基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真

I摘要本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。IIABSTRACTInthefirst,thispaperintroducesthedomesticandinternationaldevelopmentstatusofPermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM),givesaexplanationaboutitsbasictheory,structure.Thenitbuildsamathematicalmodel,andusesMATLABtosimulatethatmodel.ThePMSMisanonlinear,strong-couplingandtime-varyingsystem,sointheoperationprocess,itwillbeinfluencedbymanyfactorssuchasloaddisturbance.Therere,itisnecessarytotakeactionwhenresearchingthecontrolmethodofPMSM.Theformerresearchmethodissettingupaplatformonhardwaretoperformexperimensbutitisundesirable,becauseitoftencausesomeloss,andthefeedbackcycleislongerthanresearchcycle.AsfordomesticandinternationalcurrentsituationontheresearchofPMSM,itisobviousthatresearchingunderthesimulationmodelcreatedbyMATLABcouldgreatlyreducethecostandcycleofresearchment.WhenusingMATLABtobuildsimulationmodelontheresearchofPMSM,wecantransformthesedisturbancefactorsintoanalogsignal,makingaqualitativeanalysistodrawconclusionsfromthem.Keywords：PMSM,SVPWM,MATLABsimulation,mathmaticalmodelIII目录摘要................................................IABSTRACT..............................................II目录...............................................III第一章绪论.............................................11.1研究背景及意义..........................................11.1.1研究背景..........................................11.1.2研究的目的及意义..................................11.2国内外研究现状..........................................21.2.1国内研究历史及现状................................21.2.2国外研究现状及趋势................................21.3本文的主要内容..........................................3第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型.............52.1引言....................................................52.2永磁同步电机调速系统的结构..............................52.3永磁同步电机调速系统的数学模型..........................62.3.1PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程................62.3.2PMSM在0坐标系下的磁链和电压方程................82.3.3PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程................92.4永磁同步电机的控制策略.................................112.5本章小节...............................................12第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制.........143.1引言...................................................143.2永磁同步电动机的矢量控制...............................14IV3.3空间矢量脉宽调制概念...................................153.4SVPWM模块的建立........................................173.5本章小结...............................................23第四章基于Matlab的永磁同步调速系统仿真模型的建立....244.1引言...................................................244.2MATLAB软件的介绍.......................................244.3永磁同步电机调速系统整体模型的建立......................254.4仿真参数调试及结果分析..................................284.5本章小结................................................29第五章总结与展望.....................................305.1全文总结..........................................30参考文献..............................................31致谢..................................................331第一章绪论1.1研究背景及意义1.1.1研究背景随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。而永磁同步电机调速系统能使电机的功率因数更高、转子参数变的可测、效率更高等特点，近年来永磁同步电机调速系统的研究也越来越受到国内外专家学者的重视[1]。而对于永磁同步电机调速系统的研究主要是依据Matlab的仿真，在Matlab中进行永磁同步电机调速系统（PMSM）建模仿真方法的研究，以往大部分的研究是采用的是节点电流法对电机控制系统进行分析，然后通过列写nt文件来建立PMSM的仿真模型。这实质上是一种整体分析方法，但是在此模型基础上修改控制算法或添加、删除闭环会显得极不方便。为了克服这一不足，本文利用的是将控制单元模块化的仿真方法。对于研究永磁同步电机的研究人员来讲，只需通过修改系统参变量或人为加入不同扰动因素来考察不同实验条件下电机系统的动、静态性能，或者模拟相同的实验条件，比较不同控制策略的优劣，来分析和设计永磁同步电机调速系统，就可为实际电机控制系统的设计和调试提供新的思路。1.1.2研究的目的及意义近十年来，随着永磁材料、电力电子器件和控制技术的发展。永磁同步电动机控制存在的硬件问题得以逐步解决。永磁同步电机由于体积小，重量轻，磁性能稳定，具有较高的运行效率、较小的转动惯量、转矩脉动、可支持高速运行等优点，在现代交流伺服系统中，诸如高性能机床进给、位置控制、工业机器人、航空航天等众多领域同步电机得到了广泛应用[2]。但是为了得到更好的控制效果更高效的生产效率对于永磁同步电机调速系统的研究提出了新的更高的要求。本课题主要研究基于Matlab的永磁同步电机调速系统的仿真，在Simulink中建立整个调速系统的仿真模型并给出仿真结果。该课题主要是为了在研究永磁同步电机调速系统时搭建好一个仿真的平台，能够在研究过程中及时的实现研究要2求的控制策略进行相关的条件给予模拟，以代替以往只能在实际硬件中进行调试实验的研究。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究历史及现状我国从20世纪70年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以军工、宇航卫星为主要应用方向。主要研究机构是北京机床所、西安微电机研究所、中科院沈阳自动化所等。80年代之后开始进入工业领域，直到2000年，国产伺服停留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2000年之后，随着中国变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内几家单位开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有森01(和利时电机)、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域[2]。1.2.2国外研究现状及趋势在国外上，现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块。如贝加莱(B&R)-V业自动化公司推出的ACOPOSmulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供1-2个伺服轴控制，并集成了一个24VDC的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。国外厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2-5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，总之产品生命周期越来越短。总结国内外伺服厂家的技术路线和产品路线，结合市场需求的变化，可以看到以下一些最新发展趋势：1．高效率化：主要包括电机本身的高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，也包括驱动系统的高效率化，包括逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，再生制动和能量反馈以及更好的冷却方式等。2．直接驱动：由于消除了中间传递误差，从而实现了高速化和高定位精度。3．高速、高精、高性能化：采用更高精度的编码器(每转百万脉冲级)，更高采样3精度和数据位数、速度更快的DSP，无齿槽效应的高性能旋转电机，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断将伺服系统的指标提高。4．通用化：通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改