毕业设计（论文）基于dSPACE的永磁同步电机矢量控制系统的研究

1、中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号： XXXXXXXXX 学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 基于dSPACE的永磁同步电机矢量 控制系统的研究 专 题： 指导教师： XXXXX 职 称： 教授 2009年 6月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院 专业年级电气工程与自动化05-1学生姓名 XXX 任务下达日期：2009年 2 月 16 日毕业设计日期： 2009年 2 月 16 日至 2009年 6 月 20 日毕业设计题目：基于dSPACE的永磁同步电机矢量控制系统研究毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1. 掌握永磁同步电机矢量控制系统的工作原理；2. 仿真研究永磁同步电机矢量控制系统； 3. 完成永磁同步电机矢量控制系统的MATLAB仿真；4. 完成基于dSPACE的硬件电路的设计与变流器主回路选型； 5. 部分完成基于dSPACE的永磁同步电机矢量控制系统调试。院长签字： 指导教师签字： 摘 要交流永磁同步电机由于无励磁、损耗小、效率高、结构简单以及速度准确恒定，近年来在运动控制领域内得到广泛应用。本文

2、基于dSPACE进行了永磁同步电机矢量控制系统的研究，其主要内容如下：首先介绍了永磁同步电机在三相静止坐标系下和两相旋转坐标系下的数学模型和坐标变换的内容；然后对电压空间矢量(SVPWM)的原理、合成,扇区判断,矢量作用时间等进行了详细的说明；接着建立了基于MATLAB的永磁同步电机矢量控制系统的框图，并选择合适的PI调节器参数，通过调节它得到了较好的仿真波形；最后搭建了基于dSPACE的永磁同步电机矢量控制系统平台，完成了电压传感器、电流传感器的选型，通过观察电机的转子位置角波形、转速波形和电流波形更好地控制电机。实验结果证明了采用基于的转速、电流双闭环控制方式，以及采用电压矢量控制可以较好实现对永磁同步电机的控制。关键词：永磁同步电机；矢量控制；dSPACE；坐标变换ABSTRACTPMSM has many merits such as: no excitation, less wastage, higher efficiency, simple structure and invariable speed, so it is used widely in motion cont

3、rol field in recent years. The vector control system of PMSM based on dSPACE, its main contents are as follows: First, the mathematical models of PMSM under three-phase static coordinate system and two-phase rotating coordinate system and coordinate transformation of the content are introduced. Second, the principle and synthesis of voltage space vector(SVPWM), the determination of sector and vector time are detailed description, and then the block diagram of vector control system of PMSM based

4、on MATLAB is established, suitable PI regulator parameters are chosen, by adjusting which obtain better waveform of the simulation. At last, the platform of the vector control system of PMSM based on dSPACE is set up, the voltage sensor and current sensor are selected. We can have better control of the PMSM by observing the electrical circuits of the rotor position angle waveform, speed waveform and current waveform. The experimental results proved that the speed and the current two-way closed-l

5、oop control based on, while the use of motor control voltage vector control to achieve the purpose of better control of permanent magnet synchronous motor.Key words: permanent magnet synchronous motor; vector control; dSPACE; coordinate transformation目 录1绪论11.1永磁同步电机11.1.1 永磁同步电机简介11.1.2 国内外永磁同步电机的发展情况21.2 永磁同步电机矢量控制技术41.3 dSPACE实时仿真系统51.3.1 dSPACE简介51.3.2 dSPACE的实时仿真功能61.4课题的研究背景、意义71.5课题的主要内容72 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理82.1永磁同步电机的数学模型82.2电压空间矢量控制（SVPWM）102.2.1 空间矢量的定义112.2.2 SVPWM的原理122.2.3 SVPWM的合成14

6、2.2.4 SVPWM的扇区判断162.2.5七段式SVPWM的实现163 基于MATLAB的永磁同步电机矢量控制系统仿真183.1基于MATLAB的SVPWM仿真183.1.1 扇区判断部分的Simulink框图193.1.2 参数形成的Simulink框图193.1.3 矢量作用时间的Simulink框图203.1.4扇区比较值Simulink框图203.1.5 与三角波比较Simulink框图213.2基于MATLAB的坐标变换仿真223.3基于的永磁同步电机矢量控制系统仿真243.4 PI调节器设计263.4.1 常规PI控制器的设计263.4.2 PI控制器的参数设定273.5仿真结果294 基于DSPACE的永磁同步电机矢量控制系统实验研究334.1dSPACE在本实验中的应用344.1.1 dSPACE与MATLAB的无缝连接344.1.2 dSPACE平台构建344.2 IPM功率模块354.2.1 DR50A 开放式变频功率驱动器介绍364.2.2 DR50A 开放式变频功率驱动器技术参数364.3检测部分374.3.1 电流检测374.3.2 电压检测384.3.3

7、 转速检测和初始位置检测394.4隔离板模块404.5实验步骤434.6实验结果435 结论45致 谢46参考文献47翻译部分49中文译文49英文原文60第1页中国矿业大学2009届本科生毕业设计（论文）1绪论1.1永磁同步电机1.1.1 永磁同步电机简介123永磁（PM）电机具有高转矩/惯量比、功率密度高、效率和功率因数高的特点,在工业、民用、军事等领域的应用越来越广泛。永磁电机分为无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）。BLDC通常具有方波反电动势波形。方波反电动势由定子集中绕组和方波充磁的表面磁铁产生。因为其方波形状的反电动势，所以转子位置的测量可以非常方便地利用反电动势得到，而且其控制方式也非常的简单。然而简单的逆变器控制导致了转矩脉动的产生。BLDC通常用于小型的驱动系统，例如计算机硬盘，压缩机和风扇中。因为脉动转矩的存在，BLDC一般不太适合于高性能的驱动。PMSM与BLDC的不同仅在于控制策略和激励电压的方式。在PMSM中，电机的反电动势的形状基本是正弦的，其正弦的纯度取决于永磁材料充磁的质量。如果永磁铁在转子中的放置正确，纯正弦的气隙密度是可以得到的。因为实

8、际上定子绕组不会精确正弦分布，因此其气隙密度也只能是近似正弦。图1.1 PMSM的不同转子结构（a）面贴式；（b）插入式；（c）内嵌式PMSM电机转子的结构和永磁体的安装方法对电机的性能影响很大。图1.1显示了PMSM的三种基本的结构。面贴式永磁同步电机结构简单、制造方便、转动惯量小，在工业上得到了广泛应用。另外，这种类型的电机易于优化设计，可将气隙磁场设计成近似正弦分布，从而减小磁场谐波及其负面效应，提高电机的运行性能。插入式永磁同步电机可以充分利用转子磁路结构不对称性所产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度，使得电机的动态性能较面贴式有所改善，制造也较方便，所以常被传动系统中的永磁同步电机采用，缺点是漏磁系数和制造成本较面贴式都大。内嵌式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，能有效地避免永磁体失磁，采用内嵌式转子结构的永磁同步电机动、静态性能好，广泛应用在动态性能要求高的交流调速传动系统中，缺点是转子漏磁系数最大。对于采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近，所以,面贴式永磁同步电机在电磁性能上属于隐极永磁同步电机而插入式永磁同步电机相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极永磁同步电机，内嵌式永磁同步电机在电磁性能上也属于凸极永磁同步电机，且凸极率更高。1.1.2 国内外永磁同步电机的发展情况4永磁同步电机的发展和永磁材料的发展息息相关。新型永磁材料的出现大大促进了永磁同步电机的发展。二十世纪八十年代钕铁硼稀土永磁材料问世, 由于钕资源丰富, 以廉价的铁取代昂贵的钴, 价格相对低廉。钕铁硼稀土永磁材料磁性能好, 极大地推动了永磁同步电机的开发。我国十分重视钕铁硼永磁电机的研究开发,并列入了国家“863”攻关计划。经过多年的研究开发, 取得了丰硕成果, 开发了5种类型22个典型规格的高性能永磁同步电机样机。1)3种典型规格的高效、高起动转矩永磁同步电机样机, 成功地解决了起动转矩高、节能效果好、高温不退磁和成本合理这4项互相制约的矛盾。2)化纤机械用高效高牵入同步钕铁硼永磁同步电机(6个规格)。与现有电机相比, 所开发电机的功率因数、效率和最大转矩倍数都有不同程度的提高, 失步转矩是原有的31

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