永磁同步电机调速系统的建模与仿真毕业论文

永磁同步电机调速系统的建模与仿真毕业论文目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题的目的和意义11.2永磁同步电机国外现状及水平11.3永磁同步电机的应用前景22 永磁同步电机系统原理42.1 永磁同步电机基本组成52.2 永磁同步电机的工作原理63永磁同步电机控制调速方法83.1 永磁同步电机控制系统的数学模型83.2 经典PI控制调速原理113.3 模糊PI控制调速原理124 Matlab建模与仿真设计154.1 matlab软件介绍154.2控制系统的仿真模型155仿真结果与分析206 总结25参考文献26附录28致谢29I邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的目的和意义由于永磁同步电动机具备制造结构简单可靠、占地空间体积小、工作效率比较高、电磁机械转矩的电流比大、转动惯量小、节能环保和比较好散发出热量以及维修保护等很多良好特点。我们国家是一个有着丰富的稀土资源的国家，特别是随着科技的不断创新,使得现在的永磁材料价格也在不断地降低,而且永磁材料的磁性也在不断地提高,以及现在新型的永磁材料的也不断涌现，在不久的将来,永磁同步电机使用将一定会迎来一个前所未有的良好机会，而且其应用的围也在不断地扩变大。尤其是像在一些工农业的生产、航天导弹、卫星航空、国防工程和日常的生活等场合得到广泛的应用。对于永磁同步电机调速系统的建模与仿真的研究，我们的主要目的是为了能够在研发探索过程中，寻找出一种最优化的控制方法，以便于我们以后能够很好地掌握和使用永磁同步电机。虽然永磁同步电机的调速控制技术目前取得了很大的成果，各种控制调速技术的应用也正在逐步成熟中，比如经典PI控制、模糊PI控制、SVPWM、DSP控制方法等都在实际工程中得到了广泛的使用。但是，在实际工程使用过程当中，各种调速控制方法都存在着或多或少的不足之处，比如说低速特性不够达到期望的结果，有些过多地依靠了电机的参数等等问题。因此，通过将各种调速方法进行对比，对这些控制调速策略中存在的问题进行研究，选择出最优化的控制调速方法就有着十分重大的意义。1.2 永磁同步电机的国外现状及水平我们国家自从1970年之后就开始着手于关注和探索永磁电机控制调速方向的技术，主要的研发力量集中在全国重点院校和中科院研究开发工作点，以工农业、军事航天为主要研究方向。比较著名的研发地点是上海的机床所、北京的微特电机研究所、中科院自动化所等。1980年之后开始进入军工、企业生产领域，直到1999年，我们国家自己生产的永磁同步电机在数量少、价格成本比较高、使用围小的情况下，技术程度和可靠程度难以满足人们生活的需要。2000年之后，尤其值得一提的是我国是一个稀土材料的大国，储存着巨多的稀土资源，而且对于这些稀土资源的提炼技术也走在了世界的前列。再传统使用的电机中，都使用了用电流来励磁的励磁系统，这样做会使得系统产生大量的无功功率，还浪费了许多电能和铜绕线。今天我们生产出了永磁电机，他一般使用的是转子永磁体来励磁，节约了电能和铜导线，而且提高了系统的功率因数。目前在国主要的永磁同步电机的主要厂家有中国南车株洲电机厂、稀土永磁电机厂、电机厂等。在国外上，永磁同步电机系统，采用新型功率半导体器件、电力电子的逆变器电路、以及永磁同步电机专用模块。如欧姆龙工业自动化公司提出的伺服系统控制采用模块化的可扩展结构，为电机各种设备提供了一个，来获得电路故障的保护工作和过大的电流保护工作。在国外厂商的永磁电机产品每隔五年就会换代，新的永磁电机工作元件也会每两到五年会更新一次，新的语言仿真算法则会在不断地变化，总之生命周期越来越短。1.3 永磁同步电机的应用前景由于目前电力电子技术和控制技术的得到了快速的发展，永磁同步电机的控制技术现在已经比较熟练并且在不断地优化当中，当今的永磁同步电机已经把以往的同步电机的使用围给进行了不断地大大扩展。我们可以这么说，永磁同步电机已不断地扩展使用围，从一般控制调速到高精度的模糊智能控制调速，从广大的工业生产领域到可以触摸到的各种高精尖的科技领域，它已经称为了性能最好的电机了，而且这只能够使前景会越来越明显。我们可以看到，永磁同步电机将会向着高效率化、直接驱动、高速、高准确度、高性能化、广泛化、智能控制化和网络模块化等方向不断地向前进步。2 永磁同步电机系统原理永磁同步电机其本身是一个转子使用永磁铁来产生磁场，定子上通过三相交流绕组的同步电动机，它有定子、转子、转子位置传感器和逆变电路等结构部件来构成的，对于有些永磁电机转子位置传感器是否需要安装取决于工程的需要和成本的考虑问题。无论转子还是定子使用永磁体都要根据具体的情况具体分析设计。只有当电机对于有些永磁电机转子位置传感器是否需要安装取决于工程的需要和成本的考虑问题。永磁同步电机的电机系统可以是有电动机，逆变器组成和转子位置传感器组成的。图2-1永磁同步电机结构原理图2.1 永磁同步电机基本组成2.1.1 电机永磁同步电机也是由转子及定子两大部件所构成，相对于同步的电流励磁电机和直流电动机差不了多少，在目前的大多数情况下，我们都是把转子做成了永磁体，定子的上面绕上三相交流绕组，这样才能更好的发挥出永磁电机的优越性能。对于要了解电机的详细结构知识，以使得我们更好地掌握永磁同步电机，我们可以去查阅参考相关的文献。图2-2电机旋转示意图定子：定子作为电机中静止不动的，它由交流三相绕组、铁芯和端盖等部分所构成。同时也通常称为电机的电枢部分。图2-3定子图转子：转子是永磁同步电机中能够旋转的部分，转子一般分为表面凸出式转子结构和表面插入式转子结构。在日常生活应用中，我们一般都是将永磁体都安装在转子上面的。对于关于永磁同步电机的机体结构部分的理论知识方面，我们可以去查阅参考相关的文献。图2-4转子图电机的转子通常都是由永磁体组成，使用永磁铁来激励磁场，目前通常使用的是稀土永磁材料。在阐述PWM技术原理前，需要提到采样控制理论中的重要结论：冲量相等而形状不等的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所谓冲量，即窄脉冲的面积。而效果相同，是指该环节的输出响应波形基本相同2.1.2 转子位置传感器在永磁同步电机中，对于转子位置传感器与计算法相比，调制法就有很强的实用性。调制法还可分为单极性调制和双极性调制。单极性调制，就是调制波为期望的波形，而载波的三角波只有在半个周期有波形，也就是说三角波要么在半个周期是正的波形，要么是负的波形。在载波与调制波的交点时刻发出脉冲信号，去控制开关管。这就是单极性的控制方式；双极性调制，就是载波在半个周期是正负同时存在的。目前，对于永磁同步电机系统的转子位置传感器，不同的封装形式必须要保持引脚的排列是一致的。就是利用控制器的精确的数字输出，来对模拟电路进行精确控制的一种对脉冲的宽度进行调节的高效的技术。简单的说，技术就是对脉冲宽度进行控制的技术。此项技术用途广泛，一般是用来对步进电机的速度进行控制，还有对电机的角速度进行控制等等。2.1.3 逆变器转子的位置传感器驱动电路在实际的装置中是必不可少的，因为驱动电路是电力电子电路的主电路与控制电路之间的接口电路，是电力电子设备的重要一环，所以驱动电路对整个设备性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。2.2 永磁同步电机的工作原理永磁同步电机的工作原理是用过其定子运行是三项的相差的交流电，而转子则是一种稀土永磁体。要实现永磁同步电机的能量转换，就得有控制电路和逆变的主电路。然而，控制电路是数字电路，而主电路是模拟硬件逆变器的电路。对于永磁电机的定子上都是正弦波的电流，电流的A、B、C三相在任何时候相加结果都是会等于零。所以用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。从绕线的图看出，实际的电流方向在电力电子电路中，用于改进电力电子器件开通和关断时刻所承受的电压、电流波形。通常电力电子装置中的电力电子器件都工作于开关状态，器件的开通和关断都不是瞬时完成的。器件刚刚开通时，器件的等效阻抗大，如果器件电流很快上升，就会造成很大的开通损耗；同样器件接近完全关断时，器件的电流还比较大，如果器件承受的电压迅速上升，也会造成很大的关断损耗除此之外，这里还需要明白几个原理性的问题。首先，我们知道在控制过程中需要检测电流，然后进行clarke和park变换。图2-5 电机等效结构坐标图从而出现了电流方向问题，经过主电路后的波形中有高频率的谐波存在，不能直接去驱动负载，因为谐波的存在会让主电路损坏。所以，要在主电路中的输出端加一个低通滤波器，滤除高次谐波得到平滑的正弦波。要得到一个良好的的正弦波，滤波器参数的选择很重要。逆变器和转子位置传感器涵盖了电力电子技术、数字电子技术、计算机技术以及自动控制等多种学科。在目前，永磁同步发电机在电机行业中占有很重要的地位。在航空航天、铁路交通、邮电通信、太阳能、新能源等众多方面，永磁同步发电机发挥着重要作用。但是，在这些领域对永磁同步发电机的电气特性也提出了更高的要求，电压的幅值、频率的大小和电压波形是衡量电能质量的重要指标，也是表明一个永磁同步发电机能否正常工作的指标。在电机初始的时候，第一代电源是直流电机的电源，这种电能的缺点是能耗大大，供电效率同时运行时还伴有很大的低频噪音，这些直接影响电能的性能，同时其经济性差。随着电力电子技术的应用，这种传统的电机随即就会被淘汰了。永磁同步电机虽然刚开始时买的价格比较贵，因为转子的永磁体用的稀有金属，目前价格比较昂贵。但是我相信，随着科技的不断地发展，永磁电机的价格也将会不断的下降。而且有专家计算得出，永磁电机刚开始的成本比传统电机贵，但是永磁电机的寿命长，通过几年的使用，它节约的电能将会比购买是花的钱多得多，所以永磁电机一定会成为未来的主流电机。总之，随着社会的不断的发展，科学技术的进步，为满足人们对电能的质量需求和人们日常生活的需要。永磁同步电机必将会继续向前发展的。第二个问题就是通过对永磁同步电机的学习，要能制作出永磁同步发电机的主电路、驱动电路和控制电路，并合理的选择器件的型号和参数。逆变器电路的主电路用具有全控功能的MOS管作为开关管，它的开关频率高功率消耗小，并且用四个MOS管做成全桥主电路。驱动电路的作用是用来弥补因控制电路发出的波电流小，无法让管子正常通断的缺点。这也是永磁同步电机一个一直未得到很好解决的问题，努力以后能改变IGBT的工作原理而实现这个突破性的问题，也是在工控行业的一个期待。3永磁同步电机控制调速方法3.1 永磁同步电机控制系统的数学模型永磁同步电机的方程包括电机的电压方程、运动方程、电流方程和转矩方程等等，这些方程是其数学模型的基础。被控对象的数学模型建立能够很准确地反应出被控对象的不同的各种特性能是非常的关键的。使其跟踪目标值随意变化的随动控制系统叫做伺服控制系统，以物体的运动方向、运动位置、运动速度等作为被控对象。这种伺服驱动控制，是典型机电一体化系统的重要组成部分，输入的功率因数要高，输出的负载阻抗要低；永磁同步电机的暂态响应要迅速，同时要有较高的稳态精度；永磁同步电机可靠性要好，在安全的前提下，电机的运行要经济、高效；电机要抗电磁干扰，防止因电磁干扰而影响电能的效能；永磁同步电机要向智能化方向发展。因传统的频率可调的电机，多采用的是用模拟电路控制电源的技术，要实现较高的要求是很困难的，为了我们能够很方便的分析