基于矢量控制永磁同步电机模型的建立
上海电机学院
毕业设计论文
课 题 基于矢量控制永磁同步 电机控制系统模型的建立 学 院（系） 电气学院 专 业 电气工程及其自动化 年 级 学 号 姓 名 导 师
定稿日期：2010-5
基于矢量控制永磁同步电机模型的建立 I
摘 要
永磁同步电机由于体积小、重量轻、功率密度高，能够实现快速、准确的控制要求，在工业领域中被广泛应用。永磁同步电机控制系统是一个多变量、非线性、高耦合的非线性复杂系统，而研究先进控制算法的首要任务就是建立适合的永磁同步电机数学模型，并以此进行建模与仿真分析，因此，如何建立合适的永磁同步模型一直是研究永磁同步电机控制系统的基础。
论文在分析了永磁同步电机的结构和工作原理的基础上，讨论了永磁同步电机控制系统的坐标变换，并给出了永磁同步电机基于ABC静止坐标系、α–β静止坐标系和d-q旋转坐标系的数学模型，在此基础上，探讨了永磁同步电机的控制方法，给出了基于矢量控制的永磁同步电机控制方法。
论文通过Matlab/Simulink，对永磁同步电机矢量控制系统进行了建模和仿真。仿真结果表明，论文所建模型正确，可以作为进一步研究永磁同步电机控制的基础模型。
关键字 永磁同步电机，矢量控制，数学模型，MATLAB，仿真模型
基于矢量控制永磁同步电机模型的建立 II
ABSTRACT
Permanent magnet synchronous motor as small size, light weight, to achieve fast and accurate control requirements, has been widely used in various fields. While permanent magnet synchronous motor is a multi-variable, nonlinear, high-coupling system, to create a suitable mathematical model of permanent magnet synchronous motor is the first task of researching advanced control algorithm,and use modeling and simulation analysis,therefore,how to establish a suitable moedl for permanent magnet synchronous is always the study fo permanent magnet synchronous motor control system based on.
The issue bases on the introductin of the structure, type and working principle of the permanent magnet synchronous motor,giving permanent magnet synchronous motor’s static coordinate system based on ABC, α-β stationary coordinate system and the d-q rotating coordinate system of the mathematical model ,on this basis,discussing the permanent magnet synchronous motor method,giving the control method based on vector control of permanent magnet synchronous motor.
Using Matlab/Simulink simulation, issue model and simulate the permanent magnet synchronous motor vector control system.The resutl show that the model is correct,and can be further studied based on permanent magnet synchronous motor control model.
Keyword：permanent magnet synchronous motor, vector control, mathematical model,
MATLAB, simulation model
基于矢量控制永磁同步电机模型的建立 III
目 录
1 绪论 ................................................... 1
1.1 永磁同步电机................................................. 1
1.2 永磁同步电机控制系统 ........................................ 3 1.3 本文主要工作 ................................................ 4 1.4 本章小结 .................................................... 5
2 永磁同步电机的工作原理和数学模型 ....................... 6
2.1 永磁同步电机的结构和类型 .................................... 6 2.2 永磁同步电机的工作原理 ...................................... 6 2.3 坐标变换 .................................................... 7 2.4 永磁同步电机的数学模型 ...................................... 8 2.5 本章小结 ................................................... 11
3 永磁同步电机的控制系统 ................................ 12
3.1 有传感器控制与无传感器控制 ................................. 12 3.2 矢量控制 ................................................... 12 3.3 直接转矩控制 ............................................... 14 3.4 本章小结 ................................................... 15
4 永磁同步电机控制系统的建模和仿真 ...................... 17
4.1 Matlab/Simulink软件........................................ 17 4.2 永磁同步电机的建模方法 ..................................... 17 4.3 PI控制模块的建模和仿真..................................... 19 4.4 坐标变换模块的建模和仿真 ................................... 20 4.5 SVPWM模块的建模和仿真...................................... 23 4.6 电机与逆变器模块的建模和仿真 ............................... 32 4.7 永磁同步电机控制系统的仿真 ................................. 33 4.8 本章小结 ................................................... 36
5 总结与展望 ............................................ 37 参考文献 ................................................ 38 致谢 .................................................... 39
基于矢量控制永磁同步电机模型的建立 1
1 绪论
永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）是用稀土永磁体代替励磁绕组构成的一种新型的同步电机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动。PMSM无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此使用方便，可靠性高。所以由PMSM组成的系统已广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域[1]。
控制电动机的关键是转矩的控制，然而感应电动机的转矩与气隙主磁通，转子电流、转子内功率因数有关，而这些量都是转差率S的函数，它们相互藕合，互不独立，并且又都是难以控制的量。因此，要在动态中控制感应电机的转矩是比较困难的，对于同步电机，更是如此。于是各种新型控制策略的提出为永磁同步电机的动态控制起到了很大的作用，同时在实际运用中，出现的各种问题也为控制策略的进步与发展起到了重要的影响[2]。
1.1 永磁同步电机
1.1.1 永磁同步电机的发展
美国、日本和德国是开发永磁同步电动机起步较早的国家。早在20世纪50年代，美国GE公司就研制了一批数百瓦的微型永磁同步电动机。那时，这种电机是在鼠笼转子中加装铁氧体永磁，但由于这种磁钢的磁能积和剩磁密度都很低，其功率因数虽然提高较多，但效率提高较少；西德西门子公司，经过10多年的研究，采用不同的结构型式和铁氧体永磁材料，开发了多种用途的永磁同步电动机。例如用于化纤设备的高速永磁同步电动机，用于变频器供电的永磁同步电动机。
1973年国际上出现了第一次能源危机，石油、燃料、电力不断涨价，能耗最严重的美国首当其冲。1975年联邦能源局对电动机的节能潜力和高效电动机的发展前景进行调查分析。1976年该公司提交了一份题为《能量的效率与电动机》的报告，引起了美国工业部门的广泛重视。一时间，许多电机厂、研究所和大学相继开发了高效率异步电动机(效率比一般异步电动机高)，并纷纷研制高效率、高功率因数的永磁同步电动机和“功率因数控制器”等各种节能装置。可见，永磁同步电动机是一种高效节能产品已成为人们的共识，并已引起世人的广泛关注。70年代后期，发展微型和小型永磁同步电动机已呈世界性趋势。
60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料相继问世，钐钴材料的优异磁性能给永磁电机的发展注入了新的生机。但是，钐、钴均为稀