統(tǒng)有著良好的控制性能。</p><p><b>　　輸出電流的波形</b></p><p>　　圖5-5 PI控制方法下電流i

83、α波形</p><p>　　圖5-6 PI控制方法下電流iβ波形</p><p>　　可以看出加入負(fù)載后系統(tǒng)能迅速的回到穩(wěn)定狀態(tài)?？焖傩院涂垢蓴_性都比較良好。</p><p>　　我們改變一下參數(shù)，繼續(xù)使用PI控制法觀察波形的變換情況。取kp=5，ki=50，得到波形如下</p><p>　　圖5-7 PI控制方法下輸出轉(zhuǎn)矩波形</p

84、><p>　　圖5-8 PI控制方法下輸出轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　圖5-9 PI控制方法下電流iα波形</p><p>　　圖5-10 PI控制方法下電流iβ波形</p><p>　　由上圖可知，當(dāng)我們?cè)龃笙到y(tǒng)的積分系數(shù)ki，系統(tǒng)最后依舊會(huì)回到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，但是與之前相比，會(huì)有明顯的超調(diào)</p><p>　

85、　下面我們用自制的st函數(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)PID效果以驗(yàn)證：</p><p>　　轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的輸出波形如下：</p><p>　　圖5-11 st函數(shù)下輸出轉(zhuǎn)矩波形</p><p>　　圖5-12 st函數(shù)下輸出轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　輸出電流的波形如下：</p><p>　　圖5-13 st函數(shù)下電流iα波形&

86、lt;/p><p>　　圖5-14 st函數(shù)下電流iβ波形</p><p>　　由上圖可知，不論使用PID模型，或者用st函數(shù)，得到的仿真模型都具有良好的穩(wěn)定性和快速性。并且在加入負(fù)載時(shí)能迅速恢復(fù)，有良好的抗干擾性。</p><p><b>　　5.2 本章總結(jié)</b></p><p>　　本章主要是對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)

87、進(jìn)行仿真和分析。</p><p>　　（1）矢量控制方法下的同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真和分析。</p><p>　?。?）通過(guò)仿真結(jié)果的觀察和分析，提出問(wèn)題和對(duì)控制方法的一些看法。</p><p><b>　　第六章 結(jié)論</b></p><p><b>　　6.1 論文總結(jié)</b></p>

88、;<p>　　永磁同步電機(jī)憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良等特點(diǎn)，代替了傳統(tǒng)電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)代環(huán)境下，永磁材料的性能不斷的提高，價(jià)格卻不斷的下降，因此永磁同步電機(jī)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在這種環(huán)境下，能夠?qū)﹄姍C(jī)實(shí)現(xiàn)高性能的控制變得格外重要。</p><p>　　永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)主要由永磁同步電機(jī)，速度和位置傳感器，速度控制器，電流控制器，以及PWM生成電路等部分組成。</p>

89、<p>　　如今，伺服系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，并且有更好的發(fā)展趨勢(shì)，因此，能夠完成對(duì)伺服系統(tǒng)良好的控制，使他能夠在受擾動(dòng)的情況下迅速的恢復(fù)變得尤為重要。</p><p>　　本論文主要針對(duì)交流伺服控制技術(shù)中最基礎(chǔ)的矢量控制進(jìn)行了研究和分析，通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真，證明了矢量控制是一種比較簡(jiǎn)單方便，并且相對(duì)穩(wěn)定的控制方法?，F(xiàn)總結(jié)如下：</p><p>

90、;　?。?）了解永磁同步電機(jī)矢量控制原理，并且能夠根據(jù)原理建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的模型。</p><p>　?。?）更加深刻的了解和認(rèn)識(shí)永磁同步電機(jī)，對(duì)其工作原理，控制方法有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。</p><p>　?。?）掌握同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)JX—PMSM—750型號(hào)電機(jī)參數(shù)建立模型，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制。</p><p><b&g

91、t;　　存在的問(wèn)題</b></p><p>　?。?）由于研究尚淺，對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制的研究只能停留在較淺的層次，并不能得到完全與理想狀況相符的仿真結(jié)果。對(duì)基于矢量控制的更深層次的控制方法還不算了解</p><p>　?。?）研究?jī)H停留在理論階段，實(shí)際還需要考慮更加復(fù)雜的情況。</p><p>　?。?）工程經(jīng)驗(yàn)不足，對(duì)PID參數(shù)的調(diào)試還不夠熟悉。&

92、lt;/p><p>　　（4）研究更加著重于軟件上的模擬，對(duì)實(shí)際的電機(jī)模型理解的還不夠透徹。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，我要向所有指導(dǎo)我，關(guān)心我，支持我的師長(zhǎng)，同學(xué)，親人致以深深的謝意。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師李寧教授的悉心指導(dǎo)下完成的，在

93、畢業(yè)設(shè)計(jì)與撰寫論文期間，李老師給予了我很大的幫助。在畢業(yè)設(shè)計(jì)初期，李老師每周三都會(huì)把同學(xué)集中起來(lái)，將畢業(yè)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)一一講解給我們聽。對(duì)于我們提出的疑問(wèn)，李老師也會(huì)不厭其煩的一遍又一遍的解釋，直到我們真正弄明白為止。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的最后階段，李老師長(zhǎng)時(shí)間呆在實(shí)驗(yàn)室，以了解我們的研究進(jìn)度。對(duì)于研究進(jìn)度滯后，或者對(duì)仿真模型還存在疑問(wèn)的同學(xué)，李老師會(huì)親自指導(dǎo)，幫助他解決問(wèn)題。李老師的指導(dǎo)讓我對(duì)電機(jī)方面的知識(shí)有了更深的理解，并且讓我能將之前學(xué)

94、習(xí)的課本知識(shí)與實(shí)際情況聯(lián)系起來(lái)。我更是從李老師身上學(xué)到了作為一個(gè)工程項(xiàng)目的研究者應(yīng)該具備的素養(yǎng)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，冷靜的分析，一絲不茍的精神，缺一不可。在此我要向李老師致以誠(chéng)摯的敬意與衷心的感謝。</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，我還得到了實(shí)驗(yàn)室同學(xué)的悉心幫助。實(shí)驗(yàn)室里的學(xué)習(xí)氛圍濃厚，同學(xué)之間探討積極。在此我要專程向謝藝乾，趙志明等同學(xué)表示感謝，你們對(duì)我的研究課程給予了無(wú)私的幫助。</p><p&

95、gt;　　在多年的學(xué)習(xí)生活中，還得到了自動(dòng)化學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和各教研室老師的熱情關(guān)心和幫助，感謝我的所有任課老師、班主任和輔導(dǎo)員。</p><p>　　感謝在我身后一直默默支持我的父母，感謝你們殷切的期望與無(wú)微不至的關(guān)懷。</p><p>　　衷心地感謝在百忙之中評(píng)閱我的設(shè)計(jì)和參加答辯的各位老師。</p><p>　　二O一四年五月 于南京</p><

96、p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1.周鶚，曾朝暉. 高性能永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，1997,36(1)</p><p>　　2.梁艷，李永東. 無(wú)傳感器永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)概述[J]. 電氣傳動(dòng)，2003,45(4)</p><p>　　3.何亞屏，年曉紅. 永磁同步電機(jī)矢量控制M

97、ATLAB仿真研究[J]. 變流技術(shù)與電力牽引，2007,30(6)</p><p>　　4.龍明貴. 永磁同步電機(jī)矢量控制分析[C]. 成都：西南交通大學(xué)，2012</p><p>　　5.王松. 永磁同步電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)及控制策略研究[C]. 北京：北京交通大學(xué)，2011</p><p>　　6.陳榮. 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)[M]. 北京水利水電出版社，2009&

98、lt;/p><p>　　7.李寧，陳桂. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 高等教育出版社，2004 年</p><p>　　8.李寧，劉啟新. 電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003年</p><p>　　9.劉金坤. 先進(jìn)PID控制及其MATLAB 仿真[M]. 電子工業(yè)出版社，2004年</p><p>　　10.黃堅(jiān). 自動(dòng)控制原理及其

99、應(yīng)用[M]. 北京高等教育出版社，2010年</p><p>　　11.李華等. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社[M]. 2007.4</p><p>　　12.堯舜才等. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用.國(guó)防工業(yè)出版社[M]. 2007.7</p><p>　　13.郭慶鼎等. 現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng).中國(guó)電力出版社[M]. 2006</p><p

100、>　　14.楊成慧. MATLAB基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京大學(xué)出版社，2014年</p><p>　　附錄A S函數(shù)編寫PID控制器程序清單</p><p>　　/* File : pid1.c</p><p>　　* Abstract:</p><p><b>　　*</b></p>

101、<p>　　* Example C-file S-function for defining a discrete system. </p><p><b>　　*</b></p><p>　　* x(n+1) = Ax(n) + Bu(n)</p><p>　　* y(n) = Cx(n) +

102、Du(n)</p><p><b>　　*</b></p><p>　　* For more details about S-functions, see simulink/src/sfuntmpl_doc.c.</p><p><b>　　* </b></p><p>　　* Copy

103、right 1990-2004 The MathWorks, Inc.</p><p>　　* $Revision: 1.12.4.2 $</p><p><b>　　*/</b></p><p>　　#define S_FUNCTION_NAME ST</p><p>　　#define S_FUNCTION_LEV

104、EL 2</p><p>　　#include "simstruc.h"</p><p>　　//real_T kp=1352;</p><p>　　//real_T ki=309;</p><p>　　//real_T kp=3.9;</p><p>　　//real_T ki=0.011;<

105、;/p><p>　　real_T ki=5;</p><p>　　real_T kp=12;</p><p>　　//real_T ki=78;</p><p>　　//#define U(element) (*uPtrs[element]) /* Pointer to Input Port0 */</p><p>&l

106、t;b>　　/*</b></p><p>　　static real_T A[2][2]={ { -1.3839, -0.5097 } ,</p><p>　　{ 1 , 0 }</p><p><b>　　};</b></p><p>　　static real_T B[2][2

107、]={ { -2.5559, 0 } ,</p><p>　　{ 0 , 4.2382 }</p><p><b>　　};</b></p><p>　　static real_T C[2][2]={ { 0 , 2.0761 } ,</p><p>　　{ 0 , 7.7

108、891 }</p><p><b>　　};</b></p><p>　　static real_T D[2][2]={ { -0.8141, -2.9334 } ,</p><p>　　{ 1.2426, 0 }</p><p><b>　　};</b></p><

109、;p><b>　　*/</b></p><p>　　/*====================*</p><p>　　* S-function methods *</p><p>　　*====================*/</p><p>　　/* Function: mdlInitializeSizes

110、 ===============================================</p><p>　　* Abstract:</p><p>　　* The sizes information is used by Simulink to determine the S-function</p><p>　　* block's c

111、haracteristics (number of inputs, outputs, states, etc.).</p><p><b>　　*/</b></p><p>　　static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S)</p><p><b>　　{</b></p>

112、;<p>　　ssSetNumSFcnParams(S, 0); /* Number of expected parameters */</p><p>　　if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S)) {</p><p>　　return; /* Parameter mismatch will be repor

113、ted by Simulink */</p><p><b>　　}</b></p><p>　　ssSetNumContStates(S, 0);</p><p>　　ssSetNumDiscStates(S, 4);</p><p>　　if (!ssSetNumInputPorts(S, 1)) return;&l

114、t;/p><p>　　ssSetInputPortWidth(S, 0, 1);</p><p>　　ssSetInputPortRequiredContiguous(S, 0, true); /*direct input signal access*/</p><p>　　ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1);</p&