永磁同步电机非线性状态反馈控制研究分析机械制造专业.docx

摘 要永磁同步电机（PMSM）是一个多变量、强耦合、非线性的系统本论文是以永磁同步电机为研究对象，研究非线性反馈控制方法在永磁同步电机上的应用首先确定了研究永磁同步电机的非线性状态控制方法的总体设计方案，为进一步的去研究系统明确了方向；其次基于Matlab/Simulink建立永磁同步电机的仿真模型并了解其控制原理,熟悉它具体是如何工作的；然后设计了非线性反馈控制算法，确定被控量通过非线性状态反馈和非线性坐标的变换，将一个非线性系统转变为线性系统；最后基于Matlab/Simulink对永磁同步电机非线性反馈控制系统进行仿真并得出结论仿真的结果表明系统对参数的变化具有很强的敏感性这也是我们今后有待于继续研究的方向关键词：永磁同步电机； 非线性反馈控制； 仿真ABSTRACTPermanent magnet synchronous motor(PMSM) is a multi-variable and strong-coupled,non-linear systems. This paper is for permanent magnet synchronous motor to study the research on application of feedback control method in permanent magnet synchronous motor. First,we identified study on Nonlinear control method of permanent magnet synchronous motor's overall design, and further to study the system direction clearly; Second, model of the permanent magnet synchronous motor based on Matlab/Simulink simulation and learned its control theory, and familiar with how it works; Then the nonlinear feedback control algorithm, determining the amount charged by nonlinear State feedback and non-linear coordinate transformation, will be transformed into a nonlinear system of linear systems; Finally nonlinear feedback control system of permanent magnet synchronous motor based on the Matlab/Simulink simulation and draw conclusions. The simulation results show that the system has a strong sensitivity to parameter variations. This is the direction we need to be continued in the future.Key words : Permanent magnet synchronous motor; Nonlinear feedback control; Simulation目 录 第一章 绪论 11.1 课题背景及研究意义 11.1.1 研究课题的提出 11.1.2 永磁同步电机与其他电机的比较 21.2 永磁同步电机系统的国内外研究概括 31.3 本文主要内容及研究工作 5第二章 永磁同步电机数学模型 62.1 引言 62.2 永磁同步电机（PMSM）的数学模型 62.3 坐标之间的转换 92.3.1 三相静止坐标系与两相静止坐标系之间的转换 92.3.2 两相静止坐标系与两相旋转坐标系之间的转换 112.4 本章小结 13第三章 反馈线性化的控制方法 143.1 引言 143.2 非线性化控制系统 143.3 反馈线性化技术 153.2.1 相关数学知识 153.2.2 反馈线性化的基本理论 153.3 本章小结 17第四章 永磁同步电机控制系统的设计 184.1 概述 184.2 永磁同步电机反馈线性化控制设计 184.3 系统的整体设计 204.4 本章小结 22第五章 仿真 235.1 Matlab/Simulink 235.1.1 PMSM本体模块 235.1.2 坐标转换模块 245.1.3 反馈线性化模块 265.2 参数的设定 275.3 仿真结果分析 275.4 本章小结 29第六章 结论 306.1 论文总结 306.2 自我感想 30致谢 32参考文献 33附录 35第一章 绪 论1.1 课题背景及研究意义1.1.1 研究课题的提出自从前人发明电机以来，已经经历了100多年的历史，经过了这么多年的发展加上电机在控制技术方面已经发生了很大的变化。

在人类发展和社会进步的历史长河中，电机对社会发展和人民生活水平的提高起到了巨大的推动作用，扮演了重要角色，并且已经成为社会生产生活中不可缺少的重要工具，成为生产生活中重要的动力来源，在现代的工业和农业甚至航天事业中都有举足轻重的作用，为此我们需要更近一步的去了解它[1]永磁同步电机具有很多的特点，比如它的结构相对其它电机而言比较简单；在它工作时，工作效率高，功率密度高而且转动惯量较小；由于它的体积比较小又结构简单所以它易于散热，维护保养起来比较容易等，特别是现代伴随着电力电子技术、电机控制等理论的不断发展，现在人们开始进一步关注永磁同步电机的控制，并且开始逐渐推广和应用实际上，人类开始进行永磁体制造电机已经经过了比较久的一段时间了，在世界上诞生的第一台电机就是我们在这里所讲述的永磁电机，但是在早期阶段永磁材料的发展比较慢，磁性比较差不能更好的应用于电动机，比如它会导致电机在工作的过程中会随着负载的不断变化使电机的特性发生很大的变动，最终导致电机的特性越来越差，大大的限制了永磁同步电机的发展和运用近几十年来，随着各种高性能永磁材料不断的出现，特别是在上世纪的八十年代初期，人类成功的研制出了第三代稀土永磁材料钕铁硼（Nd-Fe-B）[2]，它的价格便宜、性能比之前的要好很多，从而有力地推动着永磁电机及其控制系统更进一步的发展。

现如今，出现了许多性能优越的新型永磁材料，而且价格更加的低廉，能够更好地应用于中小功率控制系统中去，工作中具有精度高，可靠性相当强的优势因此，永磁电机受到了很多研究者们的欣赏和青睐，还在更多的领域去进一步的推广，特别是在发展航天航空和机器人方面并且在人们的生活中经常会遇见，已经起到了举足轻重的效果1.1.2 永磁同步电机与其他电机的比较[3]永磁同步电机定子绕组中不需要励磁电流，这就和其他电机产生了不同之处它的定子磁场和转子磁场之间没有相对运动，转子中也不存在滑差损耗，在与感应电动机比较的过程中，我们可以看出：永磁同步电机的转子上没有损耗，所以在工作时具有更高的工作效率，又体积比较小，能够更好地节省空间和材料；在感应电动机中，要考虑到转子电流相对于励磁磁通产生的磁通一直在变化着，并且和定子之间的磁场不正交，因此，对感应电动机进行矢量控制就比较复杂了在永磁同步电机的矢量控制中，由于励磁磁场和电枢的电流相位之间的关系一直保持一致，相对容易控制些显而易见，我们可以发现永磁同步电机总体比较好正弦波永磁同步电机（PMSM）与无刷直流电动机（BDCM）进行比较，BDCM的控制简单，成本也比较低，但是在原理上它的转矩脉冲和铁芯的损耗大，很大程度上限制了无刷直流电机在高要求的驱动场合中应用。

PMSM的性能更为优越，特别是在低速或者直接驱动的情况下运行更进一步的提高了PMSM的地位，得以发展到一个新的高度，逐渐成为当今社会电力传动系统的主流永磁同步电动机与直流电动机相比较，在结构上没有换向器和电刷，使得其结构更加的简单，能够适应更广的环境范围，运行可靠性强，可以采用高电压控制，能够很快的响应，易实现大容量的电力传动系统表1.1中对比了永磁同步电动机、永磁直流电动机以及三相异步电动机的主要特征和性能表1.2 电动机主要性能和特性对比对比项目永磁同步电动机永磁直流电动机三相异步电动机价格7.5kW以下的电机价格是同容量标准异步电动机的4-6倍便宜功率密度>133W/kg>115W/kg100W/kg转矩/惯量>4.2*103rad/s2<2*103rad/s2驱动电流波形正弦波或方波直流正弦波耐环境性好不好好是否可以高速旋转视转子永久磁铁固定方法的不同而不同因整流子、电刷限制，速度不可以很高受轴承限制是否存在退磁现象存在存在不存在影响寿命的因素轴承电刷轴承制动停止时可采用发电制动停止时可采用发电制动停止时不可采用发电制动，需要直流励磁后才能进行发电制动是否需要磁极位置传感器需要不需要不需要优点体积小，重量轻，大转矩输出，无须维护，高功率密度，控制装置结构较简单只用电压控制，控制简单，具有高功率密度，小容量系统廉价可高速运行，大转矩输出，不需要维护，高速时可恒功率输出，结构坚固，耐环境强缺点控制比直流电动机复杂，电动机与伺服装置一一对应，有退磁问题因有整流子，高速大转矩不行，需经常维护，整流子端电压不可太高，永久磁铁有退磁问题控制比较复杂，容量小时效率低，停电时需要设法保持制动，有温度特性变化问题1.2 永磁同步电机系统的国内外研究概况早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。

永磁同步电动机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行深入的研究逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组阻尼绕组有以下特点：第一，阻尼绕组产生热量，使永磁材料温度上升；第二，阻尼绕组增大转动惯量、使电机力矩惯量比下降；第三，阻尼绕组的齿槽使电机脉动力矩增大在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点1980年后发表了大量的论文研究永磁同步电机的数学模型、稳态特性、动态特性A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，需要设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。

随着微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机适量控制系。