毕业论文--基于MATLAB的永磁同步电机弱磁调速系统的建模仿真分析
HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目基于MATLAB的永磁同步电机 的弱磁调速的建模与仿真 学生姓名学生学号专业班级电自1103学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015 年5 月 25日湖南大学毕业设计(论文) 第IV页摘要随着汽车工业的发展与汽车在人们日常生活中的普及，传统汽车所使用的内燃机所带来的能源问题，污染问题也日益严重，这使得人们开始寻求可以替代内燃机的备用动力供给。永磁同步电机使用电能作为其能量来源，输出机械能，其工作过程传与传统内燃机相比，不会排放尾气，可以满足人类减少汽车尾气污染的要求。另一方面，电能来源广泛，如风能，核能，水电等，可以有效节约煤矿资源。本文首先对永磁电机的发展历史，现状进行了介绍，并在此基础之上，说明了与其他种类电机相比，永磁电机在应用上的优点。随后通过一系列假设，建立了永磁同步电机的数学模型，同时介绍了对应的三种常用电流控制方法与电压空间矢量的调制方法。其次，本文以永磁同步电机为研究对象，研究了其弱磁调速的控制原理与方法，从而得出了永磁同步电机在基速下采取MTPA的控制策略，基速以上采取弱磁的控制策略的情况着重进行了分析的控制方案。最后本文通过MATLAB/simulink仿真工具，搭建了永磁同步电机的弱磁调速控制系统的仿真模型。在仿真平台中，对电流矢量控制，空间电压调制，弱磁控制等理论进行了仿真，并分析了文中所述方法的可行性与正确性。关键词:永磁同步电机，矢量控制，弱磁，MATLABMATLAB-based modeling and simulation of PMSM Flux-weakening regulator systemAbstractWith the development of automobile industry and automobile in people's daily lives popularity, energy and pollution problems brought by the traditional vehicle used internal combustion engine have become increasingly serious, which makes people start looking for an alternative backup power supply to the internal combustion engine. Permanent magnet synchronous motors uses electricity as its energy source, outputs mechanical energy, and transfers their work .Compared with conventional internal combustion engines, permanent magnet motors will meet human requirements to reduce vehicle exhaust pollution. On the other hand, a wide range of energy sources, such as wind energy, nuclear energy, hydropower, and etc, can save coal resources.Firstly, the development of the history, current situation of permanent magnet motors were introduced, and on this basis, the thesis shows the comparison with other types of motors, permanent magnet motors merit in the application. Followed by a series of assumptions, a mathematical model of permanent magnet synchronous motors, also introduced three common modulation method corresponding current control method and voltage space vector.Secondly, permanent magnet synchronous motor for the study, this thesis study the principles and methods of controlling its weak magnetic speed, thus obtained that permanent magnet synchronous motor control strategies take MTPA in the base rate, take weakening over the base rate. At the same time ,this thesis focused on the analysis of the two control strategy below.Finally, through MATLAB / simulink simulation tool ,we built a simulation model of PMSM weakening speed control system. In the simulation platform for current vector control, voltage modulation space, weakening control theory simulation, and analysed the feasibility and accuracy of the method described herein.Keywords: permanent magnet synchronous motor, vector control, weakening, MATLAB目录第一章 概述11.1论文研究背景及意义11.2 永磁同步电机简介21.3永磁同步电机基本控制策略31.3.1变压变频控制41.3.2磁场定向控制（VC）41.3.3 直接转矩控制51.4 弱磁控制的发展51.5 课题的主要研究内容6第二章 永磁同步电机的矢量控制与电压空间矢量调制72.1永磁同步电机数学模型72.2 永磁同步电动机矢量控制原理102.3 永磁同步电动机矢量控制的电流控制策略112.3.1 控制122.3.2 控制142.3.3 最大转矩/电流控制142.3.4 矢量控制三种电流控制策略的比较162.4 永磁同步电动机的电压空间矢量控制172.4.1 电压空间矢量的提出172.4.2 电压空间矢量的合成192.6 本章小结22第三章 永磁同步电机弱磁调速控制233.1 永磁同步电动机矢量控制基本电磁关系233.1.1 电压极限椭圆233.1.2 电流极限圆243.1.3 恒转矩轨迹253.2永磁同步电动机弱磁控制的基本原理253.3弱磁工作区间的电流给定283.3.1恒转矩工作区283.3.2 弱磁区303.3.3 弱磁区30第四章 永磁同步电机弱磁控制系统仿真分析314.1电压空间矢量调制模型314.2 永磁同步电机弱磁控制系统的建模分析344.2.1 隐极式永磁同步电机弱磁仿真分析364.2.2凸极式永磁同步电机弱磁仿真分析384.3 本章小结40结论41参考文献42致谢44湖南大学毕业设计(论文) 第45页第一章 概述1.1论文研究背景及意义永磁同步电动机(PMSM)刚问世，就以其优越的性能取得了全世界科学家的瞩目，但由于天然永磁材料性能较差，对永磁电机的研究并未深入。近几十年来，世界范围内对永磁材料的研究成果硕果累累，因此永磁电机重新进入了人们的视线。由于永磁同步电动机由电机内部的永磁体励磁，不需要安装电励磁装置，电动机结构简化性得到了很大程度提升，加工难度大大缩减，同时也为制造业生产节约了制造资金。另外PMSM没有电刷、集电环等1，不容易发生故障，因此电动机运行的稳定性得到了明显的提高；同时PMSM将电励磁装置换为了无须励磁电流的永磁体，不需要励磁电流，没有励磁损耗，功率密度高，体积小，适用于大多数工作场合。由于以上优点，它已经成为近几年研究热点，并且现在在各领域中应用永磁同步电机的运用越来越多。如何通过控制策略提升永磁电机的工作效率以及其性能，找到其在各种需求下的最佳的运行方式，是现在各国科学工作者们需要解决的问题。过去对稀土材料的研究很少，导致稀土材料价格高，产量少。永磁材料理论的创新与加工技术的完善,永磁同步电动机现在已经在各个领域发挥其作用2。一方面原因是材料理论、加工技术的迅速发展,越来越多高剩磁密度 和高矫顽力 的永磁材料被应用于电机制造,电动机运行时的去磁电流 可以很高，无须担心退磁。另外弱磁调速还可以使电机运行在原有的速度范围之上3。在电压型逆变器供电的电机系统中,由于电机机端电压有上限，不能继续提高,利用去磁作用削弱原有磁场来以达到提升电机转速目的，这也就是弱磁策略的思想。在很多牵引、运输的情况下,电动机需要恒转矩运行或是高于基速运行,因此,对永磁电机的弱磁控制的理论研究便显得尤为重要4。另外，弱磁控制技术在电动汽车或者含电力的混合动力汽车驱动占有非常重要的地位，因为采用弱磁控制后，汽车的调速范围被扩宽的同时，可以在速度较低时恒转矩输出，如电动汽车启动，而高速运行时恒功率输出，电机能保证转速稳定，同时输出恒定功率，以满足稳定高速行驶,超车等要求。另外，随着稀土材料不断发展，永磁同步电机的功率密度、效率不断提高，大部分电动汽车采用永磁同步电机作为其驱动5。同时，在数控机床领域，当所需控制系统要求调速范围较宽时，永磁同步电机与其他电机相比就有无法取代的优势。1.2 永磁同步电机简介稀土材料的推广使得永磁电机在电机领域的地位再也不可撼动，其效率高，运行安全可靠，功率密度大，体积相对较小等显著优点，因而其应用范围几乎遍布航空航天、交通运输、制造业、国防、农业生产和日常生活的各个领域。一般来说,电机的磁场由电磁感应产生,由于励磁损耗的存在，常常会有功率消耗、效率较低的缺点。在最初电机生产的时候,人们就希望要使用永磁体产生磁场，这样既省去了励磁装置，电机结构也可以更加简单。但由于当时永磁体制造技术不完善，对永磁材料制造的研究还不够，人们只能使用天然永磁材料作为永磁体。天然永磁材料磁场性能差，生产出来的电机体积大，效率低，这就使得永磁同步电机在当时难以得到更加深入发展。直到铝镍钴合金问世,永磁电机才得以迅速发展,至此永磁电机在稀土材料作为永磁体的基础上得到了更为广泛的关注与研究6。按稀土材料技术的研究阶段可以将永磁电机的发展历程大略分为三个大的阶段7:(1
