基于matlabsimulink永磁同步电动机调速系统的建模与仿真

毕业设计毕业设计题目名称题目名称基于 MATLAB/SIMULINK 永磁同步电动机调速系统的建模与仿真系系 别别电气信息工程系专业专业/ /班级班级电气工程及其自动化 07102 班学学 生生邱华静学学 号号3指导教师指导教师（职称）（职称）薛继汉（教授）马俊涛宁夏理工学院毕业设计I摘 要在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。永磁同步电机（PMSM）是一个复杂耦合的非线性系统。本文在 Matlab/Simulink 环境下，通过对 PMSM 本体、d/q 坐标系向a/b/c 坐标系转换等模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性。关键词：Matlab/Simulink;永磁同步电机;电压空间矢量脉宽调制;仿真宁夏理工学院毕业设计IIAbstractIn todays AC servo system, the vector control theory and SVPWM technique make the AC motor can achieve the performance as good as DC motor when designing the AC servo system. PMSM is a nonlinear system with significant coupling. This novel method for modeling and simulink of PMSM system in Matlab is proposed. In Matlab /Simulink, the isolated blocks, such as PMSM block, coordinate transformation from d/q to a/b/c block, etc, have been modeled. The reasonability and validity have been testified by the simulate result.Key words: Matlab/Simulink; PMSM; SVPWM; simulation宁夏理工学院毕业设计III目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III 第 1 章 绪论 .- 1 - 1.1 选题背景及意义.- 1 - 1.2 本课题的研究现状及前景.- 1 - 1.2.1 相关发展 .- 2 - 1.2.2 永磁同步电动机的运行控制方法 .- 3 - 1.2.3 永磁同步电动机在现代工业中的应用 .- 4 - 1.2.4 永磁同步电动机的应用前景.- 6 - 第 2 章 永磁同步电动机系统原理 .- 8 - 2.1 永磁同步电动机的基本组成 .- 8 - 2.1.1 电动机.- 8 - 2.1.2 转子位置传感器.- 9 - 2.1.3 逆变器.- 9 - 2.2 永磁同步电动机的工作原理.- 10 - 2.2.1 电枢反应 .- 11 - 2.3 永磁同步电动机的数学模型 .- 14 - 第 3 章 正弦波永磁同步电动机的调速系统 .- 18 - 3.1 正弦波永磁同步电动机的调速原理.- 18 - 3.2 正弦波永磁同步电动机调速系统.- 20 - 3.2.1 主回路的组成和控制 .- 20 - 3.2.2 控制回路及系统工作原理 .- 23 - 第 4 章 正弦波永磁同步电动机调速系统的建模与仿真 .- 24 - 参考文献 .- 30 - 结束语 .- 31 - 致 谢 .- 32 -宁夏理工学院毕业设计- 1 -第 1 章 绪论1.1 选题背景及意义众所周知，直流电动机有优良的控制性能，其机械特性和调速特性均为平行的直线，这是各类交流电动机所没有的特性。此外，直流电动机还有起动转矩大、效率高、调速方便、动态特性好等特点。优良的控制特性使直流电动机在 70 年代前的很长时间里，在有调速、控制要求的场合，几乎成了唯一的选择。但是，直流电动机的结构复杂，其定子上有激磁绕组产生主磁场，对功率较大的直流电动机常常还装有换向极，以改善电机的换向性能。直流电机的转子上安放电枢绕组和换向器，直流电源通过电刷和换向器将直流电送入电枢绕组并转换成电枢绕组中的交变电流，即进行机械式电流换向。复杂的结构限制了直流电动机体积和重量的进一步减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械磨损和火花，使直流电动机的故障多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大。换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电器设备带来有害的影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以，普通直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展。在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低，其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。人们亦知道变频电源可解决同步电动机的起动和调速问题，但在 70 年代以前，变频电源是可想而不可得的设备。所以，过去的电力拖动中，很少看到用同步电动机作原动机。在大功率范围内，偶尔也有同步电动机运行的例子，但它往往是用来改善大企业的电网功率因数。1.2 本课题的研究现状及前景自 70 年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用。宁夏理工学院毕业设计- 2 -1.2.1 相关发展(1)高性能永磁材料的发展永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。稀土永磁体又有第一代钐钴 1:5，第二代钐钴 2:17 和第三代钕铁硼。铝镍钴是本世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但它矫顽力低，抗退磁能力差，而且要用贵重的金属钴，成本高，这些不足大大限制了它在电机中的应用。铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，其不足是剩磁感应强度和磁能积都较低。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但钐稀土材料价格较高。80 年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达 180，一般也可达 150，已足以满足绝大多数电机的使用要求。永磁材料的发展极大地推动了永磁同步电动机的开发应用。在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极的好处是:用永磁体替代电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积;省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。当今中小功率的同步电动机绝大多数已采用永磁式结构。(2)电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用电力电子技术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。自 1958 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件(大功率晶体管 GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管 MOSFET)的三代复合型场控器件(绝缘栅功率晶体管 IGBT、静电感应式晶体管 SIT、MOS 控制的晶体管 MCT 等)直至 90 年代出现的第四代功率集成电路IPM。半导体开关器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，它极大地推动了各类电机的控制。70 年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升到设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题。对最新的宁夏理工学院毕业设计- 3 -自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统的必不可少的功率环节。(3)大规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它不仅是高新电子信息产业的核心，又是不少传统产业的改造基础。它