永磁同步电机的设计与建模仿真_开题报告

一、文献综述

（一） 永磁同步电机简介

永磁同步电机 （permanent magnet synchronous motor），简称PMSM,是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。它的定子产生旋转磁场，转子用永磁材料制成。永磁同步电机广泛应用于伺服驱动系统,如:中小功率机床主轴驱动、位置控制、机器人系统、电梯、火炮瞄准、船舶推进系统等。它具有下列优点:无电刷和滑环,降低了转子损耗,从而可得到较高的运行效率；同样体积的电机,永磁式电机可输出更大的功率；转动惯量小,可获得较高的加速度；转矩脉动小,可得到平稳的转矩,尤其在极低的速度下也能满足有高精度位置控制的要求；零转速时有控制转矩；可做到高速运行；效率高,功率因数高；由于是稀土永磁磁极,可以获得较高的气隙磁密；装置结构紧凑。采用永磁同步电机的永磁交流伺服系统可将同步电机改造为具备与直流伺服电动机相类似的伺服性能,并以其优异性能成为精密电气伺服控制系统的一种优选方案,代表了电气伺服技术的发展方向,有望得到广泛的应用。

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无刷直流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 ，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。对于在 Matlab 中进行 PMSM 建模仿真方法的研究已经受到广泛关注 。本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上 ，借助于 Matlab 强大的仿真建模能力 ，在 Matlab/ Simulink 中建立了PMSM 控制系统的仿真模型 ，为 PMSM 伺服控制系统的分析与设计提供了有效的手段和工具。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。

（二） 永磁同步电机的应用和发展状况

   永磁同步电机以其特有的优点能够在石油、煤矿、大型工程机械等比较恶劣的工作环境下运行,这不仅加速了永磁同步电机取代异步电机的速度，同时也为永磁同步电机专用变频器的发展提供了广阔的空间。

   近十多年来，由于新技术，新工艺和新器件的涌现和使用，使得发电机的励磁方式得到了不断的发展和完善。在自动调节励磁装置方面，也不断研制和推广使用了许多新型的调节装置。由于采用微型计算机软件实现的自动调节励磁装置有显著优点，目前很多国家都在研制和试验用微型机计算机配以相应的外部设备构成的数字自动调节励磁装置，这种调节装置将能实现自适应最佳调节。

（三） 我国稀土永磁同步电机的发展趋势

稀土永磁同步电机的开发与应用扩大了永磁同步电动机在各个行业的应用，稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。它与电力电子技术和微电子控制技术相结合，可以制造出各种性能优异的机电一体化产品，如数控机床，加工中心，柔性生产线，机器人，电动车，高性能家用电器，计算机等等。随着稀土永磁电机技术的不断发展其行业逐渐呈现以下发展趋势。

1) 向高效节能方向

发展稀土永磁电机又是一种高效节能产品，平均节电率高达10%以上，专用稀土永磁电机可高达15%～20%。电动机的节能分两个方面。一方面是改革异步电动机的结构，提高效率和其他性能，异步电动机以其结构简单、价格便宜、适应各种工况条件等优点被广泛应用于工业生产各个领域。其次是发展永磁同步电动机，可以取得更高的节电效果。国外提高电动机效率的主要途径，是通过对异步电动机的优化设计，增加铜、铝、电工钢板等有效材料用量，降低绕组损耗和铁耗；采用较好的磁性材料和工艺，以降低铁耗：合理设计通风结构和选用高性能轴承，降低机械损耗；通过改进设计和工艺，降低杂散损耗，国外己开发出高效异步电机。根据我国国情，高性能的稀土永磁材料已实现产业化，钕铁硼的产量现已居世界第一位，钕铁硼的价格也趋向合理。因此发展永磁同步电动机成为新世纪电机工业技术发展趋势之一。

2) 向机电一体化方向

发展要提升传统机电产品的水平，必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础，是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机，如数控机床用伺服电机，计算机用VCM音圈电机。一台60把刀加工中心，要配备30台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。

3) 向高性能方向发展

现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求，如军事装备要求提供给各种高性能信号电机，移动电站，自动化装备用伺服系统及电机，航空航天用高性能、高可靠性永磁电机，化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机，数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机，计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。

4) 向专用电机方向发展

电机所驱动的负载千变万化，如全部采用通用型电动机，在某些情况下，技术经济很不合理。因此国外大力发展专用电机，专用电机约占总产量的80%，通用电机占20%。而我国恰恰相反，专用电机只占20%，通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门没计的，如油田用抽油机专用稀土永磁电机，节电率高达20%。这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身，更应当研究所驱动负载的特性，设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。

5) 向轻型化方向发展

航空航天产品、电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等，都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。永磁同步电动机以其体积小、节能、控制性能好、容易做成低速直接驱动及消除齿轮减速装置, 可通过频率的变化进行调速等优点, 在电梯技术上得以开发应用。相信随着电子技术和控制技术的发展，稀土永磁同步电机技术会朝着高效节能、机电一体化、高性能、专用电机、轻型化的方向发展并日趋完善。

二、^范文提纲

1、引言

1.1永磁同步电机简介

1.2永磁同步电机的应用和发展状况

1.3我国稀土永磁同步电机的发展趋势

1.4本设计的主要内容

2、同步电机基础

2.1同步电机的基本工作原理和结构

2.1.1简介

2.1.2同步电机的工作原理

2.1.3同步电机的基本结构

2.2同步电动机的运行分析

2.2.1 同步电动机概述

2.2.2 隐极同步电动机的电动势平衡方程式和相量图

2.2.3 凸极同步发电机的电动势方程和相量图

2.3功角特性和功率平衡关系 

2.3.1 同步电机的功率、转矩平衡方程式

2.3.2 同步电机的功(矩)角特性

2.3.3 功率因数的调节

2.4同步电动机的起动

2.4.1 起动问题

2.4.2 起动方法

2.4.3 异步起动过程

3、永磁同步电动机控制策略

3.1 永磁同步电动机的数学模型

3.1.1 永磁同步电机A-B-C坐标系下数学模型

3.1.2 永磁同步电机α-β坐标系下数学模型

3.1.3 永磁同步电机d-q坐标系下数学模型

3.2 永磁同步电动机的控制策略

3.2.1 恒压频比控制

3.2.2 矢量控制

3.2.3 直接转矩控制

3.2.4 解耦控制

3.3 结语

永磁同步电机的建模与仿真

4.1 基于Matlab的PMSM系统模型的建立

4.2 PMSM的Matlab仿真

4.2.1 引言

4.2.2 PMSM的仿真模型

4.2.3 PMSM的仿真、仿真结果的输出及结果分析

5、总结

三、参考文献

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