燕 山 大 学
本科毕业设计（论文）终期报告
课题名称： 永磁同步电机 SVPWM控制及仿真 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 2011级自动化 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2015年3月
摘要
永磁同步电机(PMSM)因其体积小、磁密度高、可靠性好以及对环境适应性强等诸多优点，被广泛应用于工农业生产和航空航天等领域。而伴随着这些领域的不断发展，更高的调速精度、更大的调速范围以及更快的响应速度成为永磁同步电机调速系统的迫切要求。
本文研究永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统。一方面，采用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法，在MATLAB/SIMULINK环境下，通过对坐标系转换、SVPWM逆变器、速度控制器等功能模块的建立与组合，构建了PMSM控制系统的速度和电流双闭环仿真模型及自适应模糊控制仿真模型。仿真结果证明了该系统模型具有很好的静态、稳态性能。另一方面，提出了一种自适应模糊PI控制器,将模糊控制器与PI控制器结合在一起，利用模糊逻辑控制，并把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK有机结合起来，实现了PI控制器的在线自调整。进一步完善了PI控制器的性能，提高了系统的控制精度。仿真结果表明：该控制器达到了满意的控制效果。
关键词：永磁同步电机；空间矢量脉宽调制；PI控制；模糊控制
ABSTRACT
Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) are widely used in industrial and agricultural production and the field of Aeronautics and Astronautics for their advantages, such as compactness ,high efficiency, reliability and adaptability to the environment. Along with the continuous development of these areas, wider speed-regulating range and faster response.
Vector control of PMSM was studied in the paper. For one thing, a novel method for modeling and simulation of PMSM system in MATLAB had been proposed. In MATLAB/SIMULINK, the independent functional blocks and such as vector controller blocks, hysteresis current controller blocks and speed controller , etc., had been modeled. By the organic combination of these blocks, the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results. For another thing, in this paper a kind of self-adaptive fuzzy PI control system is discussed, it uses fuzzy logic controller which is combined with PI controller and the organic combination of Fuzzy Toolbox and SIMULINK that makes the self-adaptive of PI controller possible. It perfects the properties of PI controller and improves the precision of control system. The result of simulation indicated that the controller gives a good control performance.
Key words: PMSM;SVPWM;PI controller;fuzzy control
第一章 绪论
1.1本课题的研究意义及目的 1.1.1本课题的研究意义
永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor）是指采用永磁磁 铁为转子的同步电动机。永磁同步电机具有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，在工农业生产中，有大量的生产机械要求连续的以大致不变的速度运行，例如风机、泵、压缩机、普通车床等。这类机械设备大量采用普通三相感应电动机驱动，但感应电动机的效率和功率因数较低，能源浪费厉害。随着社会对节能的重视和国家对高效电机和永磁电机的推广力度的加大，这些节能潜力大的设备都有被永磁电机和普通高效电机代替的需求。而这些机械采用永磁电机则可获得比普通电机高得多的效率和功率因数。
在某些场合，负载率低，若采用普通电机，轻载时功率因数和效率低，经济运行范围窄，造成大量的电能浪费。若采用永磁电机，部分设备可适当的降低电机容量，可以实现高效、高功率因数和宽广的经济运行范围，节约大量的电能。
在一些生产机械中，要求多台电动机同步运行。普通电机的转速和电源频率之间没有严格的固定关系，随着负载的变化而变化，即使是同一厂家生产相同规格的感应电动机，其转速也有一定的差别，难以保证多台电动机以相同的转速运行。永磁同步电动机的转速与电源频率之间有严格的固定关系，只要多台电动机的供电电源频率和电动机极对数相同，就可以方便的实现同步运行。这在某些纺织设备上已得到很好的推广。既节约了能源，又能很方便的实现电动机同步运行。这对于国家提出的节能减排政策和国家社会主义现代化建设具有最要意义。 1.1.2 课题目的
本课题以永磁同步电机为被控对象，设计了两种控制器，即传统的线性PI控制器和自适应的模糊控制策略。永磁同步电动机的矢量控制可以获得很高的性能，该系统中控制器的设计对系统的性能起主要作用。线性PI控制器的主要组成部分为比例—积分环节，积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；
而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。
永磁同步电机本身的参数(如电机的转子电流和拖动负载的参数）可能在某些应用场合会随工作情况而变化;同时，交流电机本身实质上是一个非线性的被控对象。控制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的常参数的PID调节器常常顾此失彼，为了使永磁同步电机能够在更恶劣的环境下运行，本课题又在完成课题任务的基础上增加了模糊控制。 模糊控制具有如下优点：
(1)使用语言方法, 可不需要过程的精确数学模型;
(2)鲁棒性强, 适于解决过程控制中的非线性、强耦合时变、滞后等问题; (3)有较强的容错能力。具有适应受控对象动力学特征变化、环境特征变化和动行条件变化的能力;
(4)操作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系, 这些模糊条件语句容易加到过程的控制环节上。 1.2 永磁同步电机及电机调速概述
同步电机的特点是其转速与电源频率保持严格的同步关系，只要电源频率不变，同步电动机的转速就保持不变，与负载大小无关。此外，通过改变励磁电流就可以调节同步电机的功率因数，若使其工作在容性状态下向电网输送超前无功，则可改善电网的功率因数。但是，同步电机也存在启动困难和重载时失步的缺点，这一问题在很大程度上限制了它的应用领域。 由于电力电子技术的迅速发展，各种容量和形式的变频电源、整流装置的研制成功以及计算机技术、控制理论的发展，使同步电机调速系统的发展呈现了崭新的局面。变频装置作为同步电动机的软启动设备解决了同步电动机启动困难的问题；以微处理器为核心的转速和频率的闭环控制，又解决了同步电动机的失步问题。这两个问题的解决从根本上改变了同步电动机在调速系统这一领域的地位。
小功率的永磁同步电机，由于变频电源供电，从而组成了新一代的交流伺服系统。在机器人和数控机床等领域也越来越显示出它的优越性。因而永磁同步电机的控制系统也逐步成为该领域的研究热点。 1.2.1 永磁同步电机的发展概述
永磁同步电机是交流驱动系统以永磁同步电机为驱动电机的设备，它以永磁体替代电励磁电机的励磁绕组。永磁同步电机出现于20世纪50年代，它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁替代激磁绕组激