永磁同步電機矢量控制方法的研究畢業(yè)論文

1、南京工程學院 自動化學院 本科畢業(yè)設計（論文）題目：永磁同步電機矢量控制方法的研究專 業(yè)： 自動化 （數(shù)控） 班 級： 數(shù)控102 學 號： 203100630學生姓名： 徐小晨 指導教師： 李 寧 教 授 起迄日期： 2013.2.282013.6.12 設計地點： 實驗樓 graduation design (thesis)byxu xiao chensupervised byprof. li ningdepartment of automation engineeringnanjing institute of technologyjune, 2013摘要近年來，隨著新型電機理論，電機拖

2、動技術以及電力電子技術的發(fā)展，永磁同步電機已經(jīng)廣泛的應用于人們的日常生活和工業(yè)生產中。永磁同步電機具有體積小，裝配簡單，運行狀態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)點。本文的主要內容是對永磁同步電機的矢量控制方法進行研究。本文分別給出了永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學模型以及它們之間的轉換公式。在分析數(shù)學模型的基礎上，利用matlab/simulink建立了永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型。本文對永磁同步電機矢量控制方法進行了分析，并且在matlab環(huán)境下，對永磁同步電機控制系統(tǒng)進行了仿真，仿真結果證明永磁同步電機矢量控制方法是高效可行的。得到的仿真結果為我們進一步的研究提供了依據(jù)。關鍵詞：永磁同步電機；矢量控制； mat

3、lab abstractin recent years, with the power electronics technology, the development of the theory of the new motor, permanent magnet synchronous motor has been widely used in industrial production. he himself has a small, simple assembly and other advantages. the main content of this paper is to vec

4、tor control for permanent magnet synchronous motor research.gives a mathematical model of permanent magnet synchronous motor in different coordinate systems and a conversion formula between them on the basis of analysis of the mathematical model, using matlab / simulink to establish a permanent magn

5、et synchronous motor simulation model .in this paper, permanent magnet synchronous motor vector control methods are analyzed, and the matlab environment, permanent magnet synchronous motor model, the simulation results show that the permanent magnet synchronous motor vector control method is effecti

6、ve and feasible. the simulation results obtained for us to provide a basis for further research.key words: permanent magnet synchronous motor; vector control; matlab目 錄第一章緒論11.1電力電子技術的發(fā)展11.2 永磁同步電機的特點及其發(fā)展概況11.1.1永磁同步電機的特點11.1.2永磁同步電機的發(fā)展概況21.3 永磁同步電機的基本控制策略31.2.1變壓變頻控制31.2.2矢量控制31.2.3直接轉矩控制31.4 永磁同步電

7、機矢量控制技術的發(fā)展和研究意義41.5 論文內容及結構安排4第二章 永磁同步電機矢量控制原理與電機模型52.1 永磁同步電機的工作原理52.1.1 永磁同步電機結構52.1.2 永磁同步電機工作原理52.2 永磁同步電機矢量控制原理62.3 永磁同步電機數(shù)學模型62.4 永磁同步電機在matlab環(huán)境下的仿真模型92.5 本章小結11第三章 pi控制器的設計123.1 pid控制原理和特點123.2 pid控制的意義133.3 pid參數(shù)的整定方法13第四章 永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型154.1 系統(tǒng)仿真工具matlab/simulink154.2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)建模154.3

8、永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型子模塊介紹164.3.1 永磁同步電機模型pmsm模塊164.3.2 park變換模塊174.3 本章小結18第五章 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的性能分析195.1 矢量控制方法下仿真結果及性能分析195.2 本章總結28第六章 結論296.1 論文總結29致 謝30參考文獻：31附錄a s函數(shù)編寫pid控制器程序清單32第一章 緒論1.1電力電子技術的發(fā)展從20世紀50年代中到70年代末，以大功率硅二極管、雙極型功率晶體管和晶閘管應用為基礎（尤其是晶閘管）的電力電子技術發(fā)展比較成熟。70年代末以來，兩個方面的發(fā)展對電力電子技術引起了巨大的沖擊。其一為微機的發(fā)展對

9、電力電子裝置的控制系統(tǒng)、故障檢測、信息處理等起了重大作用,今后還將繼續(xù)發(fā)展;其二為微電子技術、光纖技術等滲透到電力電子器件中，開發(fā)出更多的新一代電力電子器件。其中除普通晶閘管向更大容量（6500伏、3500安）發(fā)展外，門極可關斷晶閘管(gto)電壓已達4500伏，電流已達 25003000安；雙極型晶體管也向著更大容量發(fā)展，80年代中后期其工業(yè)產品最高電壓達1400伏，最大電流達400安,工作頻率比晶閘管高得多,采用達林頓結構時電流增益可達75200。 隨著光纖技術的發(fā)展，美國和日本于19811982年間相繼研制成光控晶閘管并用于直流輸電系統(tǒng)。這種光控管與電觸發(fā)的晶閘管相比，簡化了觸發(fā)電路，提

10、高了絕緣水平和抗干擾能力，可使變流設備向小型、輕量方向發(fā)展，既降低了造價，又提高運行的可靠性。同時，場控電力電子器件也得到發(fā)展，如功率場效應晶體管(power mosfet)和功率靜電感應晶體管(sit)已達千伏級和數(shù)十至數(shù)百安級的電壓、電流等級，中小容量的工作頻率可達兆赫級。由場控和雙極型合成的新一代電力電子器件，如絕緣柵雙極型晶體管（igt或igbt）和mos控制晶閘管（mct）也正在興起,容量也已相當大。這些新器件均具有門極關斷能力，且工作頻率可以大大提高，使電力電子電路更加簡單，使電力電子裝置的體積、重量、效率、性能等各方面指標不斷提高，它將使電力電子技術發(fā)展到一個更新的階段。與此同時

11、，電力電子器件、電力電子電路和電力電子裝置的計算機模擬和仿真技術也在不斷發(fā)展。1.2 永磁同步電機的特點及其發(fā)展概況1.1.1永磁同步電機的特點電機是指依據(jù)電磁感應定律，實現(xiàn)電能的轉換與傳遞的一種電磁裝置。永磁同步電機，用永磁體代替了繞線式同步電動機轉子中的勵磁繞組。因此電機結構更為簡單，制造成本更低，而電機的運行效率和可靠性得到了提高。當代社會更加注重成本的節(jié)約和效率的提高，加之隨著永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機必將更為廣泛的應用于工業(yè)生產和人們的日常生活中。1.1.2永磁同步電機的發(fā)展概況永磁電機的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展是密不可分的。近幾十年來，隨著鋁鎳鈷永磁、鐵氧體永磁，特別是稀土永

12、磁的相繼問世，永磁材料的性能不斷的提高，許多電勵磁電機紛紛改為永磁體勵磁電機。美國，日本，德國等國家研究永磁同步電機都比較早。早在20世紀50年代，美國ge公司就研制了一批數(shù)百瓦的微型永磁同步電動機。1973年國際范圍能源危機的出現(xiàn)，更加刺激了高性能電機的發(fā)展。一時間，各類高功率因數(shù)的永磁同步電機被開發(fā)出來。相對于上述國家，我國對永磁同步電機的研究起步相對較晚，但是發(fā)展卻十分迅速。在1986年，上海電器科學研究所開發(fā)出了一種化纖用外轉子永磁同步電動機，這是一種用于滌綸、維綸長絲高速紡機，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機，調速范圍15009000rmin或150012720rmin，調速平穩(wěn)，可靠

13、性高。轉矩有1.05nm、2.35nm、3.60nm等13個規(guī)格，可替代進口電機伴隨稀土永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁電機的發(fā)展大致分為四個階段： （1）20世紀六七十年代，由于高性能永磁材料的稀缺，永磁同步電機的研究領域著重放在航空航天等高技術領域。（2）上世紀80年代，出現(xiàn)了價格相對較低的釹鐵硼永磁材料，因此，永磁電機的研究被應用到了工業(yè)與民用領域。之后電力電子技術與運動控制理論不斷的發(fā)展與完善，永磁電機各方面的性能都要優(yōu)于傳統(tǒng)電勵磁電機，于是許多傳統(tǒng)的電勵磁電機都被稀土永磁電機代替。（3）上世紀90年代，永磁材料性能更加的完善，并且稀有永磁材料的價格也變得更低，稀土永磁電機的研究進入了一個新

14、階段。在永磁電機的設計理論、控制技術、結構工藝和計算方法等方面的研究工作形成了一套完整的體系。 （4）到了現(xiàn)代，永磁材料的性能得到了更進一步的提升和完善，特別是釹鐵硼永磁材料的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性得到了極大的改善，電力電子技術與新型電機理論也更加的完善，加上永磁電機研究和開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，除了大力推廣和應用已有研究成果外，稀土永磁電機的應用和開發(fā)也進入了一個新階段，目前正再向大功率化、高功能化和微型化方向發(fā)展。我國是資源大國，高效的利用國土稀有資源，作為永磁材料的使用，進而更好的研究永磁電機是非常有意思的。1.3 永磁同步電機的基本控制策略在對永磁同步電機進行了充分研究的情況下，目前交流電機基

15、本控制策略大致分為三種，分別是變壓變頻控制、矢量控制、直接轉矩控制。1.2.1變壓變頻控制變壓變頻控制，也稱vvvf控制，指的是通過改變電機外部的電壓和頻率，使得電機能夠在給定的轉速下運行。具體操作是將速度給定信號輸入到控制器中，給定的速度信號經(jīng)過svpwm模塊變?yōu)榱烽_關信號施加到逆變器上，然后逆變器會產生一個交變的正弦電壓，該電壓會被施加到電機的三相定子繞組上。因此電機便能夠在給定的轉速下運行。根據(jù)變壓變頻控制的工作原理可以看出，它不需要從電機端部引入任何反饋信號。因此它具有控制系統(tǒng)簡單，成本較低的優(yōu)點。1.2.2矢量控制最早的矢量控制是在上世紀70年代，西門子工程師fblaschke提出

16、的。矢量控制是指利用坐標變換原理，將永磁同步電機三相靜止坐標系上的物理量，分解到兩相旋轉坐標系，從而能夠簡單方便的對電機的各個物理量進行分解或合成。從而達到控制的目的。我們把這種控制方法叫做矢量控制，也稱為磁場定向控制。矢量控制算法的特點是：對永磁同步電機的勵磁電流和轉矩電流的分別進行控制，采用信號采集的原理檢測定子電流，并且將定子電流矢量分解成用于生產磁場的勵磁電流和用于產生轉矩的轉矩電流兩部分，從而對這兩個電流之間的相位和幅值進行控制，最終達到控制定子電流的目的。1.2.3直接轉矩控制直接轉矩控制，顧名思義是指以轉矩為中心來進行綜合控制。直接轉矩控制的中心思想是控制定子磁鏈。在靜止坐標系下

17、，可以得到的定子的電流和電壓，從而可以計算并控制電機的轉矩和磁鏈，以此來獲得轉矩的高動態(tài)性能。直接轉矩控制與矢量控制是有很大區(qū)別的，矢量控制是通過電流和磁鏈等物理量間接的控制轉矩，并且需要進行復雜的坐標旋轉變換。而直接轉矩控制是在兩相靜止坐標系上對轉矩和磁鏈進行控制，轉矩的響應速度快。由上述三種永磁同步電機的控制策略可知，永磁同步電機的多種控制策略有各自的優(yōu)缺點。在對永磁同步電機進行控制時，要選擇合適的控制策略，從而達到真正高效而準確的控制 1.4 永磁同步電機矢量控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義1968年，達姆施塔特工業(yè)大學的k. hasse提出了間接矢量控制的概念，隨后在1970年初期，西門子

18、公司的f.blaschke提出了直接矢量控制。布倫瑞克工業(yè)大學的維爾納萊昂哈德（leonhard further）進一步開發(fā)磁場導向控制的控術，因此交流馬達驅動器開始有機會取代直流馬達驅動器。當時微處理器尚未商品化，但已經(jīng)出現(xiàn)泛用的交流馬達驅動器。當時較于直流馬達啟動器，交流馬達驅動器的成本高，架構復雜，而且不易維護。而當時的矢量控制需要許多傳感器及放大器等原件，因此無法將矢量控制應用在交流馬達驅動器中。隨著電力電子技術的發(fā)展，矢量控制理論也越來越被重視。近年來，半導體技術與數(shù)字控制技術飛快的發(fā)展，矢量控制的應用已經(jīng)從曾經(jīng)的高科技領域拓展到更為通用的場合。隨著功率器件的不斷優(yōu)化，處理速度不斷提

19、升，極大的提高了伺服驅動的性能。到目前為止，伺服驅動中應用最多的同步電機和異步電機，額定功率從50w到200kw，位置環(huán)和速度環(huán)的典型帶寬分別為60hz和200hz?，F(xiàn)在，交流驅動器的一個開發(fā)重點是如何將驅動器與電機有效的結合在一起，開發(fā)出更加可靠的驅動模塊?；谶@一思路，研究人員開始對矢量控制技術進行深入的研究。矢量控制技術已經(jīng)成為了近幾年控制研究的熱點。實現(xiàn)該控制所需的魯棒性等各種方案被不斷的提出，該技術已經(jīng)在高性能交流驅動中占有越來越重要的地位。從矢量控制技術被提出至今，已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。目前已有的研究成果有。磁通快速控制技術，即在直接磁場定向矢量控制異步電動機變頻調速系統(tǒng)中，利用磁

20、鏈預測值進行磁通快速控制的技術。非線性自抗饒控制器，能夠在異步電動機系統(tǒng)的動態(tài)方程中，用自抗饒控制器取代經(jīng)典pid控制器進行控制。參數(shù)識別和調節(jié)器自整定技術，是一種基于模型參考自適應算法的一慣性系統(tǒng)及二慣性系統(tǒng)轉動慣量參數(shù)的識別技術。矩陣式變換器，是一種適用于矩陣式變換器驅動異步電動機調速系統(tǒng)的組合控制策略，同時實現(xiàn)了矩陣式變換器的空間矢量調制和異步電動機的直接磁場定向控制。在不久的將來，采用嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)，高速電動機控制專用dsp，通過開發(fā)性能更加優(yōu)良的轉子磁場定向方法和磁通觀測器，來使得變頻器獲得高性能的啟動轉矩和過載能力，會成為矢量控制技術未來的發(fā)展趨勢。無速度傳感器的交流異步電

21、動機驅動系統(tǒng)和永磁電動機驅動系統(tǒng)也是將會成為開發(fā)熱點之一。永磁電動機驅動系統(tǒng)由于它的高效，高功率，高可靠性而得到越來越多的關注，無刷電動機的無位置傳感器控制和正弦波電流控制，在應用方面已經(jīng)趨于成熟。開關磁阻電動機在許多領域應用也取得了很多進展。由此可見，在愈加注重運行效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的今天，矢量控制已經(jīng)成為了發(fā)展的熱點，并且有著良好的發(fā)展勢頭。對永磁同步電機矢量控制方法進行研究是有意義的。1.5 論文內容及結構安排本文以永磁同步電機控制策略的研發(fā)工程項目為應用背景，著重講述了對永磁同步電機矢量控制方法的研究。全文共分為六章，現(xiàn)介紹各章的主要內容。第一章介紹了永磁同步電機的概況及其基本控制策略。

22、第二章具體介紹了矢量控制原理，給出了永磁同步電機的數(shù)學模型和matlab環(huán)境下的仿真模型 第三章介紹了pid控制器以及pid參數(shù)的調節(jié)方法。第四章介紹了在matlab環(huán)境下永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的建模。第五章通過調節(jié)參數(shù)觀察永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真波形，并借此分析矢量控制方法下系統(tǒng)的性能。第六章對全文的研究工作做了總結，并簡述了感想。第二章 永磁同步電機矢量控制原理與電機模型2.1 永磁同步電機的工作原理2.1.1 永磁同步電機結構（1）永磁同步電機的結構和其他的一般電機一樣，由固定的定子和可旋轉的轉子兩大部分組成。 （2）在同步發(fā)電機的定子鐵心的內圓里均勻分布著定子槽，在定子槽內嵌放

23、著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。同步電機的定子又稱為電樞，同樣的，定子鐵心和定子繞組也被稱為電樞鐵心和電樞繞組。 （3）在同步電機的轉子鐵心上裝有成對的磁極，在磁極上還裝有勵磁繞組。啟動同步電機，通入直流電流，電機的氣隙中將會形成極性相間的磁場，這種磁場稱為勵磁磁場，即主磁場。 （4）在電樞內圓和轉子磁極之間，會形成氣隙。氣隙層的狀態(tài)與電機內部磁場的分布以及電機的性能有很大關系。 （5）同步電機可以分為轉場式同步電機和轉樞式同步電機，后者的磁極安裝在定子上，而交流繞組卻安裝在轉子表面的槽內。轉樞式同步電機的定子相當于電樞。2.1.2 永磁同步電機工作原理將直流勵磁電流加在永磁同步電機的勵磁

24、繞組上，便能建立極性相間的勵磁磁場，勵磁磁場也稱為主磁場。 三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體，稱為載流導體。 原動機拖動轉子旋轉便能給電機輸入機械能，極性相間的勵磁磁場（即主磁場）隨軸一起旋轉，便可以使繞組的導體順次切割勵磁磁場。 由于電樞繞組與勵磁磁場之間產生了相對的切割運動，根據(jù)電磁感應定律，電樞繞組中便會產生大小和方向按周期性變化的電動勢。該電動勢相當于交流電源。根據(jù)公式f=np/60可知，同步電機的轉速n 和極對數(shù)p決定了同步電機的功率。 旋轉磁場極性相間，因此能產生極性交變的感應電動勢，再由于電樞繞組的對稱性，使得感應電動勢也能保證三相對稱性。2.2 永

25、磁同步電機矢量控制原理交流電動機的矢量控制理論是由德國科學家blaschke和hasse在1971年提出來的。恰當?shù)倪\用矢量控制，可以使交流調速像直流調速一樣方便簡單，并且能夠擁有優(yōu)良的控制性能。矢量控制的基本思想是對三相交流電動機上的電流矢量進行控制，使之能夠實現(xiàn)像直流電動機一樣的轉矩控制。矢量控制的基本原理是通過磁場坐標，將電流矢量分解成兩個量。一個是產生磁通的勵磁電流分量，另一個是產生轉矩的轉矩電流分量。這兩個電流分量是互相垂直，并且彼此獨立的。通過對電流矢量的分解，便能對勵磁電流分量和轉矩電流分量分別進行調節(jié)。通過這種方法，便能將交流電動機的轉矩控制變得和直流電動機的轉矩控制相類似。從

26、矢量控制的原理可以看出，矢量控制的關鍵是對電流矢量的幅值和空間位置（即頻率和相位）進行控制。雖然矢量控制的目的是能夠提高轉矩控制的性能，但最終還是要落實到對定子電流的控制上。由于在定子側的各個物理量，如電壓、電流、電動勢、磁鏈等，這些物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，計算起來相當?shù)膹碗s。為了解決這一問題，需要借助坐標變換，使得各個物理量從兩相靜止坐標系（，坐標系）轉換到兩相旋轉坐標系（d，q坐標系）。如果站在同步旋轉坐標系的角度來觀察定子側的各個物理量，這些原本的空間矢量就變成了靜止矢量，電流和電壓都變成了直流量，通過轉矩和被控矢量的各個分量之間的數(shù)學關系，實時的計算出轉矩控制

27、時各個被控矢量的分量值，然后按照這些分量值進行實時控制，就可使得交流調速擁有像直流調速一樣的性能。電動機調速的最終目的是能夠控制其轉矩，而矢量控制的目的是為了能夠改善轉矩的控制性能，因此必須對定子電流進行控制。倘若不改變系統(tǒng)的參數(shù)，為了達到要求的轉矩，會有不同的d，q坐標系上電流分量的組合，因此也會有不同的控制策略。如果使d坐標軸上的電流為0，即采用的控制方法。這樣定子電流中便只有一個分量。這能使得定子的磁場與永磁體的磁場正交。永磁同步電機便相當于直流電動機而我們只需要控制q軸的電流就可以控制同步電機的轉矩和轉速。這種調速方式簡單方便，并且能很好的提高同步電機的性能。因此，本文將采用的控制方法

28、對永磁同步電機進行控制。2.3 永磁同步電機數(shù)學模型由于本文建立的永磁同步電動機的數(shù)學模型是在理想狀況下的模型，與實際情況略有偏差，因此需要假設以下幾點：（1）鐵芯損耗不作考慮；（2）電機磁路是線性的，不考慮磁路飽和，磁滯和渦流等因素的影響； （3）電動機的三相繞組是完全對稱的，他們在空間中互差120，不考慮邊緣效應； （4）不計齒槽效應與高次諧波，并且假設定子電流產生的磁動勢是正弦分布的； 通過假設，我們可以得到理想的永磁同步電機模型，現(xiàn)討論不同坐標系下永磁同步電機的數(shù)學模型。定子三相坐標系（a-b-c坐標系）中永磁同步電機模型 三相永磁同步電機在定子三相坐標系（a-b-c坐標系）下的電壓方

29、程和磁鏈方程可以寫成如下形式 us=rsis+dsdt s=lsis+r其中為定子電壓，rs為定子電阻，is為定子電流，s為定子磁鏈，ls為定子電感，r為轉子磁鏈。三相永磁同步電機在定子三相坐標系（a-b-c坐標系）下的電壓方程的矩陣形式如下： 其中ua、ub、uc為定子三相電壓， a、b、c為定子a、b、c各相的磁鏈，ia、ib、ic、為定子a、b、c各相電流，p為微分算子。 三相永磁同步電機在定子三相坐標系（a-b-c坐標系）下的磁鏈方程的矩陣形式如下： 其中l(wèi)aa、lbb、lcc分別為三相自感系數(shù)， mab和mba為a、b相的互感系數(shù)，mac和mca為a、c相之間的互感系數(shù)，mbc和mc

30、b為b、c相之間的互感系數(shù)，r為轉子磁鏈，為轉子位置較角。從上述式子中可以看出，在三相靜止坐標下，永磁同步電機各個物理量都與轉子的位置角有關。并且是一組復雜的變系數(shù)的微分方程組。分析和求解此類方程是非常不便的。因此我們可以想辦法將通過公式將變系數(shù)的方程組轉換成常系數(shù)的方程組。clark變換，指的是在磁場等效的原則下，用兩相匝數(shù)相同、結構相同、并且相互正交的繞組去代替原本的定子a、b、c三相對稱繞組。為了能夠使計算更為簡便，我們規(guī)定三相繞組的磁動勢與變換后的兩相繞組的磁動勢轉向相同，并且軸與a軸重合。-坐標系下永磁同步電機的狀態(tài)方程。 電壓方程的矩陣形式如下： 其中 u、u為-坐標系中定子的電壓

31、，i、i為坐標系中定子的電流，r為轉子轉速,r為轉子磁鏈。轉矩方程：t=pn（i-i） 、為-坐標系中的定子磁鏈， t為電磁轉矩，pn為磁極數(shù)。同樣的，park變換指的是將兩相靜止坐標系（-坐標系）下的狀態(tài)方程轉換到兩相旋轉坐標系（d-q坐標系）下。d-q坐標系中永磁同步電機的數(shù)學模型 ud=pd+rsid-qr、uq=pq+rsiq-dr d=ldid+r q=lqiq t=pn（iqd-idq）式中d、q為定子磁鏈的d、q 軸分量; ud、uq為定子電壓的d、q 軸分量; id 、iq為定子電流的d、q軸分量; ld、lq為定子繞組的d、q 軸等效電感; r為永磁體磁鏈; rs為定子繞組電

32、阻; pn為極對數(shù); t為輸出電磁轉矩; p為微分算子。電壓方程的矩陣形式： ud、uq為d-q坐標系中的定子電壓，id、iq為d-q坐標系中的定子電流，d、q為d-q坐標系中的定子磁鏈。磁鏈方程的矩陣形式： ld、lq為d-q坐標系中的定子電感，r為轉子磁鏈。以上為永磁同步電機在兩相旋轉坐標系（d-q坐標系）下的數(shù)學模型。在兩相旋轉坐標系下，三相永磁同步電機可以等效的看做是直流電機，對我們研究電機的控制策略而言相對簡單方便。2.4 永磁同步電機在matlab環(huán)境下的仿真模型（1）jxpmsm750型號電機參數(shù)（2）永磁同步電機matlab仿真模型本次課程設計運用到了matlab軟件對電機系統(tǒng)

33、進行模擬和仿真，matlab中的的simulink模塊中具備很多電機仿真所要用到的器件，是一種非常常用的電機仿真軟件，使用起來也非常的方便快捷。根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學模型可以建立起如下圖所示的永磁同步電機仿真模型（matlab仿真圖）：具體建立步驟在第四章有詳細介紹。2.5 本章小結本章著重介紹了同步電動機矢量控制原理，給出了在不同坐標軸下同步電機的數(shù)學模型。最后還給出了matlab環(huán)境下同步電機的仿真模型。（1) 介紹了永磁同步電機的工作原理(2) 詳細介紹了同步電機的矢量控制原理(3) 給出了同步電機在不同坐標系下的數(shù)學模型。(4) 在matlab環(huán)境中，根據(jù)電機參數(shù)和電機方程，對電機本體

34、進行建模。第三章 pi控制器的設計3.1 pid控制原理和特點pid控制是在工程實際中應用最為廣泛的一種控制技術，他具體是指比例，積分，微分控制。到目前為止，pid控制器已經(jīng)有了近七十年的研究歷史，它的結構簡單、具有良好的穩(wěn)定性、并且便于調節(jié)。因此，pid控制是目前工業(yè)控制的一大重要技術。在工程研究的過程中，當我們無法完全掌握被控對象的結構和參數(shù)，并且得不到精確的數(shù)學模型時，很難采用其他控制技術。當我們必須依靠經(jīng)驗和反復的調試來掌握控制器的結構和參數(shù)時，pid控制技術是最好的選擇。pid控制，實際中也有pi和pd控制。pid控制器的實質就是根據(jù)系統(tǒng)反饋的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量從

35、而進行控制。比例控制（p）比例控制是最基本，也是最簡單的控制方式。他指的是控制器的輸出與輸入的誤差信號成比例關系。如果系統(tǒng)中僅存在比例控制，系統(tǒng)輸出將存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制（i）積分控制是指控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。一個普通的自動控制系統(tǒng)，在進入穩(wěn)態(tài)后會存在一個穩(wěn)態(tài)誤差，我們稱這個自控系統(tǒng)為簡差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，則必須要在控制器中引入“積分項”。誤差對時間的積分決定了積分項的大小，積分項的大小會隨著時間的增加而增大。盡管誤差有時是一個很小的量，但是積分項也會隨著時間的增加而加大。這樣它便能使控制器的輸出增大，從而進一步的減小穩(wěn)態(tài)誤差，直到穩(wěn)態(tài)誤差接近零值。因此，比例積分

36、控制器（即pi控制器），可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后幾乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差。微分控制（d）微分控制指的是控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關系，它也反應了誤差的變化率。由于滯后組件或者大慣性組件的存在，自動控制系統(tǒng)在調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定的現(xiàn)象。我們可以通過微分控制來解決。微分控制能夠抑制誤差的變化作用。許多時候，在控制器中僅引入 “比例項”和“積分項”是不夠的，我們需要增加“微分項”，它能預測誤差的變化趨勢。這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分控制器（即pd控制器）能改善系

37、統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性?，F(xiàn)對pid控制器中三個環(huán)節(jié)的作用做一個總結：（1）比例環(huán)節(jié)的作用：比例環(huán)節(jié)能夠迅速的反映偏差，減小誤差，但消除不了靜差，如果“比例項”過大會導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。（2）積分環(huán)節(jié)的作用：積分環(huán)節(jié)能夠減小偏差，直到最終將偏差完全消除，如果“積分相”過大會影起系統(tǒng)的超調，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。（3）微分環(huán)節(jié)的作用：微分環(huán)節(jié)能夠減小系統(tǒng)的震蕩，提高系統(tǒng)的快速性，如果“微分相”過大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定 3.2 pid控制的意義目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實例是模

38、糊全自動洗衣機等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機構，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器（儀表）已經(jīng)很多，產品已在工程實際中得到了廣泛的應用，有各種各樣的pid控制器產品，各大公司均開發(fā)了具有pid參數(shù)自整定功能的智能調節(jié)器 (intelligent regulator），其中

39、pid控制器參數(shù)的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現(xiàn)。有利用pid控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn)pid控制功能的可編程控制器(plc），還有可實現(xiàn)pid控制的pc系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破鳎╬lc) 是利用其閉環(huán)控制模塊來實現(xiàn)pid控制，而可編程控制器（plc）可以直接與controlnet相連，如rockwell的plc-5等。還有可以實現(xiàn) pid控制功能的控制器，如rockwell 的logix產品系列，它可以直接與controlnet相連，利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)其遠程控制功能。3.3 pid參數(shù)的整定方法為了得到符合要求的仿真結果，我們要對pid控制器中的比例，積分，

40、微分項進行調節(jié)，這便是pid參數(shù)的整定。pid參數(shù)的整定也是整個電機模型控制理論的核心。pid參數(shù)整定的方法大致分為兩類。第一種是理論計算整定法，第二種是經(jīng)驗法。理論計算的方法是指依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，通過一系列的計算得到pid中各個參數(shù)的數(shù)據(jù)。由于實際情況與理論上的數(shù)學關系存在偏差，因此這種方法所得到的數(shù)據(jù)并不能直接用，還要根據(jù)實際情況進行一系列的修改。經(jīng)驗法，顧名思義是根據(jù)工程實踐中的經(jīng)驗，在電機控制中對pid參數(shù)進行調試。這種方法根據(jù)電機控制系統(tǒng)輸出量的狀態(tài)進行調試，非常的實用，并且方便快捷。第四章 永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型4.1 系統(tǒng)仿真工具matlab/simulink 矩陣實驗

41、室（matrix laboratory）是matlab的簡稱，它是美國mathworks公司研發(fā)的一款數(shù)學軟件，主要包括matlab和simulink兩大部分。經(jīng)過幾代的發(fā)展，matlab在控制領域得到了廣泛的應用。simulink是本次畢業(yè)設計進行仿真時用到的工具軟件。 simulink是matlab的一個應用工具箱，它能完成對一個動態(tài)控制系統(tǒng)的建模和仿真。simulink的功能非常強大，它不但能夠支持對連續(xù)、離散及混合系統(tǒng)的仿真，還支持其他類型的系統(tǒng)仿真。在simulink環(huán)境下建立的仿真模型非常的簡便，直觀。用戶還可以根據(jù)自己的需求，自己建立模型器件。 在完成simulink環(huán)境下仿真模

42、型的建立之后，可以通過simulink的菜單實現(xiàn)多種用戶所需求的功能。因此，用戶可以十分方便的得到仿真結果，仿真波形也很直觀和清晰，這對用戶分析仿真結果提供了極大的便利。下面便介紹在simulink環(huán)境下建立的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)模型。4.2 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)建模根據(jù)永磁同步電機矢量控制原理，同步電機數(shù)學模型以及電機公式，可建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型如下圖。4.3 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型子模塊介紹4.3.1 永磁同步電機模型pmsm模塊pmsm電機模型如下輸入電壓u、u，根據(jù)電壓方程可以得到電流i、i根據(jù)轉矩公式可以得到輸出轉矩t根據(jù)機械運動方程可以得到角速度4

43、.3.2 park變換模塊park變換公式為id=icos+isin iq=-isin+icos經(jīng)過變換可得 i=idcos-iqsini=idsin+iqcos4.3 本章小結本章主要介紹了在matlab環(huán)境下永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)模型的建立（1）介紹了仿真工具matlab（2）建立了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型（3）介紹了系統(tǒng)模型下的各個子模塊第五章 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的性能分析5.1 矢量控制方法下仿真結果及性能分析現(xiàn)在pi控制方法下對電機系統(tǒng)進行仿真，經(jīng)過對系統(tǒng)的分析和調試，當電流調節(jié)器中pi參數(shù)kp=5，ki=10。的時候，系統(tǒng)能夠有較好的性能。在t=0的時候啟動電機，

44、并且在0.2s時加入負載，負載大小為0.5。id，iq的波形如下圖所示。圖5-1 pi控制方法下電流id波形圖5-2 pi控制方法下電流iq波形由上圖可以看出，采取id=0來實現(xiàn)最大轉矩輸出，電機啟動時iq有一個很大的電流，并且迅速減小，在0.2秒時加入負載，iq能夠迅速回升，并且一直保持一個穩(wěn)定的狀態(tài)。轉矩和轉速的輸出波形如下：圖5-3 pi控制方法下輸出轉矩波形圖5-4 pi控制方法下輸出轉速波形在仿真過程中，當沒有加入負載時，系統(tǒng)的轉矩為0,在 0.2秒時加入負載，轉矩明顯上升，然后保持穩(wěn)定，超調較小。由此可以證明該控制系統(tǒng)有著良好的控制性能。輸出電流的波形圖5-5 pi控制方法下電流i

45、波形圖5-6 pi控制方法下電流i波形可以看出加入負載后系統(tǒng)能迅速的回到穩(wěn)定狀態(tài)?？焖傩院涂垢蓴_性都比較良好。我們改變一下參數(shù)，繼續(xù)使用pi控制法觀察波形的變換情況。取kp=5，ki=50，得到波形如下圖5-7 pi控制方法下輸出轉矩波形圖5-8 pi控制方法下輸出轉速波形圖5-9 pi控制方法下電流i波形圖5-10 pi控制方法下電流i波形由上圖可知，當我們增大系統(tǒng)的積分系數(shù)ki，系統(tǒng)最后依舊會回到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，但是與之前相比，會有明顯的超調下面我們用自制的st函數(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)pid效果以驗證：轉矩和轉速的輸出波形如下：圖5-11 st函數(shù)下輸出轉矩波形圖5-12 st函數(shù)下輸出轉速波形

46、輸出電流的波形如下：圖5-13 st函數(shù)下電流i波形圖5-14 st函數(shù)下電流i波形由上圖可知，不論使用pid模型，或者用st函數(shù)，得到的仿真模型都具有良好的穩(wěn)定性和快速性。并且在加入負載時能迅速恢復，有良好的抗干擾性。5.2 本章總結本章主要是對設計過程中的各個環(huán)節(jié)進行仿真和分析。（1）矢量控制方法下的同步電機控制系統(tǒng)的仿真和分析。（2）通過仿真結果的觀察和分析，提出問題和對控制方法的一些看法。第六章 結論6.1 論文總結永磁同步電機憑借其結構簡單，性能優(yōu)良等特點，代替了傳統(tǒng)電機得到了廣泛的應用?，F(xiàn)代環(huán)境下，永磁材料的性能不斷的提高，價格卻不斷的下降，因此永磁同步電機已經(jīng)廣泛的應用于工業(yè)領域

47、。在這種環(huán)境下，能夠對電機實現(xiàn)高性能的控制變得格外重要。永磁同步電機的伺服系統(tǒng)主要由永磁同步電機，速度和位置傳感器，速度控制器，電流控制器，以及pwm生成電路等部分組成。如今，伺服系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應用于社會的各個領域，并且有更好的發(fā)展趨勢，因此，能夠完成對伺服系統(tǒng)良好的控制，使他能夠在受擾動的情況下迅速的恢復變得尤為重要。本論文主要針對交流伺服控制技術中最基礎的矢量控制進行了研究和分析，通過對永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真，證明了矢量控制是一種比較簡單方便，并且相對穩(wěn)定的控制方法?，F(xiàn)總結如下：（1）了解永磁同步電機矢量控制原理，并且能夠根據(jù)原理建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的模型。（2）更加

48、深刻的了解和認識永磁同步電機，對其工作原理，控制方法有更進一步的認識。（3）掌握同步電機的數(shù)學模型，并依據(jù)jxpmsm750型號電機參數(shù)建立模型，以此為基礎實現(xiàn)永磁同步電機的矢量控制。存在的問題（1）由于研究尚淺，對永磁同步電機矢量控制的研究只能停留在較淺的層次，并不能得到完全與理想狀況相符的仿真結果。對基于矢量控制的更深層次的控制方法還不算了解（2）研究僅停留在理論階段，實際還需要考慮更加復雜的情況。（3）工程經(jīng)驗不足，對pid參數(shù)的調試還不夠熟悉。（4）研究更加著重于軟件上的模擬，對實際的電機模型理解的還不夠透徹。致 謝在本次畢業(yè)設計完成之際，我要向所有指導我，關心我，支持我的師長，同學，

49、親人致以深深的謝意。本次畢業(yè)設計是在我的導師李寧教授的悉心指導下完成的，在畢業(yè)設計與撰寫論文期間，李老師給予了我很大的幫助。在畢業(yè)設計初期，李老師每周三都會把同學集中起來，將畢業(yè)設計中的重點和難點一一講解給我們聽。對于我們提出的疑問，李老師也會不厭其煩的一遍又一遍的解釋，直到我們真正弄明白為止。在畢業(yè)設計的最后階段，李老師長時間呆在實驗室，以了解我們的研究進度。對于研究進度滯后，或者對仿真模型還存在疑問的同學，李老師會親自指導，幫助他解決問題。李老師的指導讓我對電機方面的知識有了更深的理解，并且讓我能將之前學習的課本知識與實際情況聯(lián)系起來。我更是從李老師身上學到了作為一個工程項目的研究者應該具

50、備的素養(yǎng)。嚴謹?shù)膽B(tài)度，冷靜的分析，一絲不茍的精神，缺一不可。在此我要向李老師致以誠摯的敬意與衷心的感謝。畢業(yè)設計期間，我還得到了實驗室同學的悉心幫助。實驗室里的學習氛圍濃厚，同學之間探討積極。在此我要專程向謝藝乾，趙志明等同學表示感謝，你們對我的研究課程給予了無私的幫助。在多年的學習生活中，還得到了自動化學院領導和各教研室老師的熱情關心和幫助，感謝我的所有任課老師、班主任和輔導員。感謝在我身后一直默默支持我的父母，感謝你們殷切的期望與無微不至的關懷。衷心地感謝在百忙之中評閱我的設計和參加答辯的各位老師。 徐小晨 二o一四年五月 于南京 參考文獻：1.周鶚，曾朝暉. 高性能永磁同步電機矢量控制系

51、統(tǒng)研究j. 電機與控制學報，1997,36(1)2.梁艷，李永東. 無傳感器永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)概述j. 電氣傳動，2003,45(4)3.何亞屏，年曉紅. 永磁同步電機矢量控制matlab仿真研究j. 變流技術與電力牽引，2007,30(6)4.龍明貴. 永磁同步電機矢量控制分析c. 成都：西南交通大學，20125.王松. 永磁同步電機的參數(shù)辨識及控制策略研究c. 北京：北京交通大學，20116.陳榮. 永磁同步電機控制系統(tǒng)m. 北京水利水電出版社，20097.李寧，陳桂. 運動控制系統(tǒng)m. 高等教育出版社，2004 年8.李寧，劉啟新. 電動機自動控制系統(tǒng)m. 機械工業(yè)出版社，2003

52、年9.劉金坤. 先進pid控制及其matlab 仿真m. 電子工業(yè)出版社，2004年10.黃堅. 自動控制原理及其應用m. 北京高等教育出版社，2010年11.李華等. 計算機控制系統(tǒng).機械工業(yè)出版社m. 2007.412.堯舜才等. 運動控制系統(tǒng)分析與應用.國防工業(yè)出版社m. 2007.713.郭慶鼎等. 現(xiàn)代永磁電動機交流伺服系統(tǒng).中國電力出版社m. 200614.楊成慧. matlab基礎及實驗教程m. 北京大學出版社，2014年附錄a s函數(shù)編寫pid控制器程序清單/* file : pid1.c * abstract: * * example c-file s-function for defining a discrete system. * * x(n+1) = ax(n) + bu(n) *