永磁同步电机开题报告

题目：

一、前言

1．课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势

1.1.1课题研究背景、目的及意义

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、传感器技术、稀土永磁材料与电动机控制理论的发展，交流伺服控制技术有了长足的进步，交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统，借助于计算机技术、现代控制理论的发展，人们可以构成高精度、快速响应的交流伺服驱动系统。因此，近年来，世界各国在高精度速度和位置控制场合，己经由交流电力传动取代液压和直流传动。

二十世纪八十年代以来，随着价格低廉的钕铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的发展，世界各国(以德国和日本为首)掀起了一股研制和生产永磁同步电机及其伺服控制器的热潮，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，永磁同步电机伺服系统是主要的发展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善[3]。以往同步电机的概念和应用范围己被当今的永磁同步电机大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。

由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步推广，尤其在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛的应用。

尽管永磁同步电动机的控制技术得到了很大的发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自适应方法等都在实际中得到应用。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。

1.1.2 课题国内外研究现状及趋势

电机控制技术是伺服驱动控制的核心。从发展的历程来看，电机控制技术与电动机、大功率器件、微电子器件、传感器、微型计算机以及控制理论的发展密切相关。最初的随动伺服系统是在美国诞生的火炮瞄准随动系统。此后，随着生产的发展和科技的进步，随动系统有了长足的进展。1971年，德国学者相继提出了交流电机的矢量变换控制的新思想、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的不足之处。

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，由德国鲁尔大学M.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。目前该技术己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新技术.

1.1.3永磁同步电机控制系统的发展趋势

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、自调试及自复位等功能。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。近几年，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、位置环、电流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、矢量控制、滑模变结构控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成。

国内外专家学者对交流电机控制技术的研究正处在热潮。同时，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、滑模变结构控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，并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是交流伺服系统的重要发展方向之一

2．课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题

研究目标、内容：

(1)掌握永磁电机工作原理及控制规律；

(2)设计永磁电机控制方案；

(3) 运用Matlab仿真实现永磁电机控制，达到理想控制目标。

技术要求：

电脑、matlab

拟解决的关键问题：对使用MATLAB软件进行仿真不熟悉

如何建立永磁同步电机矢量控制闭环系统仿真模型

永磁同步电动机电子换相器

永磁同步电动机的基本方程

二、研究方案的确定

研究路线、方法，拟使用的主要仪器、药品

永磁同步电机的直接转矩控制系统原理图如图所示。其工作原理及控制过程如下：通过检测逆变器输出的三相相电流以及逆变器直流侧电压，利用坐标变换和系统控制规律可计算出电机的定子磁

链；根据计算的磁链和实测的电流来计算电机的瞬时转矩；再根据筇轴定子磁链来判别其位置所在的扇区；速度调节器根据转速参考值和实际转速的偏差来确定转矩参考值，并与反馈转矩相比较，得到的偏差经滞环比较器得到转矩的控制信号，电机的转速可通过光电编码器获得，也可通过定子磁链的旋转速度估计得到，实现无速度传感器运行；

（1）PMSM

运用永磁同步电机(PMSM)可以节约能源，促进节能降耗目标的实现。从PWM 逆变器中出来的电流Ia ，Ib ，Ic ，使PMSM 产生转速，通过速度传感器的调节反馈给速度控制器。下图为A 、B 、C 三相坐标系中同步电机数学模型

PMSM 电机物理模型

在图中，as 、bs 、cs 为电机三相定子绕组的轴线，θ为转子d 轴轴线与A 相绕组轴线的夹角，ψf 为转子永磁铁产生的过定子磁链，is 为电机定子三相电流的综合矢量。

（2）PWM 逆变器

利用逆变器中功率管的不同开关组合提供要求的开关矢量(电压矢量、电流矢量)，实现对定子磁链和电磁转矩的直接而快速控制。在直接转矩控制中应用较多的是三电平逆变器，它可以提供27种开关组合，为定子磁链矢量幅值和相位控制提供更多的控制自由度。但值得注意的是交-直-交电压型逆变器含有大电容作为直流储能环节，造成逆变器体积大、重量重，而且不易维护。 N S

A B

A'

B'C

C'as bs

cs ωψf i s

θ