当前位置： >>
永磁同步电机矢量控制系统分析仿真的论文(包括外文文献及翻译)
本科毕业设计（论文） 永磁同步电机矢量控制系统分析仿真王兴龙燕 山 大 学2013 年 6 月
本科毕业设计（论文）永磁同步电机矢量控制系统分析仿真学院（系） ：里仁学院 专 业：09 级应用电子学生 姓名： 王兴龙 学 号：指导 教师：杨国良 答辩 日期：2013 年 6 月 16 日
燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：电气工程学院 学
号 题目名称 题目性质 题目类型 题目来源 1 2 3 4 学生 姓名 系级教学单位：电气工程系 专 业 王兴龙 里仁应电 09-2 班 级永磁同步电机矢量控制系统分析仿真1.理工类：工程设计 （ ? ） ；工程技术实验研究型（ ） ；综合型（ ） 。 ） ；4.艺术类（ ） ； ） 。 理论研究型（ 2.文管类（ ） ；计算机软件型（ ） ；3.外语类（题 目1.毕业设计（? 科研课题（ ））2.论文（ 生产实际（） ）自选题目（? ）主 要 内 容查询矢量控制控制的技术资料，阅读消化理解工作原理。 掌握永磁同步电机矢量控制控制的一般原理。 根据以上原理，设计一个 PMSM 矢量控制系统，并给出仿真过程及结果。 给出全部设计参数和图纸。基 本 要 求 参 考 资 料 周 次 应 完 成 的 内 容1． 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份 （不少于 2.4 万字） ，A0 图纸。 2． 说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符 合国家现行标准。 3．按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。 1．矢量控制的相关文献 2．PMSM 矢量控制的相关文献 3．工程设计的相关文献 1―4 周 5―8 周 9―11 周 12―15 周 16―17 周 查阅并消化理解 了 解 工 作 原 利 用 仿 真 软 撰写论文 画图、准备答辩 资料，找出主要 理， 设计、 件 进 行 局 部 计 问题，确定主电 算 电 路 有 关 电路的仿真。 路拓扑 参数。 给出全部工 程图纸和元 器件表。 系级教学单位审批： 年 月 日指导教师：杨国良 职称：副教授 2012 年 12 月 12 日
燕山大学本科生毕业设计（论文）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。本文介绍了永磁同步电机 的分类以及我国可达到的最高水平和世界可达到的最高水平， 主要进行了永 磁同步电机矢量控制系统的研究，其主要内容如下： 本文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之后，论文对电压空间矢量(SVPWM)的原 理、合成,扇区判断,矢量作用时间，切换时间等进行了详细的说明。此外， 在 MATLAB 中做出了实现电压空间矢量(SVPWM)的原理、 合成,扇区判断, 矢量作用时间，切换时间功能的模块，接着又建立了基于 MATLAB 的永磁同 步电机矢量控制系统的框图。之后，选择了合适的 PI 调节器参数，通过调 节它得到了较好的仿真波形。最后，通过观察电机转子的瞬时位置角波形、 转速波形和定子、 转子电流波形更好地控制了电机。本论文的仿真结果证明 了采用基于 I d ? 0 的转速、 电流双闭环控制方式配合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；MATLAB；坐标变换; PI 调节器IAbstractAbstractAc permanent magnet synchronous motor due to no excitation, low loss, high efficiency, simple structure and accurate constant speed, in recent years is widely applied in motion control field. Classification of permanent magnet synchronous motor were introduced in this paper, and can achieve the highest level in our country and the world can reach the highest level, mainly for the permanent magnet synchronous motor vector control system of research, its main content is as follows: Switching time and so on were carried on the detailed description. In addition, the realization of the principle of voltage space vector (SVPWM), synthetic, sector, vector effect time, switching time module in MATLAB to make by me. Then a permanent magnet synchronous motor vector control system based on MATLAB block diagram was success established by me. Later, suitable PI controller parameters were chosen by me. Simulation waveform is good by adjusting the parameter of PI regulator. Finally, the instantaneous position of motor rotor Angle waveform, waveform of rotation speed and the stator, rotor current waveform are obtained. The motor is better controlled. The permanent magnet synchronous motor which are better realized based on the speed and current double closed-loop control method with voltage vector control system are proved by simulation results. Key words: permanent magn V M Coord PI tuningII目 录摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第 1 章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ............................................................................................... 1 1.2 永磁同步电机 ........................................................................................ 1 1.2.1 永磁同步电机简介 ......................................................................... 1 1.2.2 国内外永磁同步电机的发展情况 ................................................. 3 1.3 永磁同步电机矢量控制技术 ................................................................ 5 1.4 MATLAB 仿真系统 ............................................................................... 6 1.4.1 MATLAB 简介 ................................................................................ 6 1.4.1 MATLAB 发展状况...................................................................... 10 1.5 本章小结 .............................................................................................. 12 第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理 .......................................... 13 2.1 永磁同步电机的数学模型 .................................................................. 13 2.2 电压空间矢量控制（SVPWM） ....................................................... 15 2.2.1 空间矢量的定义 ........................................................................... 16 2.2.2 SVPWM 的原理 ......................................................................... 17 2.2.3 SVPWM 的合成 ........................................................................... 20 2.2.4 SVPWM 的扇区判断 ................................................................. 22 2.2.5 七段式 SVPWM 的实现 ............................................................ 22 2.3 本章小结 .............................................................................................. 23 第 3 章 基于 MATLAB 的永磁同步电机矢量控制系统模块设计 .............. 24 3.1 基于 MATLAB 的 SVPWM 仿真...................................................... 25 3.1.1 扇区判断部分的 SIMULINK 框图 ............................................... 25 3.1.2 参数 X ,Y ,Z 形成的 SIMULINK 框图 ......................................... 26 3.1.3 矢量作用时间的 SIMULINK 框图 ............................................... 26 3.1.4 扇区比较值 SIMULINK 框图 ....................................................... 27 3.2 本章小结 .............................................................................................. 28III第 4 章参数计算................................................................................................. 29 4.1 调节器设计........................................................................................... 29 4.1.1 常规 PI 控制器的设计 ................................................................ 30 4.1.2 PI 控制器的参数设定 ................................................................. 31 4.2 本章小结............................................................................................... 34 第 5 章 仿真结果与分析 ................................................................................... 35 5.1 仿真分析............................................................................................... 35 5.2 本章小结............................................................................................... 39 结论..................................................................................................................... 40 参考文献............................................................................................................. 41 致谢..................................................................................................................... 44 附录 1 开题报告................................................................................................ 45 附录 2 文献综述................................................................................................ 50 附录 3 中期报告................................................................................................ 54 附录 3 中文译文................................................................................................ 59 附录 5 外文原文................................................................................................ 68IV第 1 章 绪论第 1 章 绪论1.1 课题背景由于现代电力电子技术、 微电子技术及计算机技术等支撑技术的快速发 展，以永磁同步电机作为执行机构的交流调速系统的发展得以极大的跨进。 以 DSP 为核心的全数字伺服系统，由于其控制灵活，智能化水平高，参数易 修改，便于分布式控制等优点，已成为当今交流调速系统发展的大趋势。由 于调速控制技术是决定交流调速系统性能好坏的关键技术之一， 所以这也是 国外交流调速技术封锁的主要部分。 随着国内交流调速使用的电机及驱动器 等硬件技术逐步成熟， 以软形式存在于控制芯片中的调速控制技术已成为制 约我国高性能交流调速技术及产品发展的瓶颈。所以，虽然国内变频调速系 统的研究非常活跃， 但是在产业化方面仍然不是很理想，市场的大部分还是 被国外公司所占据， 为了加快国内变频调速系统的发展，就需要对国际变频 调速技术的发展趋势有一个全面的了解和学习，并且有所创新。因此研究高 性能交流调速控制技术，特别是最具应用前景的永磁同步电机调速控制技 术，具有重要的理论意义和实用价值。1.2 永磁同步电机1.2.1 永磁同步电机简介永磁（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,因此在工业、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）[1]。其中 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， 并且其控制方式也非常的简单。但是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要求的 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1燕山大学本科生毕业设计（论文）质量。 如果永磁铁在转子中的放置正确， 理想正弦的气隙密度是可以得到的。 因为实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 图 1.1PMSM 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。此外，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， 但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 点是转子漏磁系数较大。 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。2第 1 章 绪论1.2.2 国内外永磁同步电机的发展情况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 极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,价格较为低廉。钕铁硼稀土 永磁材料磁性能好,大大地推动了永磁同步电机的开发[2]。 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 项互相制约的巨大矛 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 3159 倍,牵入转矩提高了 3 倍。 3)机床主轴用 715kW 高恒功率调速比钕铁硼永磁同步电机和驱动系统。 利用钕铁硼永磁材料开发的永磁同步电机调速系统的调速范围为 0.4r/min～9000r/min(国内同规格的主轴感应电动机的调速范围仅为 8r/min～8000r/min),恒功率调速比达到 1:6。 4)电动汽车用永磁同步电机和驱动系统。利用钕铁硼永磁材料开发的 715kW 轻微型电动客车用永磁同步电机系统,电机重量为 45kg,磁体用量为 0.92kg,额定转速为 3000r/min,最高转速可达 5500r/min。样机系统整体额 定效率达 89.1%,1h 持续转矩密度为 0.74N?m/kg(风冷),15min 持续转矩密 度为 1.123N? m/kg(日本 AISIMAW 样机 1h 持续转矩密度为 0.78N?m/kg)(油 冷),15min 持续转矩密度为 1.178N?m/kg。 5)高起动能力钕铁硼永磁起动机电机(4 个规格样机)。以此所开发的电 机把原来永磁磁极的一部分换为廉价的软铁辅助磁极,节省钕铁硼永磁材料 约 30%。 自从 20 世纪 80 年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业 设备的主要驱动源之一的调速系统提出了越来越高的要求， 研究和发展高性3燕山大学本科生毕业设计（论文）能 PMSM 调速系统已成为国内外广大学者的共识。近年国内外广大学者从提 高系统以“硬形式”存在的包含 PMSM、逆变器、检测元件等在内的性能和 以“软形式”存在的控制策略的角度着手以提高 PMSM 调速系统性能作了大 量的研究和探索，并取得相应的成果： (1)采用了卡尔曼滤波法估计 PMSM 的转子位置实现了转子位置检测的 “无传感器化” 。 (2)采用高性能的永磁材料和加工技术改进 PMSM 转子结构和性能， 以 便通过消除削弱因齿槽转矩所造成的 PMSM 转矩脉动对系统性能的影响。 (3)采用基于现代控制理论为基础的具有较强鲁棒性能的滑模控制策略 以提高系统对参数摄动的自适应能力。 (4)在传统 PID 控制基础上引入非线性和自适应设计方法以提高调速系 统对非线性负载类的调节和自适应能力。 对于发展高性能 PMSM 调速系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形 式”存在的 PMSM、逆变器及相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观 因素的制约;然而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随 着控制理论新的发展， 尤其是智能控制的兴起和不断成熟， 加之计算机技术、 微电子技术的迅猛发展，交流调速系统所需要用的微处理器的性能不断提 高， 特别是 DSP 的出现， 为永磁同步电机调速系统采用先进的控制理论以及 复杂的控制算法提供了有力的支持， 同时也使得模糊控制，神经网络控制等 智能控制理论在交流调速系统中在线实时的应用成为可能， 使得基于智能控 制理论为基础的先进控制策略和基于传统控制理论(含现代控制理论)为基 础的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了相应的物质 基础。因此，结合控制理论新的发展，以通过改进控制策略的角度着手以提 高控制器性能进而提高 PMSM 调速系统性能已日渐成为国内外广大同仁热衷 采用的手段和研究的焦点之一。 纵观永磁同步电机调速系统的研究现状， 自控式变频调速系统主要采用 的基本控制策略主要为恒压频比控制、矢量控制和直接转矩(DTC)控制[3]。 矢量控制的思想源自于交流电机对直流电机控制的严格模拟。 由于永磁同步 电机自身具有比感应电动机更为优越的性能，而且其坐标变换算法相对简4第 1 章 绪论单、 电机转子磁极的位置易于检测， 因此交流调速的矢量控制理论在永磁同 步电机的控制领域也得到了同样的重视。直接转矩控制与矢量控制不同，它 不是通过控制电流、 磁链等量来间接控制转矩，其基本思想是在准确观测定 子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的 条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速 度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出转矩的目的[3]。 两种方案各有自己的特点、 优点和缺点， 如何确定它们各自最佳的应用场合， 最大限度地发掘交流变频调速技术在不同领域应用中的潜力有着极为重要 的现实意义。 在基本控制策略的基础上国内外学者从不同角度着手进行了大 量的研究和实践，尤其是在近几年围绕提高 PMSM 控制性能、降低成本在 调速系统控制策略上作了大胆的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了 一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。 但是 永磁同步电机自身就是具有一定非线性、强耦合及时变性的“系统” ，同时 其调速对象也存在较强的不确定性和非线性， 加之系统运行时还受到不同程 度的干扰， 因此按常规控制策略是很难满足高性能永磁同步电机调速系统的 控制要求[4]。因此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型 控制策略”以改进作为永磁同步电机调速系统核心组成部件的“控制器”性 能，来弥补系统中以“硬形式”存在的“硬约束” ，理应是当前发展高性能 PMSM 调速系统的一个主要“突破口”[5]。1.3 永磁同步电机矢量控制技术在七十年代提出的矢量控制理论其基本思想是在普通的三相交流电动 机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量 分解成为产生磁通的励磁电分量和产生转矩的转矩电流分量， 并使得两个分 量互相垂直， 彼此独立， 然后分别进行调节[6]。 这样交流电动机的转矩控制， 从原理和特性上就和直流电动机相似了。 因此矢量控制的关键仍是对电流矢 量的幅值和空间位置（频率和相位）的控制。 矢量控制的最终目的是为了改善转矩控制性能， 而最终实施依然是落实 到对定子电流（交流量）的控制上[7]。由于在定子侧的各个物理量，例如电5燕山大学本科生毕业设计（论文）压、电流、电动势、磁动势等，都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速 旋转，调节、控制和计算都不是很方便。所以就需要借助于坐标变换，使得 各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标 系上进行观察， 电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上 的各个空间矢量就都变成了直流量， 可以根据转矩公式的几种形式，找到转 矩和被控量的各个分量之间的关系， 实时的计算出转矩控制所需要的被控矢 量的各个分量值，即直流给定量[8]。按照这些计算量进行实时控制，就可以 达到直流电动机的控制性能。 由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是 虚构的， 所以还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标 系， 把上述的直流给定量变化成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对 交流量进行控制，使其实际值等于给定值[9]。 永磁同步电机矢量控制的实质是通过对定子电流的控制来实现交流永 磁同步电机的转矩控制。转速在基速以下时，在定子电流给定的情况下，控 T ? 1.5n p? f I d 制 I d ? 0 ，可以更有效的产生转矩，这时电磁转矩 e ，电磁转 Iq Iq 矩就随着 的变化而变化。所以控制系统只要控制 大小就能控制转矩， 实现矢量控制。但是转速在基速以上时，因为永久磁铁的励磁磁链为常数， 电动机感应电动势随着电机转速成比例增加。电动机感应电压也跟着提高， 然而又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制， 所以必须进行弱磁 I d 来控制磁链，通过控制 I q 来控制转速，来实现矢量控制。 升速。通过控制 I ,I 永磁同步电机矢量控制是很容易实现的，只要使实际的 d q 与给定的 Id , Iq 相等，也就满足了实际控制的需要。因为在实际控制中，向电机定子 I ,I 注入的和从定子检测的电流都不是 d q 而是三相电流，所以必须进行坐标 变化[10]。又因为 dq 坐标系是定义在电机转子上的旋转坐标系，所以要实现 坐标变化必须在控制中实时检测电机转子的位置。1.4 MATLAB 仿真系统1.4.1 MATLAB 简介MATLAB 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化 以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数6第 1 章 绪论据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易 于使用的视窗环境中， 为科学研究、 工程设计以及必须进行有效数值计算的 众多科学领域提供了一种全面的解决方案， 并在很大程度上摆脱了传统非交 互式程序设计语言（如 C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算 软件的先进水平。 MATLAB 和 Mathematica、Maple、MathCAD 并称为四大数学软件。它 在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵 运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程 序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号 检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常 用的形式十分相似，故用 MATLAB 来解算问题要比用 C，FORTRAN 等语 言完成相同的事情简捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等软件的优 点，使 MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对 C， FORTRAN，C++，JAVA 的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的 实用程序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以 用。 MATLAB 主要具有以下一些特点 1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析 中解脱出来； 2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化； 3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习 和掌握； 4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用 户提供了大量方便实用的处理工具。 同时与其他一些仿真软件相比还具有许多优势，在下文中列出一些 MATLAB 由一系列工具组成。 这些工具方便用户使用 MATLAB 的函数和 文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括 MATLAB 桌面和命令窗7燕山大学本科生毕业设计（论文）口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作 空间、文件的浏览器。随着 MATLAB 的商业化以及软件本身的不断升级， MATLAB 的用户界面也越来越精致，更加接近 Windows 的标准界面，人机 交互性更强， 操作更简单。 而且新版本的 MATLAB 提供了完整的联机查询、 帮助系统， 极大的方便了用户的使用。 简单的编程环境提供了比较完备的调 试系统， 程序不必经过编译就可以直接运行，而且能够及时地报告出现的错 误及进行出错原因分析。 MATLAB 是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据 结构、 输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句 与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M 文件） 后再一起运行。新版本的 MATLAB 语言是基于最为流行的 C++语言基础上 的，因此语法特征与 C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员 对数学表达式的书写格式。 使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且 这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是 MATLAB 能够深入到科学研 究及工程计算各个领域的重要原因。 MATLAB 是一个包含大量计算算法的集合。其拥有 600 多个工程中要 用到的数学运算函数， 可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所 使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果， 而前经过了各种优化和 容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如 C 和 C++ 。 在计算要求相同的情况下，使用 MATLAB 的编程工作量会大大减少。MATLAB 的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅立 叶变换的复杂函数。 函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和线性方程组 的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅立叶变换和数据 的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函 数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。 MATLAB 自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩 阵用图形表现出来， 并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二 维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程 绘图。新版本的 MATLAB 对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使8第 1 章 绪论它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能 （例如二维曲线和三维曲面的绘 制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图 形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等） ，MATLAB 同样表现了出 色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB 也有相应的功能函数， 保证了用户不同层次的要求。 另外新版本的 MATLAB 还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊 要求的用户也可以得到满足。 MATLAB 对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一 般来说， 它们都是由特定领域的专家开发的， 用户可以直接使用工具箱学习、 应用和评估不同的方法而不需要自己编写代码。目前，MATLAB 已经把工 具箱延伸到了科学研究和工程应用的诸多领域， 诸如数据采集、 数据库接口、 概率统计、样条拟合、优化算法、偏微分方程求解、神经网络、小波分析、 信号处理、图像处理、系统辨识、控制系统设计、LMI 控制、鲁棒控制、模 型预测、模糊逻辑、金融分析、地图工具、非线性控制设计、实时快速原型 及半物理仿真、嵌入式系统开发、定点仿真、DSP 与通讯、电力系统仿真等， 都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 编译器和 C/C++数学库和图形 库，将自己的 MATLAB 程序自动转换为独立于 MATLAB 运行的 C 和 C++ 代码。 允许用户编写可以和 MATLAB 进行交互的 C 或 C++语言程序。 另外， MATLAB 网页服务程序还容许在 Web 应用中使用自己的 MATLAB 数学和图 形程序。MATLAB 的一个重要特色就是具有一套程序扩展系统和一组称之 为工具箱的特殊应用子程序。工具箱是 MATLAB 函数的子程序库，每一个 工具箱都是为某一类学科专业和应用而定制的，主要包括信号处理、控制系 统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。 在开发环境中， 使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面 支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和 处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 进行连接。 MATLAB 系统由 MATLAB 开发环境、 MATLAB 数学函数库、 MATLAB9燕山大学本科生毕业设计（论文）语言、MATLAB 图形处理系统和 MATLAB 应用程序接口（API）五大部分 构成。 MATLAB 开发环境是一套方便用户使用的 MATLAB 函数和文件工具集， 其中许多工具是图形化用户接口。它是一个集成的 用户工作空间，允许用 户输入输出数据，并提供了 M 文件的集成编译和调试环境，包括 MATLAB 桌 面、命令窗口、M 文件编辑调试器、MATLAB 工作空间和在线帮助文档。 MATLAB 数学函数库包括了大量的计算算法。从基本算法如加法、正弦， 到复杂算法如矩阵求逆、快速傅里叶变换等。MATLAB 语言是一种高级的 基于矩阵/数组的语言，它有程序流控制、函数、数据结构、输入/输出和面 向对象编程等特色。图形处理系统使得 MATLAB 能方便的图形化显示向量 和矩阵，而且能对图形添加标注和打印。它包括强大的二维三维图形函数、 图像处理和动画显示等函数。MATLAB 应用程序接口（API）是一个使 MATLAB 语言能与 C、Fortran 等其它高级编程语言进行交互的函数库。该 函数库的函数通过调用动态链接库（DLL）实现与 MATLAB 文件的数据交 换，其主要功能包括在 MATLAB 中调用 C 和 Fortran 程序，以及在 MATLAB 与其它应用程序间建立客户、服务器关系。1.4.1 MATLAB 发展状况重新设计 PC 机，提供更容易管理的多份资料的，使数字，那些用户布 局能以快捷方式对通常使用命令,达到更容易的观看，编辑，以及你的变量 阵列编辑器和工作区浏览器当前目录浏览器工具，让你从效率，从属性和代 码新的报导扫描你的代码分析器帮助你为最大的性能和可修改性修改你的 代码,提高编辑，包括执行 M 代码的个别的部分的能力，对多形式和最精彩 场面 HTML，C/C++和 Java 出版。 在命令行或者在手稿里确定单个行的函数的匿名的函数。 当任何表示是 真实的时，有条件的休息点，让你停止。块意见出于记分员可发表意见的一 个代码的整个部分。数学整数算术，让你处理更大的整数数据集合。单精度 运算，线性代数，FFT 和过滤，使你能够处理更大的单精度数据集合。更坚 固的计算几何学程序使用 Qhull.1，给更大的对算法选择的控制。linsolve 功10第 1 章 绪论能，使你能够迅速通过指定系数的基体的结构解决线性方程序的系统和 multipoint 边值问题。 MATLAB 产品系列重要功能 ?MATLAB?: MATLAB 语言的单元测试框架 ?Trading Toolbox?: 一款用于访问价格并将订单发送到交易系统 的新产品 ?Financial Instruments Toolbox?: 赫尔-怀特、线性高斯和 LIBOR 市场模型的校准和 Monte Carlo 仿真 ?Image Processing Toolbox?: 使用有效轮廓进行图像分割、对 10 个函数实现 C 代码生成，对 11 个函数使用 GPU 加速 ?Image Acquisition Toolbox?: 提供了用于采集图像、深度图和框 架数据的 Kinect? for Windows?传感器支持 ?Statistics Toolbox?: 用于二进制分类的支持向量机 (SVM)、用 于缺失数据的 PCA 算法和 Anderson-Darling 拟合优度检验 ?Data Acquisition Toolbox?: 为 Digilent Analog Discovery Design Kit 提供了支持包 ?Vehicle Network Toolbox?: 为访问 CAN 总线上的 ECU 提供 XCP 支持 Simulink 产品系列重要功能 ?Simulink?: Simulation Performance Advisor，链接库模块的封装， 以及通过逻辑表达式控制有效变量 ?Simulink: 除 LEGO? MINDSTORMS? NXT、Arduino?、 Pandaboard 和 Beagleboard 外，还为 Raspberry Pi? 和 Gumstix? Overo? 硬件提供了内置支持 ?SimRF?: 针对快速仿真和模型加载时间的电路包络求解器 ?SimMechanics?: 发布了用于从 CAD 和其他系统导入模型的 XML 架构 ?Simulink Design Verifier?: 数组超出边界检查 MATLAB 和 Simulink 的系统工具箱11燕山大学本科生毕业设计（论文）?Communications System Toolbox?: Sphere 解码器和 Constellation 框图系统对象 ?Computer Vision System Toolbox?: Viola-Jones 对象检测培训， FREAK 特征提取和其他新函数 ?DSP System Toolbox?: 频谱分析仪和逻辑分析示波器，以及时域 示波器的触发 ?Phased Array System Toolbox?: 极化支持、数组锥化以及针对传 感器数组分析、波形分析和雷达方程计算的应用程序 代码生成和实现 ?Simulink Coder?: 减少了从 Stateflow? 调用的 Simulink 函数 的数据副本 ?Fixed-Point Designer?: 一款结合了 Fixed-Point Toolbox? 和 Simulink Fixed Point? 功能的新产品 ?HDL Verifier?: 从 MATLAB 生成 HDL 测试工作台1.5 本章小结本章主要介绍了本课题基于的背景和同步电机的分裂以及各种电机所 达到的最高水平， 同时介绍了矢量控制的基本原理，在最后列出了本课题的 一些基本内容。12第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理2.1 永磁同步电机的数学模型本系统采用的电机是凸极面贴式永磁同步电机，其物理模型如图 2.1 ? 所示， 其中 f 为永磁磁极产生的与定子交链的磁链，? 是转子磁链与定子 A 相绕组轴线之间的电角度。永磁同步电机运转时其定子与转子处于相对运动状态， 永磁磁极与定子 绕组， 定子绕组与转子之间的相互影响，导致永磁同步电机内部电磁关系十 分复杂， 再加上磁路饱和等非线性因素，给建立电机的数学模型带来了很大 的困难[11]。为了简化永磁同步电机的数学模型，我们做以下假设： 1）忽略电机磁路中铁心的磁饱和； 2）不计铁心的涡流损耗与磁滞损耗； 3）定子电枢绕组的空载电势是正弦波； 4）转子上无阻尼绕组； 5）永磁材料的电导率为零。 永磁同步电机矢量控制中要用到的坐标系分为两大类： 一类是静止坐标13燕山大学本科生毕业设计（论文）系，包括三相 A、B、C 坐标系和两相 ? , ? 坐标系；另一类是旋转坐标系， 常用的是两相 d, q 坐标系。 在功率不变的条件下， 可以将永磁同步电机的各个物理量在静止的三相 A、B、C 坐标系和旋转的两相 d, q 坐标系之间进行相互转换，所用到的变 换公式为?id ? ?i A ? ? ? ? ? ?iq ? ? C ?iB ? ? ?i ? ?iC ? ? ? ?0?? ? cos ? ? 2 ? ? sin ? 3? ? 1 ? 2 ?cos ?? ? 1200 ? ? sin ?? ? 1200 ? 1 2? cos ?? ? 1200 ? ? ?i ? ? A 0 ? sin ?? ? 120 ? ? ?iB ? ?? ? 1 ? ? ? ?iC ? ? 2 ?(2-1)其逆变换为? cos ? ? sin ? ? ? 2? cos ?? ? 1200 ? ? sin ?? ? 1200 ? 3? ? ? 0 0 ? cos ?? ? 120 ? ? sin ?? ? 120 ? ? 1 ? ? 2 ? ?i ? d 1 ?? ? ?iq ? 2 ?? ? ? i 1 ?? 0 ? ? 2??i A ? ?i ? ? C T ? B? ?iC ? ? ??id ? ? ? ?iq ? ? ?i ? ?0?(2-2) 式中， i0 为电机的零序电流分量。因永磁同步电机的中心点不接地， 所以有i0 ?1 ?ia ? ib ? ic ? ? 0 3(2-3)为简化分析、降低方程系数，本文采用基于 d ?q 同步旋转坐标系下的 数学模型。 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的磁链方程和电压方程可分别 表示为：??d ? ? Ld ?? ? ? ? 0 ? q? ?0 ? ?id ? ?? f ? ? Lq ? ?iq ? ?0 ? ?? ? ? ?14(2-4)第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理? ?e ? ??d ? ? ? p ? ?? q ? (2-5) ? ? i u 式? d 和 q 分别为定子电流、电压和磁链在 d 轴和中 i d 、 q 、u d 、 q 、q 轴 L 上的分量； Ld 和 q 分别为直轴同步电感和交轴同步电感； ?e 为电机电角 速度且 ?e ? pn?r （ p n 为电机极对数，? r 为电机机械角速度） P 为微分 ； p?d dt ； RS 表示定子电阻。 操作数，且 ?ud ? ? RS ?u ? ? ? ? q? ? 0 0 ? ?id ? ? p ? ?? RS ? ?iq ? ??e ? ?由上面的公式可以推导出： 1、电压方程ud ? RS id ? Ld pid ? ?e Lq iq（2-6） （2-7）uq ? RS iq ? Lq piq ? ?e Ld id ? ?e? f2、磁链方程?? d ? Ld id ? ? a ? ? ? ? q ? Lq iq ?式中，?a ?2 ?f 3 ,? f 是永磁磁极产生的与定子交链的磁链。(2-8)3、转矩方程Te ? p? d id ?? q iq ? ? p ? a iq ? ?Ld ? Lq ?id iq ? 式中， p 为转子极对数。4、运动方程Te ? Tl ? J d? P dt??（2-9）（2-10）2.2 电压空间矢量控制（SVPWM）传统的 SPWM 的控制目的是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，但是 忽略了电流波形。然而，我们控制电机的最终目的是产生圆形旋转磁场，从 而产生恒定的电磁转矩。 根据这一目标， 把逆变器和交流电机视为一个整体， 按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器工作，这种控制方法称为磁链跟踪控 制， 磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，又称电压空间矢量15燕山大学本科生毕业设计（论文）PWM 控制。 SVPWM 控制模式具有以下一些特点[11]： 1）逆变器的一个工作周期内分成 6 个扇区，每个扇区相当于常规六拍 逆变器的一拍。 为了使电机旋转磁场逼近圆形，每个扇区再分成若干个小区 T0 。 T0 越短，旋转磁场越接近圆形，但 T0 的缩短受到功率开关器件所允 间 许开关频率的制约。 2）在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换都只涉及一 个功率开关器件，因而开关损耗较小。 3）每个小区间均以零电压矢量开始，又以零电压矢量结束。 4）利用电压空间矢量直接生成三相 PWM 波，计算简便。 5）采用 SVPWM 控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压， 这比一般的 SPWM 逆变器输出电压提高了 15%。2.2.1 空间矢量的定义V 电压空间矢量是按照绕组所加电压的空间位置来定义的。 aVbVc 为电角 度互差 120°的三相电压， 其矢量相加的空间合成矢量 VS 是一个旋转的空间矢量，并且幅值不变，是相电压的 3/2 倍[11]。在电源频率不变条件下，合 成的电压矢量 VS 以电源角频率 ?1 为电气角度作恒速旋转。某一相电压为最 大值时，合成电压矢量 VS 就落在该相轴线上。 当交流电机由理想的三相正弦电源供电时，有? u sA ? ?u ? ? ? sB ? ?u sC ? ? ?? ? ? ? cos? s t ? ? 2U L ? 2 ?? ? cos? ? s t ? ? ? 3 ?? 3 ? ? ? ? 4 ?cos? ? s t ? ? ?? ? ? 3 ?? ? ? ? ?UL 3（2-11）式中，U L 为电源线电压的有效值； 电源电压的角频率, ?S ? 2?f s 。为电源相电压的有效值；? S 为由于三相异步电动机的定子绕组矢量空间上互差 120 分布， 定义电压空间矢160第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理量为2 4 j ? j ? ? ? U S ? k ?U sA ? U sB e 3 ? U sC e 3 ? （2-12） ? ? ? ? 式中， U S 为电压空间矢量，考虑到不同的变换，k 可以取不同的值，如果 功率不变，则电压电流幅值不变等。 为使合成空间矢量在静止三相坐标轴上的投影和分矢量相等，可以将 k 值 取为 2/3， （这也是 Park 变化所采用的系数） 。所以电压空间矢量可以表示 为 2 4 j ? j ? ? 2? 3 U S ? ?U sA ? U sB e ? U sC e 3 ? (2-13) ? 3? ? ? 将（2.11）式中的值代入式（2.13）可得理想电压下电压空间矢量 2?3 ? （2-14） U S ? ? U m e ? j?t ? ? U m e ? j?t 3?2 ? 2U L 式中， U m ? ； 可见理供电情况下，合成磁链空间矢量为幅值不变 3 的圆形旋转矢量。与电压空间矢量相类似，定义磁链空间矢量为 2 4 j ? j ? ? 2? ? S ? ?? sA ? ? sB e 3 ? ? sC e 3 ? （2-15） ? 3? ? ? 式中， ? S 为磁链空间矢量，? sA ,? sB ,? sC 分别为电机三相磁链矢量的模值。2.2.2 SVPWM 的原理图 2.2 中六个功率开关器件都以开关符号代替，其中的逆变器采用上、 下管纵向换流，功率开关器件共有 8 种工作状态，如把上桥臂器件导通用 “1”表示，下桥臂器件导通用 “0”表示，则 8 种状态按照 ABC 相序依次 排列时可分别表示为 100，110，010，011，001，101 以及 111 和 000。同 ? ? 时也就构成了八种电压空间矢量 V1 ?001? , V2 ?010? , V3 011 ,? ? V4 ?100? , V5 ?101 , V6 ?110? , V0 ?000? , V7 ?111 ,图 2.3 所示。17燕山大学本科生毕业设计（论文）VT1VT3VT 5UdM3~VT4VT6VT 2图 2.2 三相逆变器-异步电动机调速系统主电路原理图bV 2 ( 010 )ImV6 (110 )V 3 ( 011 )V 7 (111 )V0 (000 )V 4 (100 )aV (001 ) 1V (101 ) 5c图 2.3 基本电压空间矢量 如图 2.3 所示，除了 2 个零矢量之外，其余 6 个非零矢量均匀地分布2 Ud 在复平面上。如图 2.4，这 6 个模为 3 的矢量将复平面分为 6 个扇区，18第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理对于任意扇区的空间矢量 VK 都是由该扇区两边的电压空间矢量合成的。如 果 VK 在复平面上旋转，就得到了三相对称的正弦量[6]。但是受到开关频率 和适量组合的限制， VK 只能以某一速度旋转，从而使矢量轨迹为一个类 似圆形的多边形轨迹，当 PWM 的开关频率越高，就轨迹越接近圆形。IaV2 (010 )V6 (110) VkV3 (011 )V 7 (111 ) V0 (000 )ReV4 (100 )V1 (001)V5 (101 )图 2.4 空间矢量的扇区分布 对于每一个电压空间矢量，可由图 2.4 求出各相的电压值，再将各相 的电压值代入，可以求得电压空间矢量的位置。下面以开关状态 ?S A S B SC ? ? ?100? 为例，即开关 VT1 ,VT2 ,VT6 导通，其余关断。逆变电路的形 式可以变为 B 相和 C 相并联后再和 A 相串联的形式，易得 2 1 1 U sA ? U d ,U sB ? ? U d ,U sC ? ? U d 。将其数值代入，可得 3 3 32 U S ? U d e j0 。 3采用同样的方法可以得到如表 2.1 所示的逆变器空间电压矢量。定子电压 表 2.1 不同开关状态对应的空间矢量表 开关状态 A相 B相 C相19矢量表达式燕山大学本科生毕业设计（论文） 空间矢量U0U1 U2S A S B SC 0000010000j ? 2 Ude 3 3 2 j ? 2 Ude 3 3 2 U d e j? 3 2 U d e j0 3 5 j ? 2 Ude 3 3 1 j ? 2 Ude 3 3 0 41 ? Ud 3 1 ? Ud 3 2 ? Ud 3 2 Ud 3 1 Ud 3 1 Ud 3 01 ? Ud 3 2 Ud 3 1 Ud 3 1 ? Ud 3 2 ? Ud 3 1 Ud 3 02 Ud 3 1 ? Ud 3 1 Ud 3 1 ? Ud 3 1 Ud 3 2 ? Ud 3 0010011U3U4100101U5 U6 U71101112.2.3 SVPWM 的合成如图 2.4 所示，如果 VK 在 III 区，就 可以通过 V4,V6 ,V0 ,V7 来合成， 根据矢量合成法则有：T4V4 ? T6V6 ? VK T开关周期。 T0.7 为零矢量 V0.7 的作用时间，则：(2-16)式中， T4 ,T 6 为矢量 V4 ,V6 在一个开关周期中的持续作用时间；T 为 PWMT4 ? T6 ? T0,7 ? T(2-17)VK ?T T4 V4 ? 6 V6 ? VK cos ? ? VK sin ? T T(2-18)在 ? ? ? 平面中， T V? ? 6 V6 cos 30 0 T20（2-19）第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理V? ?T6 T V6 sin 30 0 ? 4 V4 T T(2-20)2 V6 ? V4 ? Vdc 3(2-21)由式（2.19） 、式（2.20） 、式（2.21）得：? 3V? T ?T6 ? Vdc ? ? 3T ? (2-22) T4 ? ( 3V? ? V? ) ? 2Vdc ? 当合成矢量 VK 位于其他扇区时，亦可以通过以上算法计算出相邻两个矢量的作用时间，依据以上算法不难发现，无论在哪个扇区，矢量作用时间 都是一些固定值的组合。所以定义三个基本的时间变量 X , Y , Z 。? ?X ? ? ? ? ? ? ? ? ?Y ? ? ? ? ? ? ? ? ?Z ? ? ? ?3V? T Vdc 3 3 ? V? ? V? ?T 2 2 ? ? 3 3 ? V? ? V? ? 2 2 ? ?VdcVdc(2-23)假如每个扇区的矢量作用时间按照矢量标号顺序从小到大依次为 T1 , T2 则可以得六个扇区的矢量作用时间，如表 2.2 所示。表 2.2 每个扇区矢量和 X ,Y ,Z 的关系作用时间 1 2 T ,T 扇区ⅠⅡⅢ?ZⅣ?XⅤⅥ?Y ?ZT1Z YY?XX?YT2XZ21燕山大学本科生毕业设计（论文）在实际过程中会出现若给定电压过大，就会出现过调制现象，即 T1 ? T2 ? T ,对此，过调制时，我们采用式（2.24）对 T1 , T2 进行调整。T1 ? * ?T1 ? T ? T * T ? 1 2 ? ?T * ? T2 * T ? 2 T1 ? T2 ?* T1 , T2 为调整后的矢量作用时间。*（2-24）2.2.4 SVPWM 的扇区判断 如图2.4 所示，可以采用下面的公式来对扇区进行判断，在 扇区判断时，引入三个变量A、B、C：? V? ? 0 A ? 1 else A ? 0 ? ? 3V? ? V? ? 0 B ? 1 else B ? 0 ?? 3V ? V ? 0 C ? 1 else C ? 0 ? ? ?(2-25)设电压空间矢量所在的扇区位置为N ,则N = 4C + 2B + A由 此，我们可以得到扇区判断表，如表2.3 所示C 赋值 表 2.3 电压空间矢量扇区判断表 B 赋值 A 赋值 N 扇区3V? ? V? ? 0C=1 否则 C=0 0 0 1 1 1 13V? ? V? ? 0B=1 否则 B=0 1 0 0 0 0 1V? ? 0A=1 否则 A=0 1 1 1 0 0 1N ? 4C ? 2 B ? AⅢ Ⅰ Ⅴ Ⅳ Ⅵ Ⅱ2.2.5 七段式 SVPWM 的实现由于每个 PWM 周期被分为七段，所以每个矢量作用时间也有所调整， T 这里， 0 ? ?T ? T1 ? T2 ? 引入三个时间变量, Ta , Tb , Tc ，并定义 2 T7? ?T ? T1 ? T2 ? ?Ta ? 4 ? Tb ? Ta ? T1 2 ? ? T Tc ? Tb ? 2 ? 2 ?22第 2 章 永磁同步电机数学模型及矢量控制原理(2-26) 在六个扇区中由于作用的矢量不同所以输出 PWM 的翻转时刻也不同， 但都要满足每个周期每个开关最多动作两次的原则[5]。在每个扇区内的比较 值如表 2.3 所示，这就是比较单元的值。这样利用三个比较寄存器 CMP1,CMP2,CMP3 和定时器 T1 就可以实现七段 SVPWM，具体流程如下，将表 2.4 中的比较值送入比较寄存器，让计数器从 0 开始计数，从 0 增加到 T / 2，再从 T / 2 减小到 0，同时将计数器的值 TX 和比较寄存器的值相比较， 遵循以下规则： 若 Tcm1& TX ,则 PWM1=1 否则 PWM1=0 若 Tcm2& TX ,则 PWM3=1 否则 PWM3=0 若 Tcm3& TX ，则 PWM5=1 否则 PWM5=0 而 PWM2，PWM4，PWM6 为 PWM1，PWM3，PWM5 的互补输出，这样就可以 实现七段式的 SVPWM。现以第Ⅲ扇区为例，给出比较示意图 2.5。扇区 CMP1 CMP2 CMP3 Ⅰ 表 2.4 每个扇区的比较值表 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ ⅥTb Ta TcTc Tc TbTc Tb TcTa Tb TaTa Ta TbTb Tc Ta2.3 本章小结本章主要介绍了永磁同步电机的建模方法和 PWM 原理以及合成方法。首先，介绍了 永磁同步电机模型的建立方法，在文中还给出了化简的方法和过程。文中还附有永磁 同步电机的模型图。之后，详细介绍了 PWM 的原理，重点介绍了 3 变换， 2 s22r变换和他们的你变化也给出了变换的公式以及化简结果。23燕山大学本科生毕业设计（论文）第 3 章 基于 MATLAB 的永磁同步电机矢 量控制系统模块设计磁场取向控制技术是以坐标变换为基础的， 因而通常它又称为矢量变换 I d ? 0 磁场取向控制技术在 PMSM 的矢量控制 控制技术。 3.1 给出了基于 图 系统中的框图。V dcn0?? isdrefi ? PI sqref ? ? ? 0?PI PI??Vsqref?Vsdrefdq ? ??Vs?refVs?ref?VqS V P W Mis?3相 触发ua ub uc前 馈i sqiaabc ? ??i sd?? ? dqis?ibVnd?e为主和转速 观测PMS M图 3.1 PMSM 的矢量控制原理图 按照图 3.1 所示，搭建 MATLAB 仿真框图。框图大概构成为：首先 借助 MATLAB/Simulink 中 busselector 图标将三相电枢绕组中任意两相的 电流瞬时值 ia , ib 导出，然后，通过两个静止坐标系之间的 Clark 变换，即把 a ?b ?c 三轴坐标系内的物理参数变换成α ? β 直角坐标系内的物理参 i 数， 求得 is? 和 s? [12]； 继而， 通过静止坐标系和旋转坐标系之间的 Park 变换， 即把静止的α ? β 直角坐标系内的物理参数变换成旋转的 d ?q 直角坐标 i i i i 系内的物理参数，获得 isd 和 sq 。电流 isd 和 sq 与设定的参考电流 sdref 和 sqref 相比较， 并借助 PI 电流控制器对其进行校正； 接着与前馈电压合成； 然后， Vsdref Vsqef Vs?ref 通过 Park 逆变换，把 PI 电流控制器的输出 和 变换成 和 Vs?ref ；最后，借助电压空间矢量技术，把新的定子电压矢量施加给永磁同 步电机的三相电枢绕组。 为了控制电动机的机械旋转速度，可以增设一个外24第 3 章 基于 MATLAB 的永磁同步电机矢量控制系统仿真环， 把实测得到得转速与参考转速进行比较，并以此来驱动和调节参考电流 i 和 sqref [13]。3.1 基于 MATLAB 的 SVPWM 仿真SVPWM 的仿真是根据上一章的原理来搭建的。下面给出 SVPWM 各 部分的 MATLAB 框图。SVPWM 的 MATLAB 仿真主要有以下几个部分： 1） 扇区判断仿真框图； 2） 参数 X ,Y ,Z 的形成框图； 3） 矢量作用时间仿真框图； 4） 扇区比较值仿真框图； 5） cm T 与三角波比较框图。3.1.1 扇区判断部分的 Simulink 框图扇区判断根据矢量图上六个扇区的分布特点利用数学公式进行判断从 而得到扇区的位置，依据这样的原理可以得到如下的 Simulink 框图，如图 3.2 所示[16]。图 3.2 扇区判断框图25燕山大学本科生毕业设计（论文）3.1.2 参数 X ,Y ,Z 形成的 Simulink 框图 参数X ,Y ,Z 在矢量作用时间中提出来的，由于每个扇区的 矢量作用时间的公式表达中都有相同的部分，所以为了表示的方 便提出用它们来表达，根据公式可以得到下面框图，如图3.3 所 示[16]。图3.3参数X ,Y ,Z 形成框图3.1.3 矢量作用时间的 Simulink 框图在完成了 X ,Y ,Z 的数学表达后，根据不同扇区矢量作用时间的不同， 通过多开关选择器选择出对应扇区的矢量作用时间，为了防止过调制，加入 了过调制处理环节，具体框图如图 3.4 所示[17]。26第 3 章 基于 MATLAB 的永磁同步电机矢量控制系统仿真图 3.4 矢量作用时间的框图3.1.4 扇区比较值 Simulink 框图扇区比较值部分是通过数学计算得到 Ta , Tb , Tc , 然后根据不同的扇区矢 量作用的不同通过多开关选择器选择合适的 Ta , Tb , Tc , 从而得到 Tcm1 , Tcm2TCM 3 最后可以得到如图 3.5 的扇区比较值框图[16]。图 3.5 扇区比较值框图27燕山大学本科生毕业设计（论文）3.2 本章小结本章主要介绍了矢量控制的基本原理以及其在 MATLAB 仿真中的实现 方法并且给出了其在 MATLAB 中的具体电路。28第 4 章参数计算第 4 章参数计算在基于 MATLAB 的永磁同步电机矢量控制仿真中需要进行多次的坐 标变换，其中包括三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换，即 3 s /2 两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换，即 2 s /2以及它们的反变 换等[18]。下面给出了它们在 MATLAB 中的框图。 基于 I d ? 0 的永磁同步电机矢量控制系统仿真 基于 I d ? 0 的永磁同步电机矢量控制系统仿真整体框图图中包括了 SVPWM、坐标变换等框图。 永磁同步电机的电机参数如表 4.1 所示。表 4.1 永磁同步电机电机参数 功率 定子电阻 定子直轴电感 Ld 定子交轴电感 Lq 定子相电感 LS 极对数 P 电机摩擦系数1360 W 0.78? 8.5mH4.5mH8.5mH30.4044.1 调节器设计根据偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）进行控制（简称 PID 控制） ， 是控制系统中应用最广泛的一种控制规律[19]。 实际运行的经验和理论的分析 都表明， 运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意 的效果。 自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器组成 计算机控制系统，不仅用软件实现 PID 控制算法，而且可以利用计算机的 逻辑功能，使 PID 控制更加有效[20]。 PI 调节器构成的滞后校正可以保证稳态精度，一般调速系统的要求以 动态稳定性和稳态精度为准，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用29燕山大学本科生毕业设计（论文）PI 调节器[20]。4.1.1 常规 PI 控制器的设计在矢量控制系统中，PI 调节器参数选择的好坏直接影响到电机的静态 和动态性能。它主要用于跟踪反馈量的偏差，对控制量进行调节，其控制规 律为：? ? 1 t u ?t ? ? K p ?e ?t ? ? ? e?t ?dt? （4-1） Ti 0 ? ? 采用 DSP 器件后， 可以用数字 PI 调节实现模拟调节的功能。模拟调节的数字化，实质上是用差分方程去逼近微分方程，对其进行数字模拟，式 （ 3-1）经离散化后可以得到离散的 PI 算法为：u?KT ? ? K p e?KT ? ? K pi ? e? j ?j ?0K式中 K 为采样序号 u?KT ? 为第 K 次采样时刻的控制器输出值， e?KT ? 为第 K 次采样时刻的输入值，积分系数 K pi ? K p(4-2)T T 。 为采样周期。要保 Ti证足够的精度，在离散化的过程智能光， T 必须足够短[21]。由式（4-2）可 以看出在使用过程中系统运算工作量大，需要累加偏差 e?KT ? ，不仅占用较 多的存储单元， 而且会造成误差累积， 影响控制系统的性能， 因此将式 （4-2） 进行改进得到相邻两次采样之间输出量的变化：?u?KT ? ? u?KT ? ? u?KT ? T ? ? K p ?e?KT ? ? e?KT ? T ?? ? K i e?KT ?从而得到数字 PI 调节器的差分方程为：(4-3)u?KT ? ? u?KT ? T ? ? K p ?e?KT ? ? e?KT ? T ??? Ki e?KT ?(4-4)30第 4 章参数计算其中 K i ? K pT 为积分系数。 Tl4.1.2 PI 控制器的参数设定第二章中给出了永磁同步电机的数学模型， 从电压方程和转矩方程的表 达式可以看出，永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象， 为了便于分析和控制，需将永磁同步电机模型进行必要的简化[22]。 采用 id ? 0 矢量控制时，由第二章的电压方程和转矩方程可得永磁同步 电机的状态方程为：? diq ? ? ?rs ? ? ?L ? dt ? ? ? q ? d ?r ? ? K i ? dt ? ? J ? ? ? ? u ? sq ? ? ?? r ? Lq ? ? isq ? ? Lq ? ? ?? ??? ? ??r ? ? ?Tl ? 0 ? ? ? ? ? J ?(4-5)式中： J → 为转子和所带负载的总的转动惯量. 由永磁同步电机的状态方程经过拉普拉斯变换可得 s 域的数学模型， 由 s 域的表达式可得到永磁同步电机的等效模型框图。 假设粘滞系数 B = 0 , 如图 4.1 所示。 在实际设计中双闭环交流调速系统中传递和电流 PI 调节器初始参数 的设计往往用调节器的工程设计方法来取得[23]。在设计时，只要把实际系统 校正或简化为典型系统， 就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设 计过程要简便许多。31燕山大学本科生毕业设计（论文）u xq?Tl?1 Lq s ? rsisqKl??1 JS?r?r图 4.1 s 域永磁同步电机数学模型（1）电流环 PI 控制器的设计 电流环的主要作用是： 实现快速的动态响应，保持电流在动态响应过程 中不出现过度超调[24]。 在突加负载时不希望有超调或超调越小越好，为此可 以把电流环校正成典型Ι 图 4.2 所示。 典型 I 型系统传递函数为： K W ?s ? ? s ?Ts ? 1? PI 型电流调节器的传递函数为： 型系统[24]。电流环采用 PI 控制，其控制框图如(4-6)W ACR ?s ? ?k i ?? i s ? 1? ?is为使控制器的零点对消控制对象的较大的时间常数，选择:Tm ? Lq rs（4-7） ? i ? T,m(为电磁时间常数),则式中 T ? Ts ，KsK?Ki K sRs? i，所以Ki ?KR s? i。在超调量 ? % ? 5% 时，可取阻尼比 ? ? 0.707 , KT ? 0.5 ，Ki ? R s? i 2 K sT因此， K ? 0.5T ，从而得到。代入数值即可求得 K i ,? i 。32第 4 章参数计算isqref??Ki?is ?is ?1usqTl??Ks Ts s ? 1r s sq Tm s ? 11iKl??1 JS?r?r图 4.2 具有 PI 电流控制器的结构图（2）速度环 PI 控制器的设计 速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制波动[25]。 电流环的传递函数为：W ?s ? ?1 T 2 s s ? ?1 K K(4-8)转速环的截止频率一般比较低。因此电流环传递函数可降阶近似为：W ?s ? ?1 1 s ?1 K?1 2Ts ? 1（4-9）在上述电流调节器设计的基础上，控制器采用 PI 控制的速度环结构如 图 4.3 所示。33燕山大学本科生毕业设计（论文）Tl?*??? s ?1 Km m ?ms1 2Ts ? 1isqKl??1 JS?r图 4.3 速度环结构 将转速环校正成典型 II 型系统，速度控制器采用 PI 控制。系统的开 环传递函数为： K K ?? s ? 1? W ?s ? ? n l n ? n Js?2Ts ? 1? 根据典型 II 型系统设计的要求，系统参数设计的公式为：(4-10) (4-11)? n ? h * 2TKn ? h ?1 J * 2h 2TK l（4-12）取 h ? 5 。代入数据可以求得 ? n 和 K n 的数值。4.2 本章小结本章主要介绍了仿真中最主要的 PI 调节器参数的计算。简介了一下 PI 调节器重点论述了 PI 调节器参数得计算方法[26]，主要是将电流环或速度环 化为经典环节。再根据系统的各项指标计算出各参数。34第 5 章仿真结果与分析第 5 章 仿真结果与分析5.1 仿真分析在本文中，作者对电机的转速波形、转矩波形、电机定子线电流波形进 行了测量，通过示波器的测量得到以下波形。图5.1 整体仿真图35燕山大学本科生毕业设计（论文）图5.2 定子电流图图5.3 转速图36第 5 章仿真结果与分析图5.4 转矩图图5.5 I d , I q 波形37燕山大学本科生毕业设计（论文）图5.6 相角图 通过以上波形可以看出，电机在通电以后转矩很快回到0且稳定，在 0.5S转矩突变为 0.5 N.m 时转速有一个突然下降的过程[27]，但是下降小于稳 定转速的百分之五， 满足要求， 并且在转矩不变条件下很短时间内就可以恢 复到原转速且稳定。 在初始阶段，电压突然给定后。由于转速不能突变，反向电压就无法 立刻建立，此时电压差极大，转矩除扰动外也为0[28]。这段极短的时间内相 当于全压启动， 转速趋于直线上升， 在达到稳定值后会继续上升出现一定的 超调。 但是， 双闭环很快发挥它的作用使转速稳定于给定值， 反向电压建立， [29] 双闭环控制系统供给的电流是由后面的负载所需决定的 。之后定子电压 基本为0。 在开始阶段电机处于空载状态。此时，电机只需克服空载转矩，总转 矩极小（如转矩图所示）[30]。本文的控制系统采用的是双闭环控制系统， 供给的电流是由后面的负载所需决定的， 所以在开始阶段定子三相电流非常 接近于0，转速依然稳定于原始值不变。 在突加转矩后， 由于电机有负载且双闭环控制系统供给的电流是由后 面的负载所需决定的，所以定子电流立即建立起。但是，由于负载的作用转 速有一个波动，由于反向电压的作用很快又稳定于原始值不变。 在转矩不变情况下三相电流稳定成正弦波。 由于突加转距后需要克服 外加转矩这时转速有一个下降的过程，所以反向电压减小[31]，转速又返回 原来的转速且稳定不变。实现了双闭环的效果。 波形总体体现了双闭环的高稳定性和很强的抗扰性能， 在土家转矩时 可以看出。双闭环矢量控制大致上可以获得类似于他励直流电机的特性。38第 5 章仿真结果与分析5.2 本章小结本章给出了仿真的具体波形以及分析。 波形总体体现了双闭环的高稳定 性和很强的抗扰性能， 在土家转矩时可以看出。双闭环矢量控制大致上可以 获得类似于他励直流电机的特性。39燕山大学本科生毕业设计（论文）结论本文首先在查阅了大量国内外参考文献的基础上对永磁同步电机研究 现状有了系统的认识， 然后通过对参考文献的认真研读，对各种控制策略和 各种控制方法的优缺点有了深入的理解， 最后在此基础上选择基于 I d ? 0 的 转速、电流双闭环控制方式作为本文的控制方案，采用电压空间矢量作为 PWM 调制方法。通过仿真验证，取得了比较理想性能指标。主要进行了一下 工作： 1 叙述了国内外永磁同步电机的发展状况并分析了永磁同步电机在?a, b, c ? 坐标系、两相旋转坐标系 ?d, q ? 的数学模型数学模型，并推导了它的电压方程，转矩方程等。 2 根据 SVPWM 的基本原理，推导出磁链空间矢量和电压空间矢量的 关系。 在定子电阻电压可以忽略时， 设计了通过控制电压从而控制磁链的控 制算法。 分析了坐标变换原理包括三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换 及其反变换和两相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换及其反变换， 并推导 了它们的数学公式。 3 仿真研究： 构建了基于 MATLAB/Simulink 的永磁同步电机矢量控制 系统仿真模型，给定转速和逆变器的直流电压，调节 PI 参数，通过观察电 机的各项参数波形分析电机的动态性能。 4 仿真结果中用仿真波形验证了此方案的可行性， 实现了双闭环调速的 标准和优点。40参考文献参考文献[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出社,1997. [2] 叶金虎.现代无刷直流永磁电动机原理与设计[M].北京：科学出版 社,2007. [3] 王成元等.电机现代控制技术[M].北京：机械工业出版社,2006. [4] 王鑫,李伟力,程树康. 永磁同步电动机发展展望. 哈尔滨工业大 学,2007. [5] 窦汝振.高性能永磁交流伺服系统及其新型控制策略的研究[D].天 津大学博士学位论文，2002.12. [6] 陈敏俊.高性能永磁同步电动机矢量控制调速系统的研究. 浙江工 业大学硕士学位论文，2006.12. [7] 张剑. 无位置传感器永磁交流伺服系统控制策略的研究与实现. 天津大学硕士学位论文，2005.1. [8] 窦艳鹏. 基于 DSP 的交流永磁同步电机矢量控制调速系统. 内蒙 古大学硕士学位论文，2007.5. [9] 李路菁. 基于 DSP 的永磁同步电机伺服系统的研究. 南京航天航 空大学硕士学位论文，2005.3. [10] 吴茂刚. 矢量控制永磁同步电动机交流伺服系统的研究. 浙江大 学硕士学位论文，2006.6. [11] 徐立尉. 基于 DSP 的永磁同步电机矢量控制伺服系统研究. 广 东工业大学硕士学位论文，2007.5. [12] 张祺. 基于 dSPACE 的永磁无刷直流电机驱动控制系统设计与开 发. 电子科技大学.2007.5. [13] 于艳君,程树康,柴凤. 永磁同步电动机无传感器控制综述. 哈尔 滨工业大学, 2007. [14] 王微子. 基于 DSP 的永磁同步电动机转子初始位置检测. 上海 交通大学,2004. [15] 曾建安,曾岳南,暨绵浩. 永磁同步电机转子初始位置检测. 广东41燕山大学本科生毕业设计（论文）工业大学,2005.1. [16] Binns, K.; Jabbar, M.; Barnard, W. A rapid method of computation 1540. [17] Chalmers, B.J.; Musaba, L.; Gosden, D.F.Variable-frequency synchronous motor drives for electric vehicles[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1996(7): 896 一 903. [18] Chalmers, B.J.; Musaba, laminated rotor[J].IEEE L.Design and field-weakening Transactions on Industry performance of a synchronous reluctance motor with axially Applications,1998 (9): 1035 一 1041. [19] Todd D.Batzel. Electric Propulsion Using the Permanent Magnet Synchronous Motor Without Rotor Position Transducers[D],A Dissertation Submitted to Pennsylvania State University for the Degree of Doctor of Philosophy. [20] Thomas J. Vyncke, Ren?e K. Boel, Jan A.A.Melkebeek. Direct Torque Control of PermanentMagnet Synchronous Motors C An Overview [21] 刘栋良. 永磁同步电机伺服系统非线性控制策略的研究. 浙江大 学博士学位论文, 2005.3. [22] 牛洪海. 永磁同步电动机控制系统及控制方法研究. 浙江大学硕 士学位论文,2006.5. [23] 王春民,孙淑琴,安海忠等. 基于 DSP 永磁同步电动机矢量控制 系统的设计. 吉林大学,2008.7. [24] 李宁, 刘启新, 张丽华. 交流伺服电动机转子初始位置的精确测 定. 南京工程学院,2003.4. [25] 王伊. 永磁同步电动机转子位置检测策略的研究. 华中科技大学 硕士学位论文,2006.11.42ofthemagneticfieldofpermanentmagnets[J].IEEE Transactions on Magnetics ,1975(9): 1538 一参考文献[26] 郭熠. 永磁同步电动机转子初始位置检测方法. 天津大学电气与 自动化工程学院,2004. [27] 张智恩. 基于 TMS320F2812 DSP 的永磁同步电动机矢量控制系统 的研究与实现. 吉林大学硕士学位论文,] 张健峡. 基于 DSP 的 SVPWM 矢量控制变频调速系统的研究. 贵 州大学硕士学位论文,2006.5. [29] 尹永雷. 永磁同步电机矢量控制伺服系统研究. 华北电力大学硕 士学位论文,2005.12. [30] 刘栋良. 永磁同步电机伺服系统非线性控制策略的研究. 浙江大 学博士学位论文,2005.3. [31] 顾军. 基于 DSP 的永磁同步电机无传感器矢量控制系统研究. 南京航天航空大学硕士学位论文,2006.143燕山大学本科生毕业设计（论文）致谢在本论文完成之际，首先向尊敬的导师杨国良副教授表示衷心的感谢。 在毕业设计过程中，导师给我指明了研究的方向，提供了巨大的帮助，不再 加以赘述。在此，向导师表示最衷心的感谢和最崇高的敬意。 时光飞逝，四年的大学生活即将结束，在此毕业来临之际，感谢在大学 给过我帮助的老师和同学们。 同时也感谢给我最大支持和关爱的家人。没有 他们的帮助就没有今天的我。 最后，感谢各位老师在百忙中抽出时间对论文进行审阅。44附录附录 1 开题报告 燕 山 大 学本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：永磁同步电机矢量控制系统分析仿真学院（系） ：电气工程系 年级专业：09 级应用电子 学生姓名： 指导教师： 王兴龙 杨国良完成日期： 2013 年 03 月 23 日45燕山大学本科生毕业设计（论文）一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 在高性能的交流调速传动系统中，转子速度（位置）闭环控制往往是必 需的。为了实现转速（位置）反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与 电动机同轴安装的机械速度（位置）传感器来实现转子速度和位置的检测。 但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。 对此，许多学者开展了无速度（位置）传感器控制技术的研究，即利用检测 到的电动机出线端电量（如电机电压、电流） ，估测出转子的速度、位置， 还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度（位置）传感器 高性能交流传动系统。 该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感 器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流 电气传动技术发展的必然趋势。 交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。 电动机设计和 建模有了新的研究内容， 如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供 电系统方程的联解、 电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了 更详细地分析电动机内部过程， 如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论 应运而生。 随着 20 世纪 80 年代永磁材料特别是钕铁硼永磁的发展，永磁同 步电动机（Permanent-Magnet Synchronous Motor――PMSM）的研究逐渐热 门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度 都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。此外，开关变磁阻 理论使开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor――SRM）迅速发展， 开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似， 在加了转子位置闭环检测后可 以有效地解决失步问题，可方便地起动、调速或点控，其优良的转矩特性特 别适合于要求高静态转矩的应用场合。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的 被控对象，VVVF 控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制 效果很不理想。20 世纪 70 年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机 的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现 交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用 化。 目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力 机车牵引系统和数控机床中。 此外， 为了解决系统复杂性和控制精度之间的46附录矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤 其随着微处理器控制技术的发展， 现代控制理论中的各种控制方法也得到应 用， 如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态 性能，滑模（Sliding mode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器 和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息， 自适应控制则能全面地提高 系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应 用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。 三、研究步骤、方法及措施 就永磁同步发电机矢量控制系统的一般原理、 参数计算及其运行特性的 一些研究方法进行讨论，以明确永磁同步发电机矢量控制系统的设计思路。 分析永磁同步发电机的结构， 在此基础上建立起数学模型、确定永磁同步发 电机矢量控制策略，再完成永磁同步发电机的硬件设计、软件设计、最后进 行仿真试验。 贯彻国家的技术经济政策，并注意所设计的发电机的经济性和 可靠性。在认真进行调查研究的同时注意理论与实际、设计与工艺相结合， 设计出性能好、体积小、结构简单、欲行可靠、制造和使用维修方便的现金 产品。既要努力使产品满足用户要求，又要尽可能降低生产成本。 首先在磁路计算上， 由于采用永磁材料励磁，它要求所用的永磁材料的 授予磁感应轻度要搞，矫顽力要打，永磁材料的退磁曲线呈线性变化为好。 与电励磁不同， 永磁体的工作点的确定是在其恢复直线上，而不是在一般的 平均磁化曲线上。 永磁同步发电机的励磁磁场不能人工调节，所以要求它 的外特性要比电励磁同步发电机的外特性要硬，也就是说，要求它的外特性 都读药效，近似直线。从而保证它的电压调整率变化不大，以满足工程实际 需要。 于是永磁同步发电机的电负荷比电励磁电机要低的多。 由于永磁同 步发电机没有励磁绕组， 而且永磁体本身的磁阻又很大，因而它的用不电抗 要比电励磁电机要小得多， 其瞬变电抗要比电励磁电机的大，而超瞬变电流 却较小。 在设计时， 通常电励磁同步发电机空载特性的工作点最好选在回 复直线的最大磁能积点附近， 这样可以充分利用永磁体提供的有效磁能，当 然在具体的设计里，还要根据实际情况来确定。 四、研究工作进度 第 1 周 查阅资料（中文和英文） 、确定题目、调研 第 2 周 查阅资料（中文和英文） 、确定题目、调研、整体方案论证47燕山大学本科生毕业设计（论文）第 3 周 撰写开题报告，硬件设计及选型 第 4 周 撰写硬件设计 第 5 周 撰写论文绪论。 第 6 周 分析永磁同步发电机的结构，并建立数学模型 第 7 周 分析永磁同步发电机的基本控制策略 第 8 周 确定永磁同步发电机的矢量控制策略 第 9 周 确定永磁同步发电机的矢量控制策略 第 10 周 完成永磁同步发电机的硬件设计 第 11 周 完成永磁同步发电机的硬件设计 第 12 周 对课题进行深入研究 第 13 周 完善所有硬件和软件设计，论文初稿 第 14 周 撰写论文 第 15 周 撰写论文 第 16 周 完善论文，准备答辩 五、主要参考文献 [1] 李珍国。交流电机控制基础 化学工业出版社 ] 杨国良，邹立颖。风电系统中风力机性能的 Matlab 仿真研究 第十 二届电力电子年会，哈尔滨，2010.8. [3]王正，常浩 。永磁同步电机矢量控制系统研究 沈阳工业大学学报 ] 林海，李宏，林洋。 永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究 西 北工业大学 2007 [5] 王少洁 ，杨立永 ，陈为奇。永磁同步电机三闭环系统仿真与实验 研究 北华大学学报 ] 柳萌，方静欢，王正。考虑饱和效应凸极同步电动机矢量控制 电 力电子技术 ] 王冲。交流永磁同步伺服系统仿真 东莞理工学院学报 ]王桂荣，李太峰。基于 SVPWM 的 PMSM 矢量控制系统的建模与 仿真 大 电 机 技 术 201048附录[9]陈伯时。电力拖动自动控制系统 2012 [10]夏德玲、翁贻方。自动控制理论 2011 [11]刘豹、唐万生。现代控制理论 2011 [12]魏艳君。电力电子电路仿真 2011 [13]王兆安、刘进军。电力电子技术 2011 [14]王洋，刘永光。基于 Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统仿真 组合机床与自动化加工技术 2011。2 六、指导教师意见 指导教师签字： 年 七、系级教学单位审核意见： 审查结果： □ 通过 □ 完善后通过 □ 未通过 月 日负责人签字： 年 月 日49燕山大学本科生毕业设计（论文）附录 2 文献综述 燕 山 大 学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称：永磁同步电机矢量控制系统分析仿真学院（系） ：电气工程系 年级专业： 09 级应用电子 学生姓名：王兴龙 指导教师：杨国良 完成日期： 2013 年 03 月 23 日50附录一、课题国内外现状 在高性能的交流调速传动系统中，转子速度（位置）闭环控制往往是必 需的。为了实现转速（位置）反馈控制，须用光电编码器或旋转变压器等与 电动机同轴安装的机械速度（位置）传感器来实现转子速度和位置的检测。 但机械式的传感器有安装、电缆连接和维护等问题，降低了系统的可靠性。 对此，许多学者开展了无速度（位置）传感器控制技术的研究，即利用检测 到的电动机出线端电量（如电机电压、电流） ，估测出转子的速度、位置， 还可以观测到电动机内部的磁通、转矩等，进而构成无速度（位置）传感器 高性能交流传动系统。 该技术无需在电动机转子和机座上安装机械式的传感 器，具有降低成本和维护费用、不受使用环境限制等优点，将成为今后交流 电气传动技术发展的必然趋势。二、研究主要成果交流传动系统的发展对电动机本体也提出了更高的要求。 电动机设计和 建模有了新的研究内容， 如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供 电系统方程的联解、 电动机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等。为了 更详细地分析电动机内部过程， 如绕组短路或转子断条等问题，多回路理论 应运而生。 随着 20 世纪 80 年代永磁材料特别是钕铁硼永磁的发展，永磁同 步电动机（Permanent-Magnet Synchronous Motor――PMSM）的研究逐渐热 门和深入，由于这类电动机无需励磁电流，运行效率、功率因数和功率密度 都很高，因而在交流传动系统中获得了日益广泛的应用。此外，开关变磁阻 理论使开关磁阻电动机（Switched Reluctance Motor――SRM）迅速发展， 开关磁阻电动机与反应式步进电动机相类似， 在加了转子位置闭环检测后可 以有效地解决失步问题，可方便地起动、调速或点控，其优良的转矩特性特 别适合于要求高静态转矩的应用场合。三、发展趋势采用高速电动机控制专用 DSP、嵌入式实时软件操作系统，开发更实用 的转子磁场定向方法和精确的磁通观测器，使变频器获得高起动转矩、高过 载能力， 将是未来矢量控制技术的重要发展方向。无速度传感器的交流异步 电动机驱动系统和永磁电动机驱动系统控制也是开发热点之一。 永磁电动机 驱动系统由于它的高效、高功率因数、高可靠性而得到越来越多的关注。无 刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已趋成熟。开 关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。51燕山大学本科生毕业设计（论文）四、存在问题 交流传动系统中的交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合、时变的 被控对象，VVVF 控制是从电动机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制 效果很不理想。20 世纪 70 年代初提出用矢量变换的方法来研究交流电动机 的动态控制过程，不但要控制各变量的幅值，同时还要控制其相位，以实现 交流电动机磁通和转矩的解耦，促使了高性能交流传动系统逐步走向实用 化。 目前高动态性能的矢量控制变频器已经成功地应用在轧机主传动、电力 机车牵引系统和数控机床中。 此外， 为了解决系统复杂性和控制精度之间的 矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接转矩控制、电压定向控制等。尤 其随着微处理器控制技术的发展， 现代控制理论中的各种控制方法也得到应 用， 如二次型性能指标的最优控制和双位模拟调节器控制可提高系统的动态 性能，滑模（Sliding mode）变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器 和卡尔曼滤波器可以获得无法实测的状态信息， 自适应控制则能全面地提高 系统的性能。另外，智能控制技术如模糊控制、神经元网络控制等也开始应 用于交流调速传动系统中，以提高控制的精度和鲁棒性。 五、主要参考文献 [1] 李珍国。交流电机控制基础 化学工业出版社 ] 杨国良，邹立颖。风电系统中风力机性能的 Matlab 仿真研究 第十 二届电力电子年会，哈尔滨，2010.8. [3]王正，常浩 。永磁同步电机矢量控制系统研究 沈阳工业大学学报 ] 林海， 李宏， 林洋。 永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究 西 北工业大学 2007 [5] 王少洁 ，杨立永 ，陈为奇。永磁同步电机三闭环系统仿真与实验 研究 北华大学学报 ] 柳萌，方静欢，王正。考虑饱和效应凸极同步电动机矢量控制 电 力电子技术 ] 王冲。交流永磁同步伺服系统仿真 东莞理工学院学报 ]王桂荣，李太峰。基于 SVPWM 的 PMSM 矢量控制系统的建模与仿真 大 电 机 技 术 2010 [9]陈伯时。电力拖动自动控制系统 2012 [10]夏德玲、翁贻方。自动控制理论 201152附录[11]刘豹、唐万生。现代控制理论 2011 [12]魏艳君。电力电子电路仿真 2011 [13]王兆安、刘进军。电力电子技术 2011 [14]王洋，刘永光。基于 Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统仿真 组合机床与自动化加工技术 2011。2指导教师审阅签字： 年 月 日53燕山大学本科生毕业设计（论文）附录 3 中期报告 燕 山 大 学本科毕业设计（论文）中期报告课题名称：永磁同步电机矢量控制系统分析仿真 学院（系） 电气工程及其自动化 ： 年级专业： 09 应电 学生姓名：王兴龙 指导教师： 杨国良 完成日期：2013 年 5 月 5 日54附录一、对毕业设计的进展情况 通过在图书馆和网上查询有关永磁同步电机矢量控制系统以及仿真的相关资料，并仔细学习其中与本课题关联较大的资料，结合以前所学习课程，对矢量控制和 仿真有了一定的了解。在此基础上努力探索和学习，但由于时间关系出发电路没有完 全做完，只把主电路仿真完成。没有对仿真结果做出具体分析，论文还没有开始编写。 二、简要说明毕业设计具体实施方案，查阅的主要文献资料、设计思路、图 表绘制、设计方法进展情况。 具体实施方案是基于 MATLAB 的永磁同步电机矢量控制系统分析仿 真， 在系统开始运行时给定一个期望输出转速，并与反馈回来的实际转速做 数学运算。 以此运算结果作为电流环的给定值，此值与反馈回来的电流做相 关的数学运算，作为控制的内环。在考虑控制的需要以及参数的配合，内外 环均采用 PI 调节器。电流环的输出作为触发模块的输入，经过一系列的运 算之后形成三相的触发， 控制三相全桥逆变。 逆变器的输出作为电机的输入， 控制电机的运行。 从电机引出转速和电流与相关给定做数学运算形成闭环控 制。 主要的参考文献有： [1] 李珍国。交流电机控制基础 化学工业出版社 ] 杨国良，邹立颖。风电系统中风力机性能的 Matlab 仿真研究 第十 二届电力电子年会，哈尔滨，2010.8. [3 王正，常浩 。永磁同步电机矢量控制系统研究 沈阳工业大学学报 ] 林海，李宏，林洋。 永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究 西 北工业大学 2007 [5] 王少洁 ，杨立永 ，陈为奇。永磁同步电机三闭环系统仿真与实验 研究 北华大学学报 ] 柳萌，方静欢，王正。考虑饱和效应凸极同步电动机矢量控制 电 力电子技术 ] 王冲。交流永磁同步伺服系统仿真 东莞理工学院学报
王桂荣，李太峰。基于 SVPWM 的 PMSM 矢量控制系统的建模与55燕山大学本科生毕业设计（论文）仿真 大 电 机 技 术 2010 [9]陈伯时。电力拖动自动控制系统 2012 [10]夏德玲、翁贻方。自动控制理论 2011 [11]刘豹、唐万生。现代控制理论 2011 [12]魏艳君。电力电子电路仿真 2011 [13]王兆安、刘进军。电力电子技术 2011 [14] 王洋，刘永光。基于 Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统仿真 组合机床与自动化加工技术 2011。2本图就是主电路部分的仿真模型， 通过给定的脉冲信号控制电压型逆变 器的输出电压。 逆变器的输出电压作为同步电机的输入，从而控制电机的运 行。 三、对毕业设计过程中遇到哪些困难和问题，是如何克服解决的，在实践能 力方面有哪些提高。 矢量控制的原理不是太难， 并且在交流调速的课上也学过经过一段时间 的探索和学习有了一些理解。 原理虽不是太难，但在仿真搭建模型时仍属无 从下手。 参考了好多文件也不是很了解相关模块的搭建以及具体实施。最终56附录决定先确定电路再做仿真方面的工作。 经过学习确定了双闭环的控制主电路 以及触发电路电路的相关模块，但由于时间和能力问题没有能仿真出来。 在仿真时对于 MATLAB 的许多功能不会用，许多的模块不了解，特别 是具体的参数设置问题，单位的换算等等，由于本来英语就十分欠缺，所以 全英文界面使我的仿真陷入了困境。 通过利用网络资源下载了洪乃刚编著的 《电力电子和电力拖动控制系统 的 MATLAB 仿真》，阅读后再结合网络与自己的仿真验证慢慢搭建出了仿 真模型，在搭建的过程中学习了 MATLAB 的 simulink 部分，提高了仿真软 件的应用能力，加深了对电机矢量控制系统的各部分理解。 具体地说在仿真开始时， 一进行仿真就报错，但查了半天仿真模型也没 有连错之类的情况，我只好在网络上寻求帮助，通过搜索确定了是没有 powergui 这个模块的原因，powergui 的全名叫做电力系统图形化用户接口， simulink 仿真采用的是状态空间方程， powergui 的功能就是实现电路图形 和状态空间方程的转换。由于 MATLAB 只会运算矩阵方程，所以只有有了 powergu 模块才可以仿真。 四、毕业设计的下一步工作如何安排，写出具体的时间进度表。 5 月 6 日――5 月 16 日： 对仿真结果进行分析， 改善仿真电路，时间允许的话进行更多的策略研 究并分析。 5 月 17 日――5 月 27 日： 整理并总结毕业设计的各部分，开始撰写论文。 5 月 28 日――6 月 1 日： 对论文进行修改完善。 五、 撰写毕业论文工作的具体安排和打算，列出完成毕业论文的时间进度表 5 月 17 日――5 月 23 日： 整理并总结毕业设计资料，写论文的大纲。 5 月 24 日――5 月 27 日： 开始将整理的资料按大纲进行编入，完成论文。 六、对指导教师及学院管理的意见及建议57燕山大学本科生毕业设计（论文）指导老师对我们应该做的工作给予了明确且详细的安排， 在我们有问题 需要的答疑解惑是总能得到老师耐心而令人满意的答复。 我从指导老师那里 得益匪浅，在此向老师致谢。学院对我们应该做的工作给予了大致的安排， 是我们明确什么时间应该做什么。 在需要答辩时总是提前通知我们以使我们 有所准备。在此一并向电院老师致谢。58附录附录 3 中文译文永磁同步电动机的矢量控制――综述摘要――在高性能伺服应用中， 最理想的方法莫过于不使用运动状态传 感器的快速精确的转矩控制。 结合直接转矩控制器的永磁同步电动机