永磁同步电机控制系统设计与仿真毕业设计论文(编辑修改稿)

永磁同步电机控制系统设计与仿真毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

未找到引用源。 为转子角速度 ( =错误 !未找到引用源。 np ； 错误 !未找到引用源。 为电动机极对数。 (2) 定子磁链方程为： 错误 !未找到引用源。 （ 23） 永磁同步电机控制系统设计与仿真 7 错误 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 错误 !未找到引用源。 为转子磁链。 (3) 电磁转矩为： 错误 !未找到引用源。 （ 25） (4)电动机的运动方程 : 错误 !未找到引用源。 （ 26） 式中： J 为电机的转动惯量。 若电动机为隐极电动机，则 错误 !未找到引用源。 ，选取 id 、 iq 及电动机机械角速度  为状态变量，由此可得永磁同步电动机的状态方程式为： JT LLu qLu di qi dJBLfn pLfn pLR sn pn pLR si qi d/////0//0/ （ 27） 由式 (27)可见，三相永磁同步电动机是一个多变量系统，而且 id 、 iq 、  之间存在非线性耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。 图 22 定子、转子参考坐标系 永磁同步电机控制系统设计与仿真 8 3 永磁同步电机控制策略 任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。 直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差 90176。 ，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。 因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。 经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制和磁场定向控制等方案。 恒压频比控制 恒压频比控制 是一种开环控制，最先被应用于异步电机的调速系统。 一旦速度给定后，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压 Uout 进行控制，使电动机以一定的转速运转。 在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，如风机、水泵，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。 永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有  与 id 错误 !未找到引用源。 或 iq 的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对  和 id 、 iq 解耦。 近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。 矢量控制 高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。 矢量控制也称磁场定向控制，自 1971 年德国西门子公司F． Blaschke 提出矢量控制原理， 该控制方案就倍受瞩目，已经作为一种基本的原理和方法被普遍地采用 [13]。 它的基本思想是根据直流电机和交流电机在产生转矩的基本原理上的相似性，经过一定的数学变换或坐标变换，使二者的电路方程发生联系，然后用模拟直流电机控制方法对交流电动机进行磁场和转矩的分别控制，力图改善异步电动机的转矩控制特性，使之具有和直流机相似的特点。 因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置 (频率和相位 )的控制。 矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对 id 、 iq 的控制。 由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量永磁同步电机控制系统设计与仿真 9 在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。 需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。 矢量控制的优点在于调速范围宽，动态性能较好。 不足之处是按转子磁链定向会受电动机参数变化的影响而失真，从而降低了系统的调速性能。 解决方法是采用智能化调节器可以提高系统的调速性能和鲁棒性。 矢量控制的组成和 原理 1) SVPWM 模块。 采用先进的调制算法以减少电流谐波、提高直流母线电压利用率； 2) 电流读取模块。 通过精密电阻或电流传感器测量定子电流； 3) 转子速度 /位置反馈模块。 采用霍尔传感器或增量式光电编码器来准确获取转子位置和角速度信息，也可采用无传感器检测算法进行测量； 4) PID 控制模块； 5) Clark、 Park 及 Reverse Park 变换模块。 图 31 矢量控制原理图 1) 将电流读取模块测量的相电流 ia 和 错误 !未找到引用源。 ，经过 Clark 变换PI3 P ha seI nv e r t e rSVP WM PIPIP WS M    ,dq,dq   ,a b crdcU位置和转速信号re frd r efi永磁同步电机控制系统设计与仿真 10 将其从三相静止坐标系变换到两相静止坐标系 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 ； 2) 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 与转子位置 错误 !未找到引用源。 rel 结合，经过 Park 变换从两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系 id 和 iq 错误 !未找到引用源。 ； 3) 转子速度 /位置反馈模块将测量的转子角速度 错误 !未找到引用源。 参考转速 错误 !未找到引用源。 行比较，并通过 PI 调节器产生交轴参考电流 ids ； 4) 交、直轴参考电流 ids 、 iqs 与实际反馈的交、直轴电流 ids 、 iqs 错误 !未找到引用源。 进行比较，取直轴参考电流 错误 !未找到引用源。 为 0。 再经过 PI 调节器，转化为电压 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 ； 5) 电压 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 与检测到的转 子角位置错误 !未找到引用源。 相结合进行反 Park 变换，变换为两相静止坐标系的电压 错误 !未找到引用源。 和 ； 6) 电压 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 经过 SVPWM 模块调制为六路开关信号从而控制三相逆变器的开通与关断。 当 错误 !未找到 引用源。 变化时 错误 !未找到引用源。 产生偏差 错误 !未找到引用源。 ， PI 调节器输出设定值 错误 !未找到引用源。 和实际交轴电流比较 ,错误 !未找到引用源。 得到偏差 错误 !未找到引用源。 ，用来调节实际交轴电流； 如果直轴电流 错误 !未找到引用源。 不为 0，因为直轴电流给定值为 0，产生直轴电流 错误 !未找到引用源。 ； 以上两个偏差电流 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 经过 PI 调节器及反 Park 变换后为 SVPWM 调制算法提供两相电压  、 错误 !未找到引用源。 ，从而进一步调节电压空间矢量，并通过逆变器来调节电机的转速，然后重复上述过程，实现了转速和电流的双闭环控制系统。 永磁同步电机控制系统设计与仿真 11 矢量控制的控制方式 1. 错误 !未找到引用源。 控制 定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电机的输出转矩与定子电流成正比。 其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，可以获得很宽的调速范围，适用于高性能的数 控机床、机器人等场合。 电机运行功率因数低，电机和逆变器容量不能充分利用。 2. 错误 !未找到引用源。 控制 控制交、直轴电流分量，保持 PMSM 的功率因数为 1，在 错误 !未找到引用源。 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减小的趋势。 可以充分利用逆变器的容量。 不足之处在于能够输出的最大转矩较小。 3. 最大转矩 /电流比控制 也称为单位电流输出最大转矩的控制（最优转矩控制）。 它是凸极 PMSM 用的较多的一种电流控制策略。 当 输出转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的铜耗。 矢量控制的 坐标变换 1. Clarke（ 3s/2s） 变换 错误 !未找到引用源。 ：三相绕组每相绕组匝数 错误 !未找到引用源。 ：两相绕组每相绕组匝数 6060O ACB2Ni3 BNi2Ni3 CNi永磁同步电机控制系统设计与仿真 12 图 32 Clarke（ 3s/2s） 变换 各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其相关空间矢量均位于有关相的坐标轴上设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在  轴上的投影都应相等，因此 错误 !未找到引用源。 （ 31） 考虑变换前后总功率不变，可得匝数比应为 错误 !未找到引用源。 （ 32） 可得 错误 !未找到引用源。 （ 33） 坐标系变换矩阵： 错误 !未找到引用源。 （ 34） 错误 !未找到引用源。 （ 35） 如果三相绕组是 Y 形联结不带零线，则有 于是 错误 !未找到引用源。 （ 36） 错误 !未找到引用源。 （ 37） 2. Park（ 2s/2r） 变换 两个交流电流 i 、 i 和两个直流电流 id 、 iq ，产生同样的以同步转速 错误 !未找到引用源。 旋转的合成磁动势 错误 !未找到引用源。 d、 q 轴和矢量 错误 !未找到引用源。 都以转速 错误 !未找到引用源。 旋转，分量错误 !未找到引用源。 的长短不变。 a 错误 !未找到引用源。 轴与 d 轴的夹角 错误 !未永磁同步电机控制系统设计与仿真 13 找到引用源。 随时间变化。 图 33 Park（ 2s/2r） 变换 由图可见， 错误 !未找到引用源。 和 错误 !未找到引用源。 之间存在下列关系 错误 !未找到引用源。 （ 38） 写成矩阵的形式，得 错误 !未找到引用源。 （ 39） 坐标系变换矩阵 错误 !未找到引用源。 （ 310） 错误 !未找到引用源。 （ 311） 3. 电压空间矢量 由三组六个开关（ 错误 !未找到引用源。 、 SA 、 SB 、 SB 、 SC 、 SC ）组成。 由于 错误 !未找到引用源。 与 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 与 错误 !未找到引用源。 、 错误 !未找到引用源。 与 错误 !未找到引用源。 之间互为反向，即一个接通，一个断开，所以三组开关有 错误 !未找到引用源。 种开关组合。 iOqqiids inqi sdis i ndi c osqi ()ssFi1dUAS BS CSAS BS CS+永磁同步电机控制系统设计与仿真 14 图 34 PWM 逆变器模型 若规定三相负载的某一相与“ +”极接通时，该相的开关状态为“ 1”态；反之，与“ ”极接通时，为“ 0”态。 则有 8 种可能的开关组合。 表 31 8 种可 能的开关组合 状态 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 逆变器 7 种不同的电压状态： 电压状态“ 1”至“ 6” 零电压关状态“ 0”和“ 7” 逆变器的输出电压 tUs 用空间电压矢量来表示，依次表示为 错误 !未找到引用源。 （ 312） 逆变器非零电压矢量输出时的相电压波形、幅值和电压状态的对应关系图、电压状态和开关状态均以 6 个状态为一个周期，相电压。