开题报告：永磁同步电机控制系统仿真

1．课题背景及意义

1.1课题研究背景、目的及意义

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动[1][2]。

二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。

由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用[4][5]。

尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用

也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等。因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。

1.2 课题国内外研究现状及趋势

电机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。最初的随动伺服系统是在美国诞生的火炮瞄准随动系统。此后，随着生产的发展和科技的进步，随动系统有了长足的进展。1971年，德国学者相继提出了交流电机的矢量变换控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展，矢量控制技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电机。由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参数变化，而转子磁场的观测依赖于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制实践上的不足之处。而永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固定，所以矢量控制永磁同步电机在小功率和高精度的场合应用广泛。随后，1985年，由德国鲁尔大学M.Depenbrock教授首次提

出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相感应电动机的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发

展。目前该技术己成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。德国、日本、美国都竞相发展此项新技术[6]。

20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高

集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、位置环、电流环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、滑模变结构控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成[7]-[9]。

国内外专家学者对交流电机控制技术的研究正处在热潮。同时，非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分控制、滑模变结构控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，并展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要发展方向之一[10]。

2．毕业设计研究内容及任务

2.1 研究内容

本文主要研究永磁同步电动机的矢量控制及其建模与仿真，主要使用MATLAB软件进行仿真。研究建模和仿真的关系，及仿真在实际应用中的意义。以及永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型，建立永磁同步电机矢量控制

闭环系统仿真模型，分析结果终结其优缺点。2.2 设计思想及设计方案

2.2.1永磁同步电动机在不同坐标系下的磁场分布a.三相静止坐标系(a-b-c 轴系)

三相永磁同步电机的定子中有三相绕组，其绕组轴线分别为A 、B 、C ，且彼此相差120“空间电角度，构成了一个a-b-c 三相坐标系，如图2-3所示。

空间矢量V 在三个坐标轴上的投影分别为V A 、V B 、V C ，代表该矢量在三个

绕组上的分量。

α

图2-3 三相静止坐标系

图2-4 两相静止坐标系

b.两相静止坐标系(α-β轴系)

定义一个两相直角坐标系(α-β轴系)，它的α轴和三相静止坐标系的A 轴重合，β轴逆时针超前α轴90˚空间电角度，如图2-4，图中V α、V β为V j 矢量在α-β坐标系的投影。由于α轴固定在定子A 相绕组轴线，故价β坐标系

亦为静止坐标系。

c.两相旋转坐标系(d-q 轴系)

两相旋转坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子磁极轴线，q 轴逆时针超

前d 轴90度空间电角度，如图2-4所示，该坐标系和转子一起在空间上以转