毕业设计-基于空间矢量控制的永磁同步电机的研究(终稿).doc

目 录摘 要IIIABSTRACTIV第一章 绪论11.1 课题研究的背景11.2 永磁交流伺服系统控制理论的发展11.3 永磁交流伺服控制系统的发展趋势。21.4 论文研究的主要内容3第二章 永磁同步电机的矢量控制原理42.1 永磁同步电机的内部结构和种类42.2 电机控制中用到的坐标系42.2.1系统中的坐标系52.2.2由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换）62.2.3两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换（Park变换）72.2.4永磁同步电机dq轴数学模型82.3 转子磁链定向矢量控制理论92.4 同步电机的矢量控制10第三章PMSM控制系统的MATLAB仿真133.1 MATLAB动态仿真工具SlMULINK简介133.2 永磁同步电机仿真模型的建立133.2.1逆变器143.2.2空间矢量PWM发生模块的建立183.2.3判断电压矢量所属的扇区及仿真实现183.2.4计算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真实现193.2.5计算开关作用时间213.2.6生成PWM波形213.2.7基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型223.3：双闭环仿真系统的建立和控制器参数调整233.3.1双闭环仿真系统的建立233.3.2仿真结果25第四章 结束语27工作总结及评价27致 谢28参考文献:29摘 要本文研究的是通过电压空间矢量控制永磁同步电机系统，在PID控制策略下改善永磁同步电机的转矩性能,用MATLABSIMULINK建立了永磁同步电机电流转速双闭环矢量控制仿真模型。在模型建立后，由于PID控制由于算法简单、可靠性高，广泛应用于控制过程中。因此本文采用的是PID控制，并应用电压矢量控制SVPWM控制实现对永磁同步电机的转矩，使其拥有直流电机的性能。仿真结果表明空间电压矢量控制可以使永磁同步电机的转矩可控制并达到稳定，并产生三相稳定电流。所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、方法和性能，对今后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。关键词：永磁同步电机；PID控制；MATLAB仿真/SIMULINK； AbstractThis paper studies the voltage space vector control by permanent magnet synchronous motor system , with the PID control strategy for permanent magnet synchronous motor torque performance, using MATLAB / SIMULINK to establish a permanent magnet synchronous motor current speed double closed loop vector control model. In the model, the choice of which control algorithm is also very important, because the PID control algorithm is simple, high reliability, widely used in the control process. So this article uses a PID control to achieve the SVPWM control of permanent magnet synchronous motor torque to have a DC motor torque control performanceAll these work illuminates principle, method and properties of the permanent magnet synchronous motor vector control system, as a reference for the future research permanent magnet synchronous motor vector control system and improving the performance of the systemKeywords: Permanent magnet synchronous motor; PID control;36第一章 绪论1.1 课题研究的背景随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。【9】20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。1.2 永磁交流伺服系统控制理论的发展交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由FBlaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。【1】控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。【10】【11】矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。【6】控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。1.3 永磁交流伺服控制系统的发展趋势。 永磁交流伺服控制系统的发展趋势如下：(1)电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步进电机及感应电机。因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的优势如：A)永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电阻损耗，可以显著提高功率因数(可达到l甚至容性)；B)永磁同步电动机不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高；c)永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。而且在相同功率下，永磁同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。【12】【】16我国制作永磁电机永磁材料的稀土资源丰富， 1984年7月，我国成为世界上第三个能研制和生产第三代稀土钕铁硼永磁材料的国家，稀土资占全世界的80以上，发展永磁电机具有广阔的前景。【5】【12】(2)高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确的确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。【7】(3)绿色化发展。由于全球电能的80以上通过电力变换装置来消耗，作为广泛使用的电力变换装置的变频器，将朝着节约能源，降低对电网的污染和对环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方向发展。1.4 论文研究的主要内容本课题研究永磁同步电机矢量控制，首先给出了矢量控制中用到的坐标变换以及本文所设计系统的原理图，其次建立永磁同步电机的数学模型，给出了本驱动器中采用的电压空间矢量脉宽调制(简称SVPWM)方法的数学模型，最后利用MATLAB仿真软件对系统进行仿真。1详细分析了永磁同步电机的数学模型，通过对数学模型的分析，明确了永磁同步电机的电磁约束关系，为分析永磁同步电机的运动规律和研究高性能的控制决策提供理论基础。2在分析数学模型的基础上，建立了永磁同步电机的矢量控制系统，论述了矢量控制的实现方法。3SVPWM的产生是实现矢量控制的关键，详细分析了SVPWM的原理以及实现方法。4对整个系统进行了仿真，在MATLAB中建立了基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型。第二章 永磁同步电机的矢量控制原理2.1 永磁同步电机的内部结构和种类1)永磁同步电机的内部结构永磁同步电动机由定子，转子和外壳等部件组成。其中定子由定子铁心(由冲槽孔的硅钢叠压而成)、定子绕组(在铁心槽中嵌放三相绕组)构成。定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子通常由轴、永久磁钢及磁轭组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。为了减少电动机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法。【1】【2】2)永磁同步电机的种类永磁同步电动机分类方法较多：按工作主磁场原理方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；按转子上有无启动绕组，可分为无启动绕组的电动机和有启动绕组的电动机(又称为异步启动永磁同步电动机)；根据极对数的不同，永磁同步电机可分为单极和多极；根据磁通分布或反电动势波形，可分为永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机。永磁同步电动机中没有包含有高次谐波，涡流和磁滞损耗减少，电机效率增加。永磁同步电动机产生的转矩脉动低于永磁无刷直流电动机，主要原因是永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流。【7】【10】2.2 电机控制中用到的坐标系交流电机的数学模型具有高阶次，多变量耦合，非线性等特征，难以直接应用于系统的设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性的数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因此需要通过适当的转换，将交流电机的控制变换为类似直流电机的控制将大大简化交流电机控制的复杂程度。【12】永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制,即模拟直流电机的控制特点进行永磁同步电机的控制。为简化感应电机模型,可将电机三相绕组电流产生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解,使得能够用两相正交绕组来等效实际电动机的三相绕组。由于两相绕组的正交性,变量之间的耦合大大减小。【13】2.2.1系统中的坐标系1)三相定子坐标系(U.V.W坐标系)其中三相交流电机绕组轴线分别为U.V.W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一个UVW三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上的投影代表了该矢量在三个绕组上的分量。2)两相定子坐标系(坐标系)两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间的任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，所以定义一个两相静止坐标系，即坐标系，它的轴和三相定子坐标系的A轴重合，轴逆时针超前轴90度空间电角度。由于轴固定在定子A相绕组轴线上，所以坐标系也是静止坐标系。3)转子坐标系(dq坐标系)转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极的轴线。矢量控制中用到的变换有:将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换(Clarke变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换(Park变换)。2.2.2由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换）三相同步电动机的集中绕组U、V、W的轴线在与转子垂直的平面分布如上图所示，轴线依次相差120°，可将每相绕组在气隙中产生的磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，所以可以把气隙内的磁场简化为一个二维的平面场。简单起见，可以U为轴，由起逆时针旋转90°作轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（）产生的磁动势来等效三相静止坐标系（uvw）产生的磁动势.【22】【24】如图2-1 图2-1 clarke变换用F来表示三相绕组所产生的总磁动势，F,F分别表示，轴上的集中绕组所产生的磁动势，则三相绕组在气隙中产生F可以由，两相绕组来等效产生，所以可得（2-1）关系式：（2-1） N2为两相绕组，的匝数，N3为三相绕组u、v、w的匝数。根据上式可以得到电流的变化矩阵：（2-2） 满足功率不变的变换时，应有： （2-3） 所以可得由U,V,W到转换的（2-4）公式所示：（2-4）由到U，V，W变换的（2-5）公式所示：（2-5）2.2.3两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换（Park变换）经过Clarke变换后的到得坐标系是静止的，所表示的电流仍然是交流电流，与直流电动机相比还有很大的差别，因此仍然需要进一步变换。为模拟直流电动机的电枢磁动势与主磁场相互垂直，可以建立如下图所示的dq绕组模型。图中d,q垂直，分别通以直流电流Id,Iq，产生的合成磁势对绕组来说是固定的，但是如果让整个坐标系以电机的同步速旋转，就可以等效为三相绕组uvw产生的旋转磁动势，从而达到等效变换的效果。【4】【6】 从两厢静止坐标系到两相旋转坐标系的变换如图2-2所示：图2-2 park变换根据磁动势等效的原则（2-6） 式中N4是dq轴上绕组的匝数。满足功率不变是时应有N2=N4，所以可得坐标系向dq坐标系变换的矩阵为：（2-7）取反变换后可以得到dq轴坐标系向坐标系转换的矩阵为：（2-8） 2.2.4永磁同步电机dq轴数学模型永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相同。永磁同步电机在dq坐标系的数学模型描述如下：模型的建立基于下面的假设：1忽略电机铁心的饱和；2不计电机中的涡流和磁滞损耗：3电机电流为对称的三相正弦电流(即只考虑电流基波)。在永磁同步电机中，建立固定于转子的参考坐标，取磁极轴线为d轴，顺着旋转方向超前90。电角度为q轴，以a相绕组轴线为参考轴线，d轴与参考轴之间的电角度为，如图2-3所示。图2-3 永磁同步电机dq轴模型2.3 转子磁链定向矢量控制理论矢量控制的基本概念1971年，德国学者Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量控制(Transvector contr01)理论，它是电动机控制理论的第一次质的飞跃，解决了交流电机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样的方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态功能。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。【15】【19】交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现解耦。所谓解耦指的是控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制实现的。根据电机方程所确定的电磁关系，一定的转矩和转速对应于一定的id和iq，通过对这两个电流的控制，跟踪相应的给定值，便实现了对电机转矩和转速的控制。而且由于位于d，q轴的电流分量相互正交，使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解耦，因此便于实现各种先进的控制策略。【12】【15】【25】对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁链位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制大大简化。当id=0时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机。定子电流中只有q轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空问矢量正交，在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩。2.4 同步电机的矢量控制电压空间矢量PWM技术三相电动机由三相对称正弦交流电源供电时（2-7） 该式说明，当磁链幅值一定时,U的大小与成正比，或者说供电电压与频率成正比，其方向是磁链轨迹方向的切线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动2弧度，其运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。经典的SPWM控制目的是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，而电流波形会受到负载电路参数的影响，并且电压利用率较低。为此提出了电压空间矢量PWM(SVPWM)技术。SVPWM也称作磁链轨迹法，从原理上讲，把电动机与PWM逆变器看作一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁链，SVPWM以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效电压矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形。【23】【24】SVPWM法则由三相逆变器不同的开关模式所产生的实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。该控制方法具有开关损耗小、电机转矩脉动低、电流波形畸变小、直流电压利用率提高的优点。SVPWM采用id=0的转子磁链定向控制后，此时电动机转矩和电流iq呈线性关系，只要对iq进行控制就可以达到控制转矩的目的 。并且，在表面式永磁同步电机中，保持id=0可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。因此只要能准确地检测出转子位置(d轴)，使三相定子电流的合成电流矢量位于q轴上，那么，只要控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩，这和直流电动机的控制原理类似。本控制系统采用的是令id=0，此时转矩和iq成线性关系，只要控制iq即可达到对转矩的控制，其矢量控制仿真结构图如下：图2-4 矢量控制同步电机结构图矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子电流(交流量)的控制上。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、磁动势等等，都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算都不是很方便。因此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标系上进行观察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。按照这些给定量进行实时控制，就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 【17】【22】第三章PMSM控制系统的MATLAB仿真3.1 MATLAB动态仿真工具SlMULINK简介MATLAB是由Math Works公司开发的一种主要用于数值计算及可视化图形处理的高科技计算语言。它将数值分析、矩阵计算、图形处理和仿真等诸多强大功能集成在一个极易使用的交互式环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的许多科学提供了一种高效率的编程工具，集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图像处理等于一体。【4】【13】在MATLAB中，SIMULINK是一个比较特别的工具箱，它具有两个显著的功能：SMU(仿真)与LINK(链接)，是实现动态系统建模、仿真的个集成环境。它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。SIMULINK为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，具有直观、方便、灵活的优点1321利用MATLABSimulink进行系统的辅助设计，在可以做出实际系统之前，预先对系统进行仿真和分析，并可以做适当的实时修正，增强系统的性能，减少系统反修改的时间，实现有效开发系统的目的。在Simulink library brower中列出了各模块的目录，其中主要模块有Source源模块，Sink显示和输出模块，Continuous连续性函数模块，Nonlinear非线性函数模块，Signal Systems信号系统函数模块等口。3.2 永磁同步电机仿真模型的建立为建立永磁同步电机矢量控制的系统仿真模型，首先需要一个比较准确反映电机特性的电机模型。在SIMULINK中己经提供了一个永磁同步电机的仿真模块，它封装了电机的主要电压方程和机械方程。【7】【10】在本仿真系统里，使用的是MATLABSIMULINK提供的永磁同步电动机模型。3.2.1逆变器典型的三相逆变器一交流电动机调速系统的结构所示，SVPWM控制的主电路是VT1到VT6六个功率晶体管IGBT组成的三相逆变器。VT1一vT6六个功率晶体管分别由PWM1PWM6信号控制。当同一桥臂的上IGBT处于导通时，下一IGBT处于关闭状态。图3-1 逆变器如把上桥臂器件导通用数字1表示，下桥臂器件导通用数字0表示，a，b，c分别代表3个桥臂的开关状态。根据三组桥臂的通断，则共有8个可能的开关状,则上述8种工作状态若用abc的组合可表示为000、001、010、011、100、101、110、111共八种开关模拟状态。其中下桥臂全部导通000或上桥臂全部导通111状态表示电机三相同时接到电源的正极或负极，电机的端电压实际为零，所以这种开关状态称为零状态2324.即可以产生六个有效向量U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)(也称6个基本空间矢量)和两个零矢U0(000)，U111)，逆变器每个开关状态产生一个电压开关矢，空间电压矢量如下图：图3-2 空间电压矢量图对于任意空间合成向量是由相邻的两个基本空间矢量各自所占的时间来确定，如下例子中位于第一扇区Uout大小和角度由U4和U6这两个先后出现的矢量及零矢量各自所占的时间来确定：（3-1）同时将Uout分解为平面上的两个空间矢量U和U，并考虑到功率不变条件下坐标变换虽然有变换前后两个系统功率不变的优点，但由于三相系统与二相系统的绕组匝数不等，应用空间矢量计算应把它再各相坐标轴上的投影在乘以 即可得到（3-2）可推导得到（3-3）SVPWM调制模式采用连续开关调制模式。每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以减少开关损耗。它由3段零矢量和4段相邻的两个非零矢量组成，3段零矢量分别位于PWM波的开始，中间和结尾。开关顺序为：U0(000)，U4(100)，U6(110)，U7(111)，U6(110)，U4(100)，U0(000)。作用时间依次为：T04，T42，T62，T02，T62，T42，T04。上述方法可推广到其它5个扇区图3-3 电压合成矢量在第扇区分解图可以推导出三相逆变器输出地线电压矢量与开关状态a,b,c的关系为：（3-4）三相逆变器输出地相电压矢量与开关状态的a,b,c的关系如下所示：（3-5）根据以上两式可得下表3-1：表3-1开关状态和相电压和线电压的关系根据三相坐标系向两相坐标系转换的公式，可以确定各基本矢量在坐标系下所对应的分量如（3-5）所示：（3-6）表3-2 开关状态与相电压在（）坐标系中分量的关系根据表3-2所得数据，我们可以用空间电压矢量来表示逆变器三相输出电压的各种状态，逆变器输出地8个基本电压矢量组成一个六边形，将整个空间划分为六个区域，其中有两个位于原点的零矢量，六个不同方向的电压空间矢量，它们周期性地顺序出现，相邻两个矢量之间相差60°，电压空间矢量幅值不变。从一个电压矢量旋转到了另一个电压矢量时，只能有一个桥臂的开关动作。在相邻两个基本电压矢量之间的任意电压矢量，都可以由这两个基本矢量合成，所以通过8种电压矢量不同的线性组合，就可以得到更多的与基本空间矢量相位不同的电压空间矢量，最终构成一组等幅不同相的电压矢量叠加形成尽可能逼近圆形旋转场的磁链圆。18243.2.2空间矢量PWM发生模块的建立在建立了电机的仿真模型之后，我们还需要一些相关的运算模块来建立仿真系统。这其中非常重要的是空间矢量PWM发生模块，它根据电流环输出的id和iq以及当前的转子位置角度值输出6路PWM波，控制主桥臂6路IGBT的通断。3.2.3判断电压矢量所属的扇区及仿真实现判断电压矢量所在的扇区是非常重要的一部分，只有确定了所在的扇区才能知道输出电压矢量可以由哪两个基本电压矢量合成。可以有以下方法判断扇区号：（3-7）令（3-9）（3-8）其中U,U分别为合成电压矢量在坐标系中对应在轴和轴上的电压分量。定义a，b，c，N四个量，其中P代表扇区号，当B00时，a=1，否则a=0；当B10时b=1，否则为b=0；当B20时，c=1，否则为c=0.设N=a+2b+4c.由此就可以得出扇区号判断的仿真图3-4：图3-4 扇区判断3.2.4计算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真实现 由推导可得：（3-10） 对于不同扇区中的T1，T2按下表取值，为了保证正确还要对T1，T2进行表3-3 饱和判断：T1+T2T时，T1=T*T1/(T1+T2) ,T2=T*T2/(T1+T2)。不同扇区T1,T2值与X,Y,Z的对应关系表扇区123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-Z根据以上公式，以及表1可以得到X，Y，Z，T1，T2的仿真实现图 图3-5 X Y Z 判断图3-6 计算T1 T2 3.2.5计算开关作用时间图3-7 开关作用时间 3.2.6生成PWM波形PWM波形发生模块的作用是产生6路PWM波形，控制6个IGBT的开关。可以利用Tcm1,Tcm2,Tcm3和等腰三角波进行比较,就可以生成对称空间矢量PWM波形，其中2，4，6路输出分别是1，3，5路输出的反相，所以，只要确定1，3，5路的波形，整个波形就确定了图3-5开关作用时间 3.2.7基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型在SVPWM模块的基础上，结合PMSM模块、逆变器模块、电机测量模块、PI调节器模块、坐标变换模块等就构成了基于SVPWM的永磁同步电机控制系统的仿真模型。模型如图37所示。图3-7 系统仿真图3.3：双闭环仿真系统的建立和控制器参数调整3.3.1双闭环仿真系统的建立依据前述为永磁同步电机系统仿真所建立的各个模块的输入输出关系，可以根据双环矢量控制的原理构建系统的仿真模型。其中所谓双环是指内部的电机电流PI调节反馈控制环路和外部的电机速度PI反馈控制环路。20选择电流作为控制变量的基本原因是，在磁场定向控制时，电磁转矩和磁通解耦后直接受控于定子电流的转矩分量和磁链分量，通过控制电流就可以有效地控制转矩和磁链。图37中是双闭环矢量控制仿真模型的系统框图，其中电流环的反馈包含有转子位置的反馈。速度环反馈包含转子速度的反馈。所以变量都取国际标准单位，所有速度单位都是电角速度。电机参数功率0.75Kw，额定转矩2.4Nm 转矩常数0.571Nm/Arms，相绕组电感6.552mH，相绕组电阻0.901，极对数为4。给定速度2000r/min，在t=0时加入负载为2.4N.m，系统的PWM周期为Ts=0.00007s, 母线电压为Udc=310V。参数调节总结如下：1)比例系数Kp作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。2124Kp越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此Kp不能取的过大；如果Kp取值较小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。2)积分环节作用系数Ki的作用在于消除系统的稳态误差。2124Ki越大，积分速度越快，系统稳态误差消除越快；但Ki过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；若Ki过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，使过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。被控电机的参数与其控制性能关系不大，所以具有一定通用性。图3-8 参数调整的流程图经过调试可以得到速度调节器的参数为：Kp=0.01,Ki=1。d轴电流调节器参数：Kp=60，Ki=20。q轴电流调节器参数：Kp=60，Ki=20。3.3.2仿真结果在调整好参数后，永磁同步电机仿真系统电流、转矩、转速响应见图39。仿真时给定速度为2000rads，负载开始为2Nm，在时刻0015秒处转矩跳变达到稳定到由图可见，电机的启动速度很快，且能准确快速跟踪给定速度，这些结果符合预先对控制系统的分析转速wm 三相电流ia ib ic转矩Te本文在分析永磁同步电机的转子磁场定向控制的基础上，在MATLABSIMULINK环境下，采用矢量控制与经典的速度、电流双闭环控制方法建立了永磁同步电机控制系统的仿真模型，仿真实验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，并具有较好的静、动态特性。第四章 结束语工作总结及评价永磁同步电动机作为新一代的控制电机在高性能传动系统中获得了越来越广泛的应用，其优越的特性和节能效果使其在一定的功率范围取代异步电动机和直流电动机。【11】【12】本人在阅读文献基础上，认识到矢量控制仍然是当前先进伺服系统普遍采用的方法，有着良好的调速性能。在深入分析研究了永磁同步电机结构特点、数学模型和矢量控制原理基础上，作出了基于MATLABSIMULINK的永磁同步电机双闭环矢量控制仿真实现，变频部分是采用空间电压矢量脉宽调制PWM(SVPWM)方法。本系统以永磁同步电机为控制对象，通过对永磁同步电机的数学模型的分析，建立永磁同步电机磁场电压矢量控制控制系统。主要包括以下几项工作：1研究空间电压矢量控制同步电机的原理2：利用电压矢量控制建立系统数学模型3：利用MATLAB仿真软件实现对系统问题的模型化及动态仿真。SVPWM技术其他技术相比，主要有以下几个特点1适合数字实现；每次开关切换只涉及到一个功率开关器件。2采样时间T的长短决定电机旋转磁场接近圆形的程度，T越小，越逼近圆形，但T的大小和所用功率器件允许开关频率有关。3SVPWM比一般的SPWM直流电压利用率提高15。【4】【6】参考文献:【1】 陈伯时电力拖动自动控制系统M机械工业出版社，2006【2】 李志民，张遇杰同步电动机调速系统M机械工业出版社，1996【3】 李永东交流电机数字控制系统M机械工业出版社，2002【4】 龚云飞，富历新基于Matlab的永磁同步电机矢量控制系统仿真研究J微电机2007【5】 BonGwan Gu、Kwanghee N柚， A Vector Control Scheme for a PM LinearSynchronous Motor in Extended Region， IEEE Transactions on IndustryApplications V0139 pp1280一1287， 2003【6】 肖春燕电压空间矢量脉宽调制技术的研究及其实现D南昌大学硕士学位论文2005【7】 赖重平. 永磁同步电机交流伺服控制系统的研究 西南交通大学硕士学位论文. 2009【8】 曾建安. 永磁同步电机矢量控制研究 广东工业大学硕士学位论文 2005【9】 李宁、李启新，电机自动控制系统，机械工业出版社，2003【10】 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