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正弦波永磁同步电机调速系统性能研究及仿真.docx

发布时间：2022-06-02 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.15M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    绪论
    1对永磁同步电机各方面介绍
    1.1永磁同步电机的发展的经过
    1.2 永磁同步电机的数学建模的建立
    1.2.1 永磁同步电机坐标变换过程
    2 各个模块的介绍
    2.1通用桥式电路模块
    2.1.1（IGBT）的说明
    2.2永磁同步电机模块说明
    2.1 电机可测变量列表
    2.3 电流控制器
    2.4 转速控制器
    3矢量控制的系统组成
    3.1正弦波永磁同步电机的简单说明
    3.1.1正弦波永磁同步电动机基本组成框图介绍
    3.2正弦波永磁同步电动机电磁转矩和负载角
    3.3 矢量控制的策略方法
    4仿真结果分析
    4.1仿真软件介绍
    4.2 系统组成原理
    4.4 对系统仿真结果的分析结论
    参考文献
    正弦波永磁同步电机调速系统性能研究及仿真 摘 要 利用正弦波永磁同步电动机的好处很多，例如成本低、节能性相对较好、 输出功率大等等。在工业的控制上面、交通、运输货物、航空航天等领域被广 泛应用，交流调速系统的一般我们常用的控制策略有两种，一种是选用矢量的 方法去操控，另一种是选用直接去操控电机自己本身的转矩的方法。以往的调 速用的系统，得到转速的方法一般是，选择机械式感应器，机械式感应器的使 用会给其造成一定的不良影响。本文选用了矢量控制的方法建立的调速系统， 所以首先介绍了电动机矢量控制系统的建模，并且采用了坐标变换，磁链观察 的办法对模型进行了简化，然后建立了正弦波永磁同步电机调速系统模型，接 着对组成系统的各个模块的特性和作用依次进行了分析，如：转速调节器，电 流控制器，universal bridge，电机模块等等，接着在 MATLAB/Simulink 软件 中对系统进行了仿真，最后通过对波形的分析，验证了正弦波永磁同步电机具 有良好的调速性能，并且系统具有极好的稳定性[1]。 关键词：正弦波，矢量控制，电机
    Research and Simulation of Speed Regulation System Performance of fractional-pitch permanent-magnet ac synchronous Abstract There are many advantages of using sinusoidal permanent magnet synchronous motor, such as low cost, relatively good energy saving, high output power and so on. It is widely used in industrial control, transportation, cargo transportation, aerospace and other fields. There are two common control strategies for AC speed regulation system. One is to use vector method to control, the other is to use direct method to control the torque of the motor itself. In the past speed control system, the method to get the speed is generally to choose mechanical inductor, which will have a certain adverse impact on the use of mechanical inductor. This paper chooses the vector control method to establish the speed control system, so first introduces the modeling of the motor vector control system, and simplifies the model by coordinate transformation and flux observation. Then, it establishes the model of the sinusoidal permanent magnet synchronous motor speed control system. Then, it analyses the characteristics and functions of each module of the system in turn, such as rotation. Speed regulator, current controller, universal bridge, motor module and so on. Then the system is simulated in MATLAB/Simulink software. Finally, through the analysis of the waveform, it is verified that the sinusoidal permanent magnet synchronous motor has good speed regulation performance and the system has excellent stability. Keywords: Vector control; Motor; sine wave
    目 录 绪论...............................................................................................................................1 1 对永磁同步电机各方面介绍....................................................................................1 1.1 永磁同步电机的发展的经过.................................................................................1 1.2 永磁同步电机的数学建模的建立........................................................................2 1.2.1 永磁同步电机坐标变换过程.............................................................................2 1.2.2 永磁同步电机的动态方程..................................................................................3 2 各个模块的介绍.......................................................................................................5 2.1 通用桥式电路模块.................................................................................................5 2.2 永磁同步电机模块说明.........................................................................................6 2.3 电流控制器............................................................................................................8 2.4 转速控制器..........................................................................................................10 3 矢量控制的系统组成..............................................................................................14 3.1 正弦波永磁同步电机的简单说明.......................................................................14 3.1.1 正弦波永磁同步电动机基本组成框图介绍....................................................15 3.2 正弦波永磁同步电机电磁转矩 eT 和负载角的关系......................................17 3.3 矢量控制的策略方法..........................................................................................20 4 仿真结果分析..........................................................................................................23 4.1 仿真软件介绍.......................................................................................................23 4.2 系统组成原理......................................................................................................23 4.3 仿真系统的模型介绍...........................................................................................24 4.4 对系统仿真结果的分析结论..............................................................................26 5 结束语......................................................................................................................33 参考文献.....................................................................................................................35 致谢.............................................................................................................................37 I
    II
    绪论 随着现代工业的大肆发展，由于正弦波永磁同步电机的优点很多，利用它 的地方越来越多，而且这种电机是不需要用定子来提供本身需要的励磁电流的， 因为它的转子本身具有很大的励磁，而且与同容量情形下的的感应电机做一下 比较[2]，它的体积会小很多。正弦波永磁同步电动机（PMSM）因为这种电机控 制的东西可以达到很高的精度[3]，而且它的动态的性能很棒所以得到大范围地应 用。它可以实现更大范围的速度和位置的控制。正弦波永磁同步电机在运行过 程中对于摩擦噪音以及换向火花等问题是不会出现的，所以系统运行的可靠与 稳定程度有了超级大的提高。随着当代科学的转型与发展的迅速性，电力电子 技术有了相当程度的进步，电机生产技术、高性能微处理器也取得了相当程度 的进步。在理论方面，电机控制在一些理论方面有了飞速的发展。就目前而言， 正弦波永磁同步电机应用范围也日益增大。对于一些对控制的精准程度比较高 的运用到控制的地方，如用数子控制的机床，机器人领域、高精度机床等等[4]。 随着应用领域的普遍扩展，对其调速性能的指标的要求也更加苛刻。因此对正 弦波永磁同步电机调速系统性能的研究有颇为重要的意义。 1 对永磁同步电机各方面介绍 1.1 永磁同步电机的发展的经过 这个世界上第一台电动机的出现就是创造的永磁电动机。为什么电机与永 磁会产生关系呢？那是因为在转子上安装的材料于一般电机不同，它采用的为 永磁磁钢材料。选择哪一种永磁材料对对永磁同步电机来说很关键，尤其是对 电机的组成的结构及在转动时的性能来说，造成的影响会多一些。目前比较常 用的永磁体有以下几种材料，钐钴、稀土钴，铁氧体[5]等等，在多种材料中，钕 铁硼是一种新型的永磁体材料，这种材料的比较廉价，所以在永磁同步电动机 中被大量地运用。随着近些年来技术的发展的迅猛，譬如计算机设计技术，电 磁材料技术，控制技术和驱动电路技术等。特别因为是电机的体积以及电机重 量下降，世界上各个国家都在加快研制永磁同步电机，世界上第一台永磁同步 电机以及控制系统是在 1986 年西门子公司，在纽伦堡电机厂研制成功的，它的 功率为 1100 千瓦，转速为 230r/min。在我们自己国内永磁同步电机的起步迟一 点，所以发展状况在一段时间内很落后，沈阳工业大学在 1980 年，最先开始研 发高效率的永磁同步电机。并且研发成功了我们国家第一台稀土钻永磁同步电 动机，不久之后我们国家的第一台钕铁硼永磁同步电动机也相继问世。我国的 效率比较高的并且起动转矩也比较高的永磁同步电动机，在 1998 年成功研发出 来的。在技术方面有了很大的进步，永磁同步电机在各个领域都运用的非常的 1
    广泛因为它是一种高性能电机。 1.2 永磁同步电机的数学建模的建立 1.2.1 永磁同步电机坐标变换过程 为了使原来相对复杂的交流电机动态模型变的简单，我们可以对三相的并 且静止的 A-B-C 坐标进行一系列简单的变换，用旋转的两相 d-q 坐标系来代替 原来三相的并且静止坐标系[6]。图 1-1 是一个直角坐标系图，它是旋转变换的电 机矢量图。在直角坐标系中，  两个坐标系是不动，并且与 A 轴几乎完全一 致的为轴，d-q 两相组成的的坐标系是非静止的，是不断旋转的,角是 d 轴和 A 轴两个坐标组成的角，与转子永磁体本身的磁链方向一样的是 d 轴.（如图 1-1）. 对于电磁变量来说，用两相的  坐标系去代替三相 A-B-C 坐标系的时 候，式子 1-1 所示的变换矩阵克拉克可以作为变换矩阵使用，来进行转换;用两 相 d-q 坐标系来替换两相  坐标系的时候，应该利用公式 2-2 所示的派克变 换矩阵进行变换;用两相  坐标系来代替两相 d-q 坐标系时[7]，应该利用公式 2-3 所示的派克逆变换矩阵进行变换。根据变换前后磁场等值原理和空间矢量振 幅不变性，则有: 克拉克，变换矩阵为： 1 0        1 2 3 2   1 2 3 2       2 (1-1)
    派克变换的矩阵为：    cos  e sin   e sin cos  e  e    派克反变换的矩阵为： cos sin     e  e sin   e cos  e    (1-2) (1-3) 1.2.2 永磁同步电机的动态方程 耦合的强度大、关系不是线性、多变量的状态方程是 PMSM 的以前的模型， 电机本身的永磁体与定子上面的绕组，它们两个之间的关系是相当繁杂的关于 电磁。永磁同步电机与直流电动机两者相比较一下，永磁同步电机的控制要繁 杂得多。因此为了做到在不断变换模型的基础上面实现性能颇高的控制，就需 要按照理论把坐标进行变换然后对它建立的数学模型进行一系列的简化。当我 们在探讨 PMSM 数学模型的时候，经常需要去作出一些假设，因为为了方便于 我们的分析，即应该对定子上面关于绕组的一些参数、还有电感发生的变化都 忽视掉，并且需要把磁芯饱和状态的影响、空间里面的谐波的影响以及磁路本 身的饱和状态的影响也忽略掉。 把感应电动机与永磁同步电动机两者相比较一下，两者不相同的地方在于， PMSM 的气隙分布非常不均匀。表贴式的电动机的气隙分布颇为特殊，可以近 似地认为是均匀分布的;但是对于内埋式电动机以及内插式电动机而言，它们的 气隙分布是颇为不均匀的。此时随着转子永磁位置的变化，电机的同步电感也 是在不断地变换，这就会使得控制永磁同步电机变的非常复杂。 在同步转动 d-q 两个轴组成的直角坐标系中，d 轴定义和永磁体自己的磁场 方向是没有什么区别的，d 轴滞后 90 度方向上就是 q 轴的定义，在 d-q 坐标系 上面的电角的速度 e 与转子永磁体自己本身的旋转方向和速度[8]。两者之间没 有什么差别的。把坐标变换原理作为推导和简化的依据，然后再经过一系列的 推导和简化，在转子自己本身的磁场方向总是不变的步伐一致的旋转坐标系中， 对于 PMSM 则有[9]： 电压方程： u d u q   iR ds iR qs   p  q p  d   e d q e sR ：表示定子电阻 3 (1-4)
    磁链方程： di ：d 轴定子电流 qi ：q 轴定子电流 du ：d 轴定子电压 qu ：q 轴定子电压 d ：d 轴定子磁链  d  L  f d  iL qq q f ：转子永磁体磁链 dL ：d 轴电感 dL ：q 轴电感 电磁转矩方程是： T e  3 2 n p    i qd dq i T e 3 2   n ( p i qf  ( L d  iiL q qd ) ) (1-5) (1-6) (1-7) (1-8) 电磁转矩 eT 包括负载转矩，还包括有给电机自己的转子旋转产生的加速度， 变化的转矩一共两个部分，如果用 J 表示电动机的转动时产生了惯性的量度， 则电机动作时的方程的式子为： T e  T l  J d  r dt 其中， r 是作为机械角速度，因此转子的电角速度为: n   r p e (1-9) (1-10) 2 各个模块的介绍 4
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