毕业设计（论文）-基于SIMULINK永磁同步电机的仿真设计.doc

辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第i页 基于 simulink 的永磁同步电机控制系统的仿真设计 中文摘要 在 matlab/simulink 中建立独立的功能模块主要有：pmsm 本体模块、 矢量控制模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。同时进行功能模块的有 机整合，搭建 pmsm 控制系统的仿真模型采用双臂环控制，速度环采用 pi 控 制，电流环采用滞环电流控制。仿真结果证明了该方法的有效性，同时该模型 也适用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提供 的新的思路。 为了实现高性能的电流环控制，对比了常规电流滞环控制和三角波载波比 较方式的电流滞环控制。在 matlab 中搭建了两种电流滞环控制方式的仿真 模型，通过仿真得出采用常规电流滞环控制对系统的整体性能影响比较大，而 采用三角载波比较方式的电流滞环控制容易获得良好的控制效果。采用三角载 波比较方式的电流滞环控制的仿真结果进一步验证了本文分析的正确性，并且 为系统的整体设计提供了理论基础。 关键词：关键词：永磁同步电动机；simulink；电气系统模型库 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第ii页 simulation of control system for the permanent magent synchronous abstract the paper as the example of the control system of permanent synchronous motor, mainly introduces how to get the simulation of ac driven system under the environment of simulink by using the toolbox of power system, then discusses the effect of adjuster pi on the revolution during suddenly changed load. in matlab/simulink it establishes the independent function modules; pmsm body module, vector control module, the current hysteresis control, speed control module, function module and so on. at the same time, it integrates the function module and establishes the simulation module of pmsm control system. this system adopts double closed-loop control system, the pi control the speed loop, the sluggish loop electric current controls electric current loop the simulation result proves the effective method of the indeperdent function modules. this model also applies to test and verify the reasonableness of thought for both design of practical electrical engineering control system and debugging. for the sake of high-performance current-loop in position servo system, we studied general hysteresis-band current-control and triangular carrier wave hysteresis- band current-control. simulation models of the two mode were build in matlab, by the simulation analysis, we can know that general hysteresis-band current-control will seriously influence on performance of system, and triangular carrier wave hysteresis- band current-control can be used for good control performance. when triangular carrier wave hysteresis-band current-control was used, analytical results are good agreement with the feasible simulation results, and the results can provide theoretical basis for the design of servo system. key words: permanent magnet synchronous motor; simulink; toolbox of power system. 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第iii页 目 录 第一章 前 言.1 1.1 课题研究背景.1 1.1.1 永磁同步电机发展状况.1 1.1.2 永磁同步电机控制系统的发展1 1.1.3 计算机仿真技术的发展.3 1.2 matlab 简介.3 1.2.1 matlab 软件的简介.3 1.2.1 matlab 仿真工具箱简介.8 1.3 本文主要任务.9 第二章 永磁同步电机的结构及其数学模型9 2.1 永磁同步电机的概述.9 2.1.1 同步电机的基本工作原理9 2.1.2 永磁同步电机的基本结构及其分类.9 2.1.3 永磁同步电机的特点与应用.11 2.2 永磁同步电机的数学模型.13 2.2.1 电压平衡方程14 2.2.2 磁链方程及感应电动势方程.15 2.3 永磁同步电机在各个坐标系下的数学模型17 2.3.1 磁同步电机 a-b-c 坐标下数学模型.17 2.3.2 磁同步电机-坐标系下数学模型18 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第iv页 2.3.3 永磁同步电机 d-q 坐标系下数学模型.18 第三章 永磁同步电机控制系统工作原理19 3.1 pwm（pulse-width modulation）技术19 3.2 pmsm 控制系统的组成22 3.3 pmsm 控制系统的运行原理23 第四章 永磁同步电机控制系统仿真设计.24 4.1 d-q 坐标系与 abc 三相坐标系转换.24 4.2 pi 调节器27 4.3 利用 simulink 构建 pmsm 控制系统仿真模型30 4.4 仿真结果.31 全文总结35 致 谢36 参考文献37 附 录38 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第1页 第一章第一章 前前 言言 1.11.1 课题研究背景 1.1.11.1.1 永磁同步电机发展状况永磁同步电机发展状况 永磁同步电机出现于 20 世纪 50 年代。其运行原理与普通电激磁同步电机 相同，但它以永磁体替代激磁绕组，使电机结构更为简单，提高了电机运行的 可靠性。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20 世纪 70 年代，永磁同步 电机开始应用于交流变频调速系统。20 世纪 80 年代，稀土永磁材料的研制取 得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永磁材 料钕铁硼（nd fe b）的出现，极大地促进了永磁同步电机调速系统的发展。尤 其值得一提的是我国是一个稀土材料丰富的大国，稀土储量和稀土金属的提炼 都是居世界首位。随着稀土材料科技的不断发展，永磁材料的磁能积已做的很 高，价格也是就满足工业应用的需要，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同 步电动机越来越显出效率高、功率密度大、调速范围宽、脉动转矩小等高性能 的优势。使我国在稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进 水平。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造 工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，稀土永磁同步 电机正向大功率（超高速、大转矩） 、微型化、智能化、高性能化的方向发展， 成为交流调速领域的一个重要分支。 由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同步电机最 初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上与直流电机类似，但这种电机的转矩存 在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上又研制出带有位置传感器、逆变器驱 动的正弦波永磁同步电机，这就使得永磁同步电机有了更广阔的前景。 1.1.21.1.2 永磁同步电机控制系统的发展永磁同步电机控制系统的发展 随着永磁同步电动机的控制技术的不断发展，各种控制技术的应用也在逐 步成熟，比如 svpwm、dtc、svm-dtc、mras 等方面都在实际中得到应用。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第2页 然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理 想，过分依赖于电机的参数等等，因此，对控制策略中存在的问题进行研究就 有着十分重大的意义。 1971 年，德国学者相继提出了交流电机的矢量控制的新思想、新理论和新 技术，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过 磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统 相媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展， 矢量控制技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理 论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩 展到三相永磁同步电机。由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参 数变化，而转子磁场的观测依赖于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使 得实际控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制实践上不足之处。而 永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固定，所以矢量控制永磁同步电机在 小功率和高精度的场合应用广泛。随后，1985 年，有德国鲁尔大学 mr.depenbrock 教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调 速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相 感应电动机的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生， 就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普 遍的关注和得到了迅速的发展。目前该技术成功地应用在电力机车牵引的大功 率交流传动上。德国、日本、美国都竞相发展此项技术。 20 世纪 90 年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成 度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。 通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接 转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具 有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及复位等功能。另外，改变控制策 略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可 靠性及实用性。近年来，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专 门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快 速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第3页 量控制、神经网络控制可以高速、高精度的完成。非线性解耦控制、人工神经 网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型 积分控制及模糊智能控制等各种行的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔 的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系 统的重要发展方向之一。 1.1.31.1.3 计算机仿真技术的发展计算机仿真技术的发展 现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程和计算机技术的发展密切相关。 控制工程是仿真技术较早应用的领域之一，控制工程技术的发展为现代仿真技 术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统建模与 仿真的理论体系，同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的研究和预测。 计算机仿真技术不论是在理论还是实践上都取得了丰硕的成果，积累了大 量的体系仿真模型和行之有效的仿真方法。仿真技术目前仍然存在一些缺陷， 例如建模方法尚不完善，研究同一个系统的同一个问题可以建立出不同的模型， 而且有些社会经济系统中存在的问题尚无法建立准确的模型进行求解。进入 90 年代，计算机技术的各个方面都取得了很大的发展。 为了获得满意的转矩计算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文利用 matlab 软件下的 simulink 仿真工具对 pmsm 系统进行仿真。 1.21.2 matlab 简介 1.2.11.2.1 matlab 软件的简介软件的简介 matlab 是集数值计算、符号运算和图形处理功能于一身的超级科学计 算软件；与其它计算语言相比，matlab 在功能、开放性和易学性等方面独占 鳌头；在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建 模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一 步的分析与仿真。 matlab 是矩阵实验室（matrix laboratory）之意。除具备卓越的数值计 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第4页 算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文学处理，可视化建模仿真和实 时控制等功能。 matlab 的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数字，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 等语言完相 同的事情简捷得多。当前流行的 matlab 5.3/simulink 3.0 包括拥有数百个内 部函数的主包和三十几种工具包（toolbox） 。工具包又可以分为功能性工具包 和学科工具包。功能工具包用来扩充 matlab 的符号计算，可视化建模仿真， 文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较弱的工具包，控制工具 包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。 开放性使 matlab 广受用户欢迎。除内部函数外，所有 matlab 主要文 件包和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自 己编写程序构造新的专用工具包。 在 70 年代中期，cleve moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下 开发了调用 eispack 和 linpack 的 fortran 子程序库。eispack 是特征 值求解的 fortran 程序库，linpack 是解线性方程的程序库。在当时这两 个程序库代表矩阵运算的最高水平。 到 70 年代后期，身为美国 new mexico 大学计算机系主任的 cleve moler, 在给学生讲授线性代数课程时，想教会学生使用 eispack 和 linpack 程序 库，但他发现学生用 fortran 编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手 利用业余时间为学生编写 eispack 和 linpack 的接口程序。cleve moler 给 这个接口程序取名为 matlab 该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory） 两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里 matlab 在多所大学里作为 教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。 1983 年春天 cleve moler 到 standford 大学讲学，matlab 深深地吸引了 工程师 john little，john little 敏锐地觉察到 matlab 在工程领域的广阔前景。同 年，他和 cleve moler，steve bangert 一起用 c 语言开发了第二代专业版。这一 代的 matlab 语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第5页 1984 年，cleve moler 和 john little 成立了 math works 公司正式把 matlab 推向市场，并继续进行 matlab 的研究和开发。 在当今 30 多个数学科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可 分为两大类。一类是数值计算软件，如 matlab、xmath、gauss 等，这类软 件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类数学分析型软件， mathematica、maple 等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确 解，其缺点是处理大量数据时效率较低。math works 公司顺应多功能需求之潮 流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符 号计算，文字处理，可视化建模拟和实时控制能力，开发了适合多学科，多部 门要求的新一代科技应用软件 matlab。经过多年的国际竞争，matlab 已 经占据了数值软件市场的主导地位。 在 matlab 进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以 fortranc 语 言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开 放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。 matlab 的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在 matlab 问世不久的 80 年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在 matlab 上重建。 math works 公司 1993 年推出了 matlab4.0 版，1995 年推出 4.2c 版 （for win3.x）1997 年推出 5.0 版。1993 年推出 5.3 版。matlab 5.x 较 matlab 4.x 无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格 式和 pdf 格式，在 netscape 3.0 或 ie4.0 及以上版本，acrobat reader 中可以方 便地浏览。 时至今日，经过 math works 公司的不断完善，matlab 已经发展成为适 合多学科，多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，matlab 已经经受 了多年考验。在欧美等高校，matlab 已经成为线性代数、自动控制理论、数 理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学 工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计 研究单位和工业部门，matlab 被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第6页 国内，特别是工程界，matlab 一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方 面的哪个学科，都能在 matlab 里找到合适的功能。 一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它 有着不同于其他语言的特点，正如同 fortran 和 c 等高级语言使人们摆脱了 需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的 matlab，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。 matlab 最突出的特点就是简洁。matlab 用更直观的，符合人们思维习惯 的代码，代替了 c 和 fortran 语言的冗长代码。matlab 给用户带来的是 最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下 matlab 的主要特点。 1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。matlab 程序书写 形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必 要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠 性。可以说，用 matlab 进行科技开发是站在专家的肩膀上。 2）运算符丰富。由于 matlab 是用 c 语言编写，matlab 提供了和 c 语言几乎一样多的运算符，灵活使用 matlab 的运算符将使程序变得极为简 短。 3）matlab 既具有结构化的控制语句（如 for 循环，while 循环，break 语 句和 if 语句） ，又有面向对象编程的特性。 4）程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在 matlab 里，用户无 需对矩阵预定义就可使用。 5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操 作系统上运行。 6）matlab 的图形功能强大。在 fortran 和 c 语言里，绘图都很不容 易，但在 matlab 里，数据的可视化非常简单。matlab 还具有较强的编辑 图形界面的能力。 7）matlab 的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。 由于 matlab 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序解释执 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第7页 行，所以速度较慢。 8） 功能强大的工具箱是 matlab 的另一特色。matlab 包含两个部分： 核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱 有分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符 号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功 能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如 control、toolbox、signl processing toolbox、commumnication toolbox 等。这些工 具箱都是由该领域学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范 围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。 9）源程序的开发性。开放性也许是 matlab 最受人们欢迎的特点。除内 部函数以外，所有 matlab 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件， 用户可通过源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。 1990 年，math works 软件公司命名为 simulab,1992 年正式将该软件更 名为 simulink，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段 simulink 的名称 表明了该系统的两个主要功能：simu(仿真)和 link(连接)，即该软件可以利用 鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用 simulink 提供的 功能来对系统进行仿真和分析。 matlab 语言及其 simulink 可视化仿真平台在控制系统中的应用日益 普遍，使用 simulink 可以迅速建立各种线形或非线性系统模型，用户可以根 据需要任意观察系统在各处参数的动态变化，而且仿真速度比使用 matlab 语言更快。 matlab 的 simulink 是很有特色的仿真环境，它能够实现动态系统建 模与仿真的环境集成，且可以根据设计及使用要求，对系统进行修改和优化， 以提高系统工作的性能，实现高效开发系统的目的。在此环境下，用户可以点 击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。 simulink 与 matlab 语言的主要区别在于使用户把更多的精力投入到 系统模型的构建，而非语言的编程上。simulink 提供了一些按功能分类的基 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第8页 本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考 察模块内部是如何实现的，通过对这些基本的调用，再将它们连接起来就可以 构成所需的系统模型（以.mdl 文件进行存取） ，进而进行仿真与分析。 1.2.11.2.1 matlab 仿真工具箱简介仿真工具箱简介 matlab/simulink 是 mathworks 公司开发的用于数学计算的工具 软件。它具有强大的矩阵运算能力、绘图功能、可视化的仿真环境 simulink。simulink 可以对通信系统、非线性控制、电力系统等进行深入 的建模、仿真和研究。它由模块库、模型构造及分析指令、演示程序 demo 但 部分组成。用户进行仿真时很少需要程序，只需要用鼠标完成拖拉等简单操作， 就可以形象地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。 下面就本论文工作中使用的仿真工具 matlab7.0 作简单介绍。 simulink 仿真工具箱包括了专用于电力电子、电气传动学科进行仿真的电气 系统模块库（simpower system） 。运行 simulink 以后，打开 simpower system，就能调出电气系统模块库的各个子模块。也可以在 matlab 的命令窗口，直接键入 powerlib 以调用电气系统仿真基本模块。 电气系统模块库主要包括以下七个子模块： 1）电源模块：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源 和可控电流源等； 2）基本元件库：包括串联 rlc 负载、串联 rcl 支路、并联 rcl 负载、 线性变压器、饱和变压器、互感器、断路器、n 相分布参数线路、单相 相集 中参数传输线路和浪涌放电器等； 3）电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、mosfet、gto、理想开关 和一个多功能桥等。为满足不同的仿真要求并提高仿真速度还设有晶闸管简化 模型； 4）电机模块库：包括激磁装置、励磁装置、水轮机及其调节器、异步电 动机、同步电机及其简化模型和永磁同步电机等； 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第9页 5）连接模块库：提供组织电力电子仿真线路的各连接件，包括地、中性 线和母线（公共点）等； 6）测量模块库：包括电流测量和电压测量和电抗的测量模块等； 7）附加电气系统模块库：包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅立 叶分析、可编程定时器、同步触发脉冲发生器以及三相库等； 在以上模块库的基础上，根据需要，可以组合封装成常用的较复杂的模块， 添加到所需的模块中去。 1.31.3 本文主要任务 本文立题为永磁同步电机控制系统仿真，进行了一系列的工作，主要涉及 以下的研究内容： （1） 建模与仿真的关系，及仿真的实际应用意义； （2） 介绍永磁同步电机的分类、结构与应用，给出永磁同步电机在不同 坐标系下的数学模型及运动方程； （3） 介绍永磁同步电机矢量控制的理论基础； （4） 建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型； （5） 对仿真结果的进行分析，得出永磁同步电机的性质特点。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第9页 第二章 永磁同步电机的结构及其数学模型 2.12.1 永磁同步电机的概述 2.1.12.1.1 同步电机的基本工作原理同步电机的基本工作原理 同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子 电流频率以及电动势的极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机有定子 和转子两大部分组成，电动机定子有定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动机 转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气息均匀， 而凸极式转子的磁激明显凸出且气息不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气 隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子 结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁芯上，而经由电刷和集电环引入 的励磁电流应能使转子磁激的记性呈现 n，s 极交替排列。 同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁场拉力拖着电动 机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组介入三相电流而产生的旋转磁场与 电动机转子励磁绕组接入直流而形成的转子磁场相互作用。同步电动机的转速 表达式为：，式中为电源频率；为电动机的极对 pf 60 n n nss fspn 数；为同步转速。 ns 2.1.22.1.2 永磁同步电机的基本结构及其分类永磁同步电机的基本结构及其分类 （一）基本结构： 与传统电机一致，永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。与传统同步 电机定子结构基本相同，永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三相 y 型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成。三相永 磁同步电机的基本结构如图 2-1 所示。如果在三相空间对称的定子绕组中通入 三相时间上也对称的正弦电流，那么在三相永磁同步电机的气隙中会产生一个 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第10页 在空间旋转的圆形磁场，其转速为，式中为电源频率； pf 60 n n nss fs 为电动机的极对数；为同步转速。 pnns 永磁同步电机的转子通常由转子铁芯、永磁体磁钢和转子转轴组成。日前， 永磁同步电机常用的永磁材料是钕铁硼合金（nd fe b）和钐钴合金 （smco5，smco17） 。从永磁体安装方式上，转子分为表面粘贴式、表面插入 式和内置式，如图 2-1 所示。 图 2-1 永磁电机的转子结构 其中图 2-1(a)为表面粘贴式，图 2-1(b)为表面插入式，图 2-1(c)为内置式。 由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于图 2-1(a)所 示的转子结构，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交轴、直轴电感相等，即= ld ,表现出隐极性质。而对其他结构，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此 lq 0，为有差调节，静差属于调整精度的一个 xsxs 重要指标。 图 4-6 性能指标的阶跃响应曲线 pi 调节器的传递函数为： （4-12）ss ipckk )( g 两个运算放大器传递函数为： （4-13）ssss inccrrrr )( e )( e )( g 212120 比较（1） 、 （2）得： （4-14） rrk12 p （4- crrk 212 i 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第30页 15） 三运算放大器的传递函数为： （4-ssss iiinccrrrr )( e )( e )( g 2120 16） 因此 pi 控制器参数与电路原件参数关系为： （4- rrk12 p 17） （4- cr 1 k iii 18） 电路的优点的和的值之间相互独立；但不论哪种电路，的值都 kpkiki 与电容值成倒数关系，有效的 pi 控制设计一般要求小的值，因此我们必须 ki 再次注意不符合实际的大电容值。 校正系统的前向通道传递函数为： （4-)2() kk ()( g )( g g(s) 22 n ipnpc s s s ss 19） 显然 pi 控制器的作用为： 1 在前向通道传递函数处增加了一个零点。 kkpi s 2 在前向通道传递函数 s=0 处增加了一个零点，这说明控制系统从 1 型变 为 2 型。因此，原始系统的稳态误差可以得以改善，即如果响应的稳态误差为 常数，pi 控制将会减小到 0。 如果参考输入是斜坡函数，前向通道传递函数为式（3）的控制系统会产生 稳态误差。但因为系统是三阶的，它可能臂二阶系统的稳态形更差，甚至如果 和的值选择不当系统会变得不稳定。 kpki 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第31页 系统加入 pi 控制器后，从 1 型系统转化为 2 型系统，对于稳定的 2 型系统， 在斜坡信号响应时输出稳态误差一直为零，不再对控制系统的稳态误差有 kp 影响。现在的问题就是选择合适的值才能够得到满意的瞬态响应。 4.34.3 利用 simulink 构建 pmsm 控制系统仿真模型 应用 matlab/simulink 与电气传动仿真的电气系统模块库建立了分别基 于电流滞环控制和三角载波比较跟踪控制的 pmsm 系统矢量控制仿真结构图， 转速调节器为 pi 型；速度给定值与实际电角速度相比较后经转速调节器，输出 为交轴电流参考值，直轴电流给定值。经 d-q/a-b-c 坐标变换得到三相电流给定 值，相电流给定信号与相电流反馈信号相比较，经过电流调节器的调节和 pwm 产生电路控制逆变器的 pwm 型号，从而控制电机的三相电流。 基于上述永磁同步电动机在 d-q 坐标系中的状态空间模型。采用电力系统 模型库，可建立 pmsm 控制系统的仿真模型。 转速调节器为 pi 型，积分常数取 2.6，比例常数为 50，饱和限制的正负幅 值为 30，其功能为解决由于转矩波动引起的稳态转矩问题，使转速几乎无静差。 转速调节器输出量 d-p/a-b-c 坐标变换，得到 a-b-c 三相定子电流的给定，作为 电流调节器（pwm 逆变器）的输入。电流调节器即为三相电流源型逆变器， 采用滞环电流控制方法，实现电流逆变，应用 pwm 控制技术的变压变频器都 是电压源型的，它可以按需要方便的控制其输出电压，对于交流电动机，实际 应该保证的应是正弦波电流，因为只有在交流电动机绕组中通入三相平衡的正 弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动成分。因此，若能对电流实 行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制获得更好的性能。电 流控制的精度与滞环的宽度有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制 约。当环宽 2h 选的较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量 高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了，这是一对矛盾 的因素。实际中，应在充分应用器件开关频率的前提下，正确的选择尽可能小 的环宽。根据电流偏差的符号相应地直接输出+-155v，然后采用可控电压源模 块将此仅有数学意义的 simulink 信号转化为具有电气意义的电压信号，送入 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第32页 pmsm 的定子遭阻输入 abc 连接三相电压，输入端接入机械转矩信号。输出 端用于测量和观察 pmsm 的工作状态。pmsm 输出为矢量。有 pmsm measurement demux 模块分解为 10 个标量输出（13 为三相电流，4 iiicb、 、 a 和 5 为，6 和 7 为，8 为点角速度，9 为电角度，10 为电 iidq、uu dq、ee 磁转矩） ，值得注意的是，电气系统模型库要求系统中至少有一个测量环节。 te 4.44.4 仿真结果 该系统的电流限幅值设为 30a，系统空载启动，在 0.04s 时突然加负载转 矩 3n.m。在转速给定值为 400rad/s 及负载突变的情况下，对该系统 simulink 模型进行仿真，得到转矩和三相电流的曲线如图 4-7 和图 4-8 所示。仿真结果 表明：系统输出能够较快地跟随输入，具有较好的稳定性，同时也表明该系统 具有较强的抗干扰性和鲁棒性。具有一定的使用价值。图 4-10 为系统在开环情 况时，负载突变对转速的影响，可以看到这时的转速无法满足系统所要求的性 能指标，甚至不能正常工作。 相应的相应曲线图如下所示： 图 4-7 转矩响应曲线 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第33页 图 4-8 三相电流曲线 图 3-9 有 pi 作用时负载突变的转速响应曲线 图 3-10 系统开环时负载突变的转速响应曲线 由此可见，采用 matlab 的电气系统模型库，可以在 simulink 环境下 高效率地完成 pmsm 控制系统的仿真设计和分析，通过仿真可以看出系统具有 较好的动静态特性，同时也可以方便的验证各种控制方法，这为分析和设计实 际电机控制系统提供了一个强有力的手段。 可以看出，常规电流滞环控制方法，它的优点电流响应快，缺点是开关频 率不固定、电流畸变较大、纹波大对系统的整体性能影响比较大。采用三角载 波比较方式的电流滞环控制，其主要优点是开关频率固定，输出波形纯正，计 算简单，实现起来比较方便，比较容易获得良好的控制效果。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第34页 图 4-11 常规电流滞环控制仿真模块 采用三角载波比较方式的电流滞环控制，进一步分析其仿真结果如图 4- 13图 4-14 所示。可以看出，电动机启动时电流迅速达到最大值，然后稳定在 正常值；当突加负载转矩时，电流经过一个轻微的振动过程后达到稳定在一个 新值。电磁转矩在电动机启动时迅速达到最大值（15n.m）然后快速稳定在正 常值（3n.m） ，在 0.04s 时突加负载转矩 3n.m，电磁转矩同电流值一样经过一 个轻微的振荡过程，然后稳定在一个新值（1n.m） 。电流电磁转矩成比例变化， 且转矩脉动小，转矩控制性能良好。转子电角速度迅速稳定到给定转速。并 且突加负载转矩时几乎不受干扰。 电流环是 pmsm 系统中的一个重要环节，它是提高系统控制精度和响应速 度、改善控制性能的关键。选择合适的电流控制方案对于系统性能的提高和硬 件的实现时至关重要的一步。通过仿真分析了基于矢量控制的 pmsm 控制方案， 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第35页 图 4-12 三角载波比较方式电流滞环控制仿真模块 图 4-13 电磁转矩 图 4-14 转子电角速度 得出采用三角载波方式的电流环滞控制能够比较容易获得良好的控制性能。这 给系统的整体设计和整体性能的获得提供了基础和先决条件。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第36页 全文总结 本次毕业设计的题目是基于 matlab 永磁同步电机控制系统的仿真设 计,以电力系统库中的永磁同步电机控制系统为例，设计一个转速环、电流环 的双闭环系统。并讨论负载突变情况下，pi 调节器对转速的影响。为了实现高 性能的电流环控制。对比了常规电流滞环控制和三角载波比较方式的电流滞环 控制。在 matlab 中搭建了两种电流滞环控制方式的仿真模型，通过仿真得 出采用常规电流滞环控制对系统的整体性能影响比较大，而采用三角载波比较 方式的电流滞环控制容易获得良好的控制效果。并且为系统的整体设计提供了 理论基础，具有实际意义。为分析和设计实际控制系统提供了一个强有力的手 段。 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第37页 致 谢 经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一位本科生 的毕业设计，由于各种经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有 导师的督促指导，以及一起努力工作和学习的同学们的支持，想要完成这个毕 业设计是难以想象的。 首先我最应感谢的就是我们的指导教师张老师，虽身负教学、科研重任， 却仍然抽出宝贵的时间，不时地召集我和同学以督责课业，耳提面命，殷殷之 情尽在谆谆教诲中。这篇论文更倾注了他的大量心血。从初搞到定稿，老师总 是不厌其烦，一审再审，达到篇章布局的偏颇，笑道语句格式的瑕疵、单词标 点的纠正，都一一予以指出。我还要感谢学院的各位工作人员，他们细致的工 作使我和同学们的学习和生活井然有序。 指导教师： 张 岳 毕业设计： 孟祥龙 时 间： 2012-5-18 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第38页 参考文献 1 洪乃刚 等编著. 电力电子和电力拖动控制系统 matlab 仿真m. 北京： 机械工业出版社.2006.1 2 陈伯时. 电力拖动控制系统，运动控制系统m. 北京：机械工业出版社 3 李海涛等主编. matlab 程序设计教程m. 北京：高等教育出版社 4 张岳. 基于 simulink 的永磁同步电机控制系统的仿真设计j 辽宁科技 学院学报，2007，9（1）,1-3. 5 刘慧颖 编著. matlab r2007 基础教程m.北京： 清华大学出版社， 2008.7 6 罗华飞 编著. matlab gui 设计学习手记m.北京：北京航空航天大学出 版社.2009.8 7 田淳，胡育文. 永磁同步电机直接转矩控制系统理论方案的研究j，电 工技术学报，2002（2）：8-11 8 李钟明，刘卫国，刘景林等. 稀土永磁电机m.北京：国防工业出版社， 1999. 9 李发海，陈汤铭，郑逢时，张麟征，朱东起. 电机学m.北京：科学出版 社，1991. 10 王沫然. simulink4 建模及动态仿真m.北京：电子工业出版社，2002. 11 李烨，严欣平 永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景j，重庆大 学，2001，34（4） ，30-33. 12 黄慧敏. 永磁同步电机系统建模与仿真研究d.武汉理工大学，2007. 13 张崇巍等. 运动控制系统m.武汉理工大学出版社，2002. 14 杨兴瑶. 电动机调速的原理及系统m.水利电力出版社，1995. 辽宁科技学院本科生毕业设计(论文) 第39页 附 录 control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind- energy systems connected to the grid i. introduction variable-speed power generation enables operation of the turbine at its maximum power coefficient over a wide range of wind speeds, obtaining a larger energy capture from the wind. one of the problems associated with variable-speed wind systems today is the presence of the gearbox coupling the wind turbine to the generator. this mechanical element suffers from considerable faults and increases maintenance expenses. to improve reliability of the wind mill and reduce maintenance expenses the gearbox can be eliminated. permanent magnets can be used to replace the excitation winding of synchronous machines because of due to magnetprice reduction and magnetic material characteristic improvement 1. permanent-magnet excitation allows us to use a smaller pole pitch than do conventional generators, so these machines can be designed to rotate at rated speeds of 20200r/min, depending on the generator rated power 2. several wind generator manufacturers incorporate multipo