永磁同步电机的设计与仿真

摘 要

永磁同步电机是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。它以体积小，损耗低，效率高等优点广泛应用于伺服驱动系统。永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统目前已经向数字化方向发展 ，进一步适应了高速高精度机械加工的需要。系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化。因此 ，如何建立有效的永磁同步电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法的设计人员迫切需要解决的问题 ，它对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义。本文提出了永磁同步电机 PMSM 控制系统仿真建模的方法 ，在 Matlab/ Simulink 环境下 ，通过对PMSM 本体、dq 坐标系向 abc坐标系变换及反变换、三相电流源逆变器、ASR和ACR等功能模块的建立与组合 ，构建了永磁同步电机控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性 ，验证了其控制算法 ，为永磁同步电机控制系统设计和调试提供了理论基础。

关键词：永磁同步电机，仿真，建模，模型，闭环，参数

目 录

摘要...................................................................................................................Ⅰ

第1章 引言.....................................................................................................1

1.1 永磁同步电机简介…………………………………………………………………...1

1.2 永磁同步电机的应用和发展状况……………………………………………...…....1

1.3 我国稀土永磁同步电机的发展趋势………………………………………………...2

1.4 本设计的主要内容…………………………………………………………………...3

第2章 同步电机基础.....................................................................................4

2.1 同步电机的基本工作原理和结构…………………………………………………...4

2.1.1 简介……………………………………………………………………………...………......…4

2.1.2 同步电机的工作原理……………………………………………………….....................……4

2.1.3 同步电机的基本结构………………………………………………………............…........….5

2.2 同步电动机的运行分析…………………………………………………………..….7

2.2.1 同步电动机概述………………………………………...…………………………......……....7

2.2.2 隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图………………………….………….….......7

2.2.3 凸极同步发电机的电动势方程和相量图……………………………………………….…....8

2.3 功角特性和功率平衡关系…………………………………………….....…….....….10

2.3.1 同步电机的功率、转矩平衡方程式………………………………………………….……....11

2.3.2 同步电机的功(矩)角特性…………………………………………………..………………...11

2.3.3 功率因数的调节…………………………………………………………...……………..…....12

2.4 同步电动机的起动…………………………………………………………….....…..14

2.4.1 起动问题…………………………………………………………………..…...……………....14

2.4.2 起动方法……………………………………………………………………..……………..….14

2.4.3 异步起动过程………………………………………………………………..……………..….15

2.4.3.1 起动过程……………………………………………………………………………..………..…..……..…..15

2.4.3.2 转子绕组的处理…………………………………………………………………………………..…....…....15

2.4.3.3 直流励磁绕组短路情况下的转矩情况…………………………………………………………………......16

2.4.3.4 同步牵入…………………………………………………………………………………………….…….....17

第3章 永磁同步电动机控制策略.................................................................19

3.1 永磁同步电动机的数学模型…………………………………………………….......19

3.1.1 永磁同步电机A-B-C坐标系下数学模型….…………………………………………….......19

3.1.2 永磁同步电机α-β坐标系下数学模型….………………………………..…………....……....21

3.1.3 永磁同步电机d-q坐标系下数学模型….………………………………………….....……...22

3.2 永磁同步电动机的控制策略…………………………………………………..….. ..23

3.2.1 恒压频比控制…………………………………………………………………………...……..24

3.2.2 矢量控制……………………………………………………….......………..............................24

3.2.3 直接转矩控制……………………………………………………………………………...…..24

3.2.4 解耦控制…………………………………………………………………………………...…..25

3.3 结语………………………………………………………………..………………….26

第4章 永磁同步电机的建模与仿真.............................................................27

4.1 基于Matlab的PMSM系统模型的建立…..……………………………….…….....27

4.2 PMSM的Matlab仿真………………………………………………………..……...28

4.2.1 引言…………………………………………………………………………....………...…......29

4.2.2 PMSM的仿真模型……………………………………………………………………...…….29

4.2.3 PMSM的仿真、仿真结果的输出及结果分析………………………………………...….…31

总结...................................................................................................................35

参考文献...........................................................................................................36

致谢...................................................................................................................37