交流伺服电机.doc

摘 要在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。永磁同步电机(PMSM)是一个复杂耦合的非线性系统。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。永磁同步电机(PMSM)是一个复杂耦合的非线性系统。本文描述了永磁同步电机控制系统的发展状况、结构和数学模型，简单介绍了永磁同步电机控制系统的工作原理，并在Matlab/Simulink环境下，通过对PMSM本体、d/q坐标系向a/b/c坐标系转换等模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性。 关键字：交流伺服电机，控制系统，仿真，Matlab/SimulinkABSTRACT In the modern ac servo system, the vector control principle and space voltage vector pulse width modulation (SVPWM) technology makes ac motor can get and dc motor comparable performance. The permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a complex coupled nonlinear system. Matlab/Simulink in the establishment of an independent function module mainly has: PMSM ontology modules, vector control module, current hysteresis control module, speed control module, etc. The permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a complex coupled nonlinear system. This paper describes the permanent magnet synchronous motor control system development condition, structure and mathematical model, introduced the permanent magnet synchronous motor control system of the working principle, and in Matlab/Simulink environment, through to the PMSM ontology, d/q coordinate system to the a/b/c coordinate system and the establishment of the conversion module and combination, to construct the permanent magnet synchronous motor control system simulation model. The simulation results prove the validity of the model of the system.KEY WORDS:AC servo system ,simulation,Matlab/Simulink目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第1章 绪 论11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外交流伺服控制系统的现状31.3 本文的主要研究内容4第2章 永磁同步电机的数学模型及控制方法52.1 永磁同步电机概述52.1.1 永磁同步电机的结构和分类52.1.2 永磁同步电机的数学模型62.1.3 永磁同步电机中的坐标变换62.2 在定子坐标ABC和-上的数学模型92.3 在转子旋转坐标系d-q上的数学模型10第3章 交流伺服电机控制系统工作原理123.1 PWM（PULSE-WIDTH MODULATION）技术123.2 PMSM控制系统的运行原理12第4章 交流伺服电机控制系统仿真的实现174.1 MATLAB简介174.1.1 MATLAB特点174.1.2 MATLAB优势174.1.3 Simulink简介174.2 PI调节器184.3 仿真模型的建立214.4 仿真结果23第5章 结论与展望25致 谢27参考文献2828第1章 绪 论1.1 课题背景及研究意义交流伺服技术是研制开发各种先进的机电一体化设备，如工业机器人、数控机床、加工中心等的关键性技术，目前高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进1:3，这种现状限制了我国高科技产业的发展。 因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的交流伺服系统，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义。伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已有五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段1： 第一发展阶段（20世纪60年代以前），此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开 环系统。第二个发展阶段（20世纪6070年代），这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。第三个发展阶段（20世纪80年代至今），这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，由于伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机（方波驱动），交流伺服电动机（正弦波驱动）等各种新型电动机。与传统的有刷直流电动机相比较，无刷直流电动机的最大特点是以半导体开关元件代替了由换向器和电刷组成的机械换向机构。由于没有滑动电接触， 也就消除了换向器的机械磨损、换向火花和电磁干扰。其转子采用永磁体励磁， 不仅没有励磁损耗，而且保持了有刷直流电动机优良的调速特性，提高了电机的整体效率。无刷直流电动机系统按其绕阻反电势BEMF的波形和电流的波形可分为两大类：方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机或正弦波交流伺服电动机。目前，在中小功率电机应用领域，特别是在一些要求高转速、高精度、高动态性能的场合,以永磁同步电机为代表的交流伺服系统已显示出了明显的优势，并得到了越来越广泛的应用。下面简要介绍一下方波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机的性能及其控制系统的特点。方波永磁同步电机（又称无刷直流电机）的气隙磁密通常设计为方波或接近方波，电机由方波或梯形波电流驱动，以期获得更大的电磁转矩。方波永磁同步电机由功率开关器件取代直流电机的换向器，其控制原理由直流电机发展而来，采用两相导通控制策略，开关器件的触发信号严格由转子位置反馈信号决定。方波永磁同步电机转子位置检测通常由无接触式霍尔传感器实现，霍尔 元件数与相数相同，空间角度安排可按120或60两种方式。转子的转动使三个霍尔元件发出三路相位互差为120，占空比为1:1的方波脉冲，该信号经逻辑运算产生开关功率器件的触发信号。方波永磁同步电机控制方法简单，对控制器的性能要求较低，可获得类似于直流电机的运行特性。方波永磁同步电机的不足之处是转矩的脉动较大，特别是在低速段，这一缺陷更加明显，能否解决这一问题成为方波永磁同步电机应用于高精度场合的关键。造成转矩脉动的原因主要是齿槽效应、磁通畸变和相绕组换流引起的电流波动2。正弦波永磁同步电机简称永磁同步电机，即PMSM(Permanent Magnet Motor)。它的气隙磁密通常设计为正弦波或接近正弦波，其工作原理由交流电机矢量控制变频调速发展而来，采用三相导通控制策略，由正弦电Synchronous流驱动，转矩波动较小，常用于高性能的伺服系统中。正弦波永磁同步电机伺服系统的控制方法相对于方波永磁同步电机要复杂得多，一般需要高性能的控制器实现。随着微电子技术的高速发展，各种高性能微处理器相继问世，它们的应用极大地提高了伺服系统的控制精度和可靠性。永磁同步电机转子采用高性能的稀土永磁材料，使得电机尺寸减小；由于 发热主体在定子侧，散热也比较容易。这些优点使得永磁同步交流伺服系统已 成为现代伺服系统的主流。但由于PMSM的控制比直流电机要复杂得多，且市场上出售的电机驱动器不具有开放性，给交流伺服系统的特性研究带来很大困难。在控制策略上，基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹控制方法都难以达到良好的伺服特性，目前普遍应用的是基于永磁电机动态解耦数学模型的矢量控制方法，这是现代伺服系统的核心控制方法。虽然人们为了进一步提高控制特性和稳定性，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制、自适应控制等理论，还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法，但是大多在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法。还有，高性能伺服控制必须依赖高精度的转子位置反馈，人们一直希望取消这个环节，发展了无位置传感器技术(Sensor-less Control)。至今，在商品化的产品中，采用无位置传感器 技术只能达到大约1:100的调速比，可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控制场合中，比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制，这个技术的高性能化还有很长的路要走。 基于以上情况，研究各种新的控制算法，是很有意义的3。1.2 国内外交流伺服控制系统的现状 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，不考虑成本因素。 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。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、以及伺服专用模块也不足为奇。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。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。国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每22.5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4： 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，便于用户在不改变硬件配置的条件下，方便地设置各种工作方式，适用于各种场合，可以 驱动不同类型的电机，也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器。可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统。 5、智能化：现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能， 绝大多数进口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的可以自动 辨识电机的参数，自动测定编码器零位，有些则能自动进行振动抑止。将电子齿轮、电子凸轮、同步跟踪、插补运动等控制功能和驱动结合在一起。 6、网络化和模块化：随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕5。 1.3 本文的主要研究内容 本文描述了永磁同步电机控制系统的发展状况、结构和数学模型，简单介绍了永磁同步电机控制系统的工作原理，并在Matlab/Simulink环境下，通过对PMSM本体、d/q坐标系向a/b/c坐标系转换等模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统仿真模型。第2章 永磁同步电机的数学模型及控制方法2.1 永磁同步电机概述 交流伺服系统按执行元件的不同可分两类：一类为笼型异步电机构成的伺服系统：另一类为永磁同步电机构成的伺服系统。这两种伺服驱动在结构上非常相似，因为根据矢量控制原理，不管电动机的结构如何，二者的转矩产生原理相同。不同的是永磁同步电动机伺服系统中含有一个磁极位置传感器而异步电动机伺服系统中含有一个滑差频率计算电路。由于异步电动机具有自身难以克服的缺点，如： 1、需从定子侧励磁，因此，电动机功率因数低，造成变频装置输入的功率因素也低。和同容量的同步电动机相比，所用变频装置容量大。 2、转子参数受温度影响而发生变化，产生控制误差，影响其控制精度。 3、为提高其功率因数及效率，需尽量减少定转子间气隙。这使得制造困难，并且不适台工作于冲击振动大的场合。本章将阐述永磁同步电机的数学模型，及其常用的控制方法。2.1.1 永磁同步电机的结构和分类 永磁同步电机由定子、转子、机体三大部分组成，由于永磁同步电机是由绕线式同步电机发展起来的，因此其定子结构与绕线式同步电机的定子结构基本相同，由三相绕组以及铁心构成。定子三相绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。在转子结构上，永磁同步电动机用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。机体是整个电机的支撑框架，是整个系统的依托，它的好坏直接影响整个电机的性能。由于永磁同步电机具有高效、高转矩惯量比、高气隙磁场密度等优点，因此，广泛应用于伺服系统中。图2.1是永磁同步电机(单极)结构示意图。 图2-l永磁同步电机(单极)结构示意图 由永磁体构造的转子匀速旋转，将在空间上形成旋转磁场，切割定子三相绕组，并在定子绕组上形成感应电动势。根据感应电动势的不同，将永磁同步电机分为正弦波永磁同步电机和梯形波永磁同步电机，我们习惯称正弦波永磁同步电机为永磁同步电机；把梯形波永磁同步电机称为直流无刷电机，因为其在控制上更接近于直流电机的控制。2.1.2 永磁同步电机的数学模型 数学模型是描述实际系统性能和各物理量之间关系的数学表达式。对于永磁同步电机这类强耦合的非线性系统，其数学模型是分析电机性能、设计电机及其控制的基础，同时也为改善控制系统的性能提供了理论依据。 在讨论永磁同步电机的数学模型前，认为电机的定子和转子具有光滑的表面，忽略铁心磁饱和、不计涡流和磁滞损耗，永磁材料的电导率为零，定子三相对称，转子上没有阻尼绕组并且在结构上对称，相绕组中感应电动势波形为正弦。以上几点就形成了我们要研究的理想电机。虽然实际的永磁同步电机可能不具备理想电机的苛刻条件，但是这样可以使分析工作大大简化。况且也可以采用修正相关参数等办法来弥补。下面研究的工作都是建立在坐标变换原理的基础上。所以先讨论坐标变换。2.1.3 永磁同步电机中的坐标变换 在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的，它相对我们是静止的，即：三相静止坐标系ABC和两相静止坐标系a-p，它们的方向和定子三相绕组的位置相对固定，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为d-q坐标系，其中d轴跟单磁极的N极方向相同，即和磁力线的方向相同，g轴超前d轴90度。图22是定子两相静止坐标系投节与转子两相旋转坐标系d-q的位置关系图。 在矢量控制中，我们获取的是定子绕组上的三相电流，所以我们还需要解决的问题是怎么让三相电流产生等效电流矢量，等效到a-坐标系和d-q坐标系中去。图23是定子三相坐标ABC与两相坐标a-的位置关系图。 图2-2 a-坐标系与d-q坐标系的位置关系图 图2-3 ABC与a-的位置关系图对任意矢量有 （2-1）同时有 把电流在图2-3中分解得（其中分别是向量在轴，轴，A轴，B轴，C轴上的投影） （2-2）把该式写成矩阵形式，得到他们的转化阵为 （2-3）考虑到电枢绕组在不同坐标系的合成磁势相等和功率不变等因素，需要在他前面加个系数。-/ABC变换也称Clarke变换（3/2变换）如下 （2-4）ABC/-变换也称Clarke逆变换（2/3变换）如下 (2-5)d-q/-也称Park变换（交/直变换）和其逆变换（直/交变换）如下 （2-6）式中为两个坐标系之间的夹角。2.2 在定子坐标ABC和-上的数学模型永磁同步电机定子三相集中绕组分别为ABC，各相绕组的中心线在与转子轴垂直的平面上，分布如图2-4所示。三相绕组在空间上对称分布，而且通入三相绕组中的电流是对称的，又不考虑磁场的各次谐波则有以下条件成立 （2-7）图2-4 三相集中绕组分布图基于以上条件，三相绕组的电压方程可写为 （2-8）同理，根据前面介绍的Clark变换可以得到电机在-坐标系下的方程。2.3 在转子旋转坐标系d-q上的数学模型对于永磁同步电机来说，用固定于转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。图2-5是d-q旋转坐标系与ABC坐标系的位置关系。图2-5 d-q旋转坐标系与ABC坐标系其电路方程如下 （2-9）其中：，为d，q轴上的主电感；R为定子内阻；，为d，q轴上的电流分量；，为d，q轴上的电压分量；为转子角速度；为电磁转矩系数；为电磁转矩。运动方程如下 （2-10）式中：，J分别为电机阻转矩和转动系统的转动惯量。第3章 交流伺服电机控制系统工作原理3.1 PWM（PULSE-WIDTH MODULATION）技术脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，从测量、通信到功率控制与变换等许多领域中被广泛应用。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电 。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号5转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件开光开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM（包括电压、电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM4。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。PMSM系统要求电流环具有输出电流谐波分量小、响应速度快等性能。在PMSM系统的电流环中，必须满足内环控制所需要的控制响应速度，能精确控制随转速变化的交流电流频率。对于PMSM的控制，通常有两种控制方式，一种是针对电流的滞环控制，另一种是采用电压控制。滞环控制响应速度快，主要用在模拟控制中；电压控制的理论基础是空间矢量PWM控制，提高了逆变器的电压输出能力，保持恒定的开关频率，适合数字控制。PMSM系统一般由电流环、速度环构成的二环调节系统，各环节性能的最优化是整个系统高性能的基础，而外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。尤其的电流环，他是高性能PMSM系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证定子电流对矢量控制指令的准确跟踪，这样才能在电机模型中将定子电压方程略去，或仅用小惯性环节替代，达到矢量控制的目的。因而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，研究同步电动机矢量控制系统必须涉及到电流环的研究。电流控制是电动机转矩控制的基础，电流控制的目的是使三相定子电流严格地跟踪正弦的电流给定信号，对于PMSM它是一种正弦波反电动势的永磁电动机，为了获得平稳的转矩，定子电流必须是相互平衡且为转子电角度位移的正弦函数7。3.2 PMSM控制系统的运行原理电机调速的控制性能，可以归结为主要是对电机转矩的控制。长期以来，直流电机广泛应用于电机调速领域，这是因为直流电机的电枢电流与磁场相互正交，可以分别控制，具有良好的转矩控制性能。而交流电机的可控量是输入交流电压、电流，其转矩与磁场是复杂耦合的，不能简单地实现解耦控制，所以交流电机的转矩控制长期以来成为电机调速领域的难题。20世纪30年代以来，交流电机理论在同步电机双反应原理、旋转坐标变换等理论基础上逐步形成了交流电机派克方程，而后又由布朗进一步建立了电机的统一理论，从理论上证明了交流电机与直流电机的同一样性。在这些理论研究成果的基础上，1971年德国西门子公司的F.Blasschke 等发表的论文感应电机磁场定向的控制原理和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利感应电机定子电压的坐标变换控制，经过各国学者和工程师的研究、实践和不断地完善，形成现在普通应用的交流电机磁场定向控制系统，也成矢量控制系统。磁场定向控制系统的特点是通过坐标变换，把交流电机在按磁链定向的同步旋转坐标系上等效成直流电机，从而磨坊直流电机进行控制，使交流调速达到并超出传统的直流电机调速性能。这一原理的基本出发点是考虑到交流电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确地控制电磁转矩。仿效直流电机电流与同正交解耦可分别控制转矩特性，讲旋转的电机磁通作为空间矢量的参考轴，利用旋转坐标变换方法把定子电流变换为转矩电流分量的激磁电流分量，相互正交，可以分别独立控制，这种通过坐标变换重构的电机模型可以等效为直流电机，从而像直流电机一样实现转矩与磁通的准确控制。由于收到功率开关元件、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形式，在原理和控制方式上基本与直流电机系统类似，习惯称为永磁同步电机。这种电机通过正弦电流和连续的转子位置信号进行控制，理论上可获得平衡转矩。交流电机是一个非线性、强耦合的多变量系统。对于一般的三相交流电机，采用坐标变换，将三相交流绕组等效为两相互相垂直的交流绕组或旋转的两相直流绕组，变换后系统变量之间得到部分解耦，从而使得系统分析和控制大为简化。永磁同步电机的转子励磁永久磁铁提供。永磁同步电机的气隙长度在物理上是均匀的，但由于永磁材料的磁阻和铁磁材料的磁阻不一样，气隙磁阻的分布并不均匀，通常d轴即磁极轴线的磁阻比q轴相邻两个磁极磁阻的中性线的磁阻大。永磁同步电机模型如图，有四个输入端，一个输出端，其中A，B，C链接三相电压，输入端TM接入机械转矩信号。输出端M用于测量和观察同步电机的工作状态图 3-5 永磁同步电机模块、图 3-6 永磁同步电机模型参数对话框永磁同步电机模型可工作在发电状态或电动状态，它的工作方式取决于输入机械转矩极性，如果输入机械转矩为正，则工作在发电状态，如果输入机械转矩为负，则工作在电动状态。永磁同步电机的电气部分和机械部分都用二阶状态方程表示，并且模型假定定子磁通是争先分布的，因此产生的感应电动势也是正弦的。永磁同步电机模型建立在两相旋转坐标系d-q上，所有参数也是折算到旋转坐标系上。电机方程如下：电路方程为： 式中，为轴电成；为定子绕组电阻；为轴电流分量；为轴电压分量；为转子角速度；为极对数；为电磁转矩。机械方程：式中，为转子和负载的转动惯量；为转子和负载的摩擦系数；为转子位置角；为轴上机械转矩。第4章 交流伺服电机控制系统仿真的实现4.1 MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。4.1.1 MATLAB特点81、 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。 4.1.2 MATLAB优势1、 友好的工作平台编程环境2、简单易用的程序语言3、强大的科学计算机数据处理能力4、出色的图形处理功能5、应用广泛的模块集合工具箱6、实用的程序接口和发布平台7、应用软件开发（包括用户界面）4.1.3 Simulink简介9Simutink是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它是MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统级的建模与动态仿真工作平台。Simulink是用模块组台的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型的，特别对复杂的非线性系统，它的效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到的系统。另外，Simulink还提供了一套图形动画的处理方法使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但它可以提供S函数规则。所谓的S函数可以是一个M文件、Fortran程序、C/C+语言程序等，通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。同MATLAB一样，Simulink也不是封闭的，它允许用户可以很方便地定制自己的模块和模型库。同时Simutink也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应模块的说明，便于应用。 由于MATLAB具有以上其他计算语言无法比拟的优势，目前它己作为工程和科学教育界的一种行业标准。4.2 PI调节器正确选取PI调节器的比例增益和积分增益，直接关系到系统的稳定性、快速性和准确性。比例积分调节器有两个动态参数；比例增益和积分增益。对于偏差信号，如果只调节，虽然调节系统响应速度快，没有滞后现象，但有静差；如果只调节，虽然调节系统响应速度慢，有滞后现象，但没有静差；因此，对于比例增益和积分增益，一般都采用组合使用。比例调节器将输入的偏差信号放大输出，同时通过积分调节器将输入的偏差信号按时间逐渐积累从而消除静差，实现无差调节9。图4-5 PI调节器控制原理流程图线性系统的性能指标决定于系统本身的特性，而与输入信号的大小无关，同一个线性系统对不同幅值阶跃输入的瞬态响应间的区别，仅在于幅值成比例地变化，响应时间完全相同，单位阶跃输入瞬态响应特性曲线，其中各参数含义如下：(1)延迟时间，相应曲线第一次达到稳定值的一半所需的时间；(2)上升时间，相应曲线从稳态值的10%上升到90%100%所需的时间；(3)峰值时间，相应曲线到达第一个峰值所需的时间；(4)最大超调量，从1开始计算相应曲线的最大超调值；(5)调整时间，在相应曲线的稳态线上，用稳态值的百分数作为一个允许范围，相应曲线第一次到达并保持在这一允许误差范围所需的时间；(6)静差，指动态过程终了时，被调参数的稳定值与给定值之差，可正可负，静差用表示，数值大小由生产过程所要求的精度来确定，如果=0，为无差调节，如果0，为有差调节，静差属于调整精度的一个重要指标。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）两个运算放大器传递函数为： （4-13）比较（1）、（2）得： （4-14） （4-15）三运算放大器的传递函数为： （4-16）因此PI控制器参数与电路原件参数关系为： （4-17） （4-18）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： （4-19）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。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。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。4.3 仿真模型的建立永磁同步电机控制系统的仿真可由MATLAB/Simulink来实现，其仿真模型如图4-1。PMSM控制系统仿真模型主要由PMSM本体模块、d-q向a-b-c转换模块如图 3-4 、电流调节器如图3-3 、速度调节器如图3-2组成，如图3-1是一个典型的转速环、电流环的双闭环结构的系统。图 3-1 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和5为，6和7为，8为点角速度，9为电角度，10为电磁转矩），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。图 3-2 PI转速调节器图 3-3 PWM逆变器图 3-4 d-q向a-b-c转换模块4.4 仿真结果为了验证所建模型仿真模型的正确性和有效性，对模型进行了仿真实验。给定转速400rad/s，在t=0时，电机负载启动，在t=0.1s时负载由2Nm突变为8Nm，仿真时间为0.4s。其波形如图12、图13、图14所示： 相应的相应曲线图如下所示：定子绕组电流波形电磁转矩波形电机转速波形 从仿真结果我们可以看出，电机在通电以后，迅速到达最大转矩（30Nm），然后很快回到稳定值（2Nm）。转速以直线上升，迅速达到给定值400rad/s。在0.1s，负载转矩由2Nm突变为8Nm，转速有微小的震荡后回到给定值，定子电流在0.1s发生变化。 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。第5章 结论与展望 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。本文通过对电压空间矢量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步电机的数学模型，运用Matlab/Simulink软件，构建了永磁同步电机控制系统的模型，通过仿真结果可以看到系统能平稳运行，具有良好的静、动态特性，仿真结果符合永磁同步电机的运行特性，也为实际伺服系统的设计和调试提供了新的思路。 永磁同步电机以其效率高、比功率大、结构简单、节能效果显著等一系列优点在工业生产和日常生活中逐步得到广泛应用。尤其是近年来高耐热性、高磁性能钦铁硼永磁体的成功开发以及电力电子元件的进一步发展和改进，稀土永磁同步电机的研究开发在国内外又进人了一个新的时期，在理论研究和应用领域都将产生质的飞跃，目前正向超高速、高转矩、大功率、微型化、高功能化方向发展。如：1、 超高速电机：永磁同步电机不需要励磁绕组，结构比较简单,磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值从而使大幅度提高转速成为可能。2、 高转矩大功率电机:耐热 、 高 磁性能钦铁硼永磁材料的开发成功将使其在大功率永磁同步电机中获得重要应用。运输业和工业中诸如电动汽车、混合型(内燃机与电动机并用)动力汽车、列车、电梯、机床、机器人等，对大功率电动机的需求正在增长。3、 微型化:由于钦铁硼永磁的最大磁能积很高，特别是能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以制作的超微型和低惯量电动机得以实现。目前已开发出直径几毫米以下的超小型电动机用作医疗微型机器、眼球手术用机器人手臂或管道