第 1 章绪论1.1 课题研究的背景1.1.1 永磁同步电机的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NdFeB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的大国，稀土储量和稀土金属的提炼都居世界首位。随着稀土材料技术的不断发展，永磁材料的磁能积已经做的很高，价格也早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12。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。1.1.2 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 等方法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。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 诵惺保 臃⑷然嵩斐勺 硬问 浠 哟懦〉墓鄄庖览涤谧 硬问 宰 哟懦∧岩宰既饭鄄猓 沟檬导士刂菩Ч 岩源锏嚼砺鄯治龅慕峁 馐鞘噶靠刂剖导 系牟蛔阒 Α６ 来磐 降缁 捎糜来盘遄鲎 樱 问 瞎潭
ǎ 允噶靠刂朴来磐 降缁 ?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新技术34。
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、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、矢量控制、神经网络控制等可以高速、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新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是交流伺服系统的重要发展方向之一。1.1.3 计算机仿真技术的发展现代仿真技术1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5。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算法。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6。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。
1.2 本文主要工作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。第2 章建模与仿真建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个部分，同时考虑三个基本部分之间的联系，即建模与仿真关系。
2.1 建模与仿真的定义建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系，它通过对实验系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型，如图2-1 所示。仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行7。实验系统计算机建模仿真模型图2-1 建模与仿真的基本组成与两个关系2.2 实际系统实际系统是所关注的现
实世界的某个部分，它具有独立行为规律，是相互联系又相互作用的对象的有机结合。实际系统可能是自然的或人工的、现在存在的或者未来计划的。例如，一个进销存储系统是个人工系统，它包括经理部、市场部、采购部、仓储部和销售部等部门，各个部门相互独立又相互联系。总经理负责各个部分之间的协调，并负责主要的决策。使系统获得最大的利润。刚开始建模时，对建模者而言，实际系统可表征为系统行为数据源，即以X 对T X曲线为主要形式的行为数据源，是实际系统中感兴趣的变量，如房间里的温度、大气污染度等，T 是时间轴，用秒、小时、日、
月等度量，如图2-2 所示。图2-2 实际系统的一般表示对于一个系统来说，无论是大还是小，都包括三个要素：实体、属性和活动。实体是指组成系统的具体对象，系统中的实体既具有一定的相对独立性，又相互联系构成一个整体。例如，在进销存储系统中，经理、部门、商品、仓库、职员等都为实体。属性是指对实体特征的描述，用特征参数或变量表示。实际系统不是孤立的存在的，任何一个系统都将由于系统之外的变化而受影响。这种对系统活动产生影响的外界因素称为系统的环境。在系统建模的初始阶段，应考虑系统所处的环境，并首先应划分系统与其所处环境之间的边界。系统边界包围系统中的所有实体。系统边界的划分在很大程度上取决于系统研究的目的。2.3 模型与建模关系构造一个真实系统的模型，在模型上进行实验成为系统分析、研究的十分有效的手段。为了达到系统研究的目的，系统模型用来收集系统有关信息和描述系统有关实体。也就是说，模型是为了产生行为数据的一组指令，它可以用数学公式、图、表等形式表示。模型是对相应的真实对象和真实关系中有些
有用的和令人感兴趣的特征的抽象，是对系统某些本质方面的描述，它以各种可用的形式提供被研究系统的描述信息。模型描述可视为是对真实世界中的物体或过程的相关信息进行形式化的结果。从某种意义上说，模型是系统的代表，同时也是对系统的简化。另一方面，模型应足够详细，以便从模型的实验中取得关于系统实验的有效结论8。由一个实际系统构造一个模型的任务一般包括两方面的内容：第一是建立模型结构，第二是提供数据。在建立模型结构时，要确定系统的边界，还要鉴别系统的实体、属性和活动。而提供数据则要求能够包括在活动中的各个属性之间有确定的关系，在选择模型结构时，要满足两个前提条件：第一是要细化模型研究的目的，二是要了解有关特定的建模目标与系统结构性质之间的关系。一般来说，系统模型的结构具有以下一些性质910：l相似性。模型与研究系统在属性上具有相似的特性和变化规律，这就是说真实系统的“原型”与“替身”之间具有相似的物理属性或数学描述。2简单性。从实用的观点来看，由于在模型的建立过程中，忽略了一些次要的因素和某些非可测变量的影响，因此实际的模型已是一个被简化了的近似模型。3多面性。对于由许多实体组成的系统来说，由于其研究目的不同，就决定了所要收集的与系统有关的信息也是不同的，所以用来表示系统的模型不是唯一的。2.4 仿真关系仿真关系主要关注的是计算机执行模型所规定的指令的真实性，一个模型的程序能否真实地体现模型所具有的内涵，称之为程序的准确性，要验证模型的有效性，需要把模型的行为同实际系统的行为进行比较，这样才不会把程序问题和模型问题混淆起来。这就要求我们必须懂得仿真过程，包括仿真机理和仿真策略。2.5 建模与仿真工作内容任何一个科学领域的科学研究都会涉及建模与仿真的问题，建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容。其
技术也渗透到各学科和工程技术领域。为了让建模与仿真研究成果更好地被直接应用或者用来指导将来的工作，使这项工作对科学与工业能有长期贡献，并让有关用户和同行能更好理解和交流有关工作及实验。仿真建模表示内容可规范如下6-10：1模型和针对模型构造的假设的非形式描述2模型结构形式描述3执行仿真的程序设计4仿真试验、试验结果及分析5模型应用的范围、有效性6现在模型与过去的和将来的模型的关系2.6 本章小结建模与仿真活动一般由下面五个要素组成：实际系统、实际框架、基本模型、集总模型和计算机。第 3 章永磁同步电机结构及其数学模型3.1 永磁同步电动机的概述3.1.1 同步电机的基本原理同步电动
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机极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机由定子和转子两大部分组成，电动机定子由定子铁心、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隙均匀，而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不均匀，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心上，而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现N，S 极交替排列1112。同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组接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电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：nns60fs/pn。式中fs 为电源频率；pn 为电动机的极对数；ns 为同步转速。 3.1.2 永磁同步电机的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3-1 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在空间旋转的圆形磁场，其转速为nns60fs/pn。式中，fs 为电源频率；pn 为电动机的极对数；ns 为同步转速。永磁同步电机的转子通常由转子铁心、永磁体磁钢和转子转轴组成。目前，永磁同步电机常用的永磁材料是钕铁硼合金NdFeB 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3-1 所示。a表面粘贴式b为表面插入式c内置式图3-1 永磁电机的转子结构其中图3-1a为表面粘贴式，图3-1b为表面插入式，图3-1c 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3 -1a所示的转子结构，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交、直轴电感相等，即LdLq，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LdltLq，表现出凸极电机的性质。前两种转子结构的永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的表面上，提供径向的磁通，可减小转子直径，从而降低了转动惯量。若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动态性能的改善。内置式转子结构的永磁体通常为条状，位于转子铁心内部，机械强度高，磁路气隙小，提供的磁通方向与转子的具体结构有关。由于此种转子磁路结构具有不对称性，产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度，适用于弱磁控制的高速运行场合13-16。对于永磁同步电机，其定子绕组电流为正弦波。为了使电机具有恒力矩输出，电机应具有
正弦波反电势，以保持电磁转矩恒定。通过合理的设计，表面式、插入式和内置式转子均可使电机实现正弦波反电势。3.1.3 永磁同步电机的分类永磁同步电机的分类方法很多。按转子上有无起动绕组，可分为异步起动永磁同步电动机和永磁同步电动机无起动绕组的电动机；根据永磁铁的形状的不同，可分为表面式和嵌入式；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，正弦波永磁同步电机称为永磁同步电机；按工作主磁场方向不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电驱绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；根据极对数的不同，可分为单极永磁同步电机和多极永磁同步电机；因为在控制上更接近于直流电机的控制，梯形波永磁同步电机称为直流无刷电机11-16。由于永磁同步
电动机中不含高次谐波，涡流以及其磁滞损耗较小，所以电机效率会增加。永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流，所以永磁同步电动机产生的转矩脉动远低于永磁无刷直流电动机。3.1.4 永磁同步电机的特点与应用现在永磁同步电机的输出功率从几毫瓦到几千瓦，覆盖了微、小及中型电机的功率范围，且延伸至大功率领域。在永磁同步电机中，用于励磁的永磁铁取代了转子的直流励磁绕组，从而励磁铜耗得以消除，转子惯性也相应的降低，并且转子结构更加坚固。与此同时，永磁同步发电机与传统的发电机相比不再需要集电环和电刷装置，结构更加简单，且故障率也得到了减少；采用稀土永磁体后还可以增大气隙磁密，电机转速被提高到最佳值，提高了功率质量比。这些原因使其具有了普通电机所不具备的显著特点：即轻型化、小尺寸、高性能化和高效节能。虽然永磁同步电动机转
子结构差别较大，但由于永磁材料的使用，永磁同步电机具有如下共同的特点14-19：1体积小、质量轻。近些年来，随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大提高，与同容量的异步电机相比，体积和重量都有明显的减小，使其适合应用在许多特殊场合。2功率因数高、效率高、节约能源。永磁同步电机与杏Φ缁 啾龋 恍枰 诺缌鳎 梢韵灾 岣吖β室蚴 跣《ㄗ油 摹６ 矣来磐 降缁
?5-120额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。3磁通密度高、动态响应快。高永磁磁通密度、轻转子质量，带来高转矩惯量比，有效提高了永磁同步电机的动态响应能力。4可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，由于取消了集电环和电刷等机械换向装置，成为无刷电机，这不但减少了机械和电气损耗，而且还不会产生电刷火花所引起的电磁干扰，永磁电机机械结构简单牢固、运行可靠。5具有严格的转速同步性和比较宽的调速范围。对于要求多台电动机同步运行的调速系统具有突出的优点，变频电源可实现开环控制，且调速控制方便，并在所有频率范围内均能稳定运行。6永磁同步电动机的缺点是失去了励磁调节的灵活性；可能会出现退磁效应；钕铁硼永磁材料温度系数较高，造成其磁性能和热稳定性较差；由于材料中含有大量的钕和铁，容易锈蚀等。正是由于永磁同步电机这些优点，国内外许多领域用的特殊电机、高性能电机都采用永磁同步电机方案目前节能降耗已经成为我国基本国策，推广应用永磁同步电机可以促进电机系统节能工作发展，促进节能降耗目标实现。永磁同步电机在电梯领域的应用。传统的电梯拽引技术
应用了齿轮间接驱动系统，由于有齿轮驱动系统存在，使得整个驱动系统材料消耗较大、运行效率低以及维护复杂、噪声大等缺点。因此相比有齿轮驱动系统，采用永磁同步电机直接无齿轮驱动的电梯系统在节能、环保方面有着突出的优点。国内外纷纷开始研究开发无齿轮永磁同步电梯拽引机，日本三菱公司首先在高速电梯上使用永磁同步拽引机，采取了有效措施抑制高次谐波以降低低频转矩脉动，提高了其运行性能，通力公司开发了ECODISO 永磁盘式无齿拽引机，应用于机房电梯。永磁同步电机在船舶电力推进领域的应用。由于永磁同步电机效率高，轻量化和高性能等特点，因此得到了船舶综合电力推进系统供应商青睐，比如船舶电力推进系统三大供应商之一的西门子就开发出了以永磁同步电机为SPP 推进系统。效率较高的永磁同步电机是SPP 系统的效率得到明显提高。永磁同步电机在混合动力汽车领域的应用。永磁同步电动机是各种电动车驱动电机的发展方向之一。日本1965 年就开始研制电动车，于1967 年成立了日本电动车协会。1996 年，丰田汽车公司研制的电动车RAV4 就采用了东京电机公
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议