永磁同步电机矢量控制仿真研究_开题报告

一、研究背景和意义

电机是电能向机械能转换的装置，促进了社会的进步和人类的发展，是日常生产活动的重要动力来源。随着电力电子功率器件性能的提升、控制技术的不断创新、数字信号处理器的飞速发展和高性能永磁材料的应用，永磁同步电机凭借高扭矩密度、高功率因数和高效节能等优点，使其在交流伺服控制系统中得到了越来越广泛的应用，如航空航天器、数控机床、纺织机、电梯、信息系统等。此外，随着矢量控制技术和直接转矩控制技术的提出以及实用化，永磁同步电机的速控系统，越来越受到科技工作者的重视。交流调速的科研者对永磁交流调速展开研究，经过大量的研究工作，获得很多可喜的结果，但是仍然存在巨大的研究空间和利益价值。

随着社会的发展，城市越来越现代化，随之而来的环境污染问题也愈加严重。每年的冬天，全国各地都会出现大范围的雾霆天气，人们的生活质量和生命安全到了严重的威肋。对此，国家一方面开始对污染源进行控制，关掉小型的煤矿企业，减少化石能源的使用，另一方面大力发展和使用清洁可再生的新型能源，诸如风力发电，水力发电，太阳能发电等使得污染问题得到有效的缓解。永磁同步电机因其自身的优点，在新能源方面得到广泛使用，因此研究永磁交流电动机调速具有很重要的意义[1,2]。 

我国地域辽阔，人口众多，2017年，我国的总用电量达到6.27万亿kW, 其中工业用电总量为4.424万亿kW，电机耗电量占工业总耗电量的80%以上，但是高效节能电机的使用比例却不足5 %，且绝大部分为不调速运行，造成电力的极大浪费。随着国家对环保的重视，节能减排的实行在全社会己经达成共识，因此对高效节能电机的需求量逐年递增。与传统电机相比，高效节能电机效率可以提升10%左右，其中以第三代稀土材料钦铁硼为主的永磁电机的节电效率甚至可以达到巧15%左右。而且采用变频调速，电机至少节能20%，考虑其带来的技术与经济效益，研究永磁电机的变频调速意义深远。

二、国内研究现状

我国对交流控制技术的研究相对较晚，直至 20 世纪 70 年代才有一些高校和科研单位开始对其跟踪并研究，在当时可以不考虑成本的特殊情况下，所研制的伺服产品的应用领域也特别窄，主要是武器装备和宇航卫星等[]。 到了80年代，通过学习国外先进的交流电机矢量控制技术，使得我国在技术方面取得了重大突破，我国也由此在自动化控制技术方面取得了很好的成绩。然而，当时由于各种原因伺服系统并没有真正地实现产业化，比如由于决策失误的原因，导致我国曾花巨资引进了国外已经淘汰了的伺服技术，使我国在探索伺服技术自主化的道路上走了不少的冤枉路[3]。从 2000 年以后，国内的一些伺服系统制造商才开始重点研究国外伺服系统的先进技术，然后自主研发伺服产品，这才使得国产伺服产品在市场上开始占据了一地位[4]。 目前国内关于永磁同步电机控制器的研究主要集中在以下方面：

(1)核心器件技术

电力电子器件与微处理器是调速系统拥有良好调速性能的最关键的基础核心物理器件，是交流电机调速系统赖以发展的物质基础，同时也是矢量控制与直接转矩控制能否实现的保障，深刻影响着调速系统的发展与研究[7]。

(2)动态控制策略

基于永磁同步电机的强祸合性、时变性、非线性等特点，为了让调速系统具有优良的动静态且可靠的调速性能，控制策略的选择至关重要。目前在电机调速中常用的控制策略主要有转速开环电压频率比恒定控制、矢量控制和直接转矩控制[5,6]。

(3)多闭环控制算法

典型的永磁同步电机伺服系统是一个包含电流环、转速环、位置环的三环系统，各个环的调节器通常都采用的是PI调节器。矢量控制与直接转矩控制策略理论的实现都依赖精确的电机数学模型，但是永磁同步电机本质上是一个强祸合、高阶祸合的被控对象，在实际的运行中很多变量通常会发生变化，而且外部干扰可能会很大，而经典的PID控制方法属于线性控制，它的鲁棒性不够强、抗干扰性能差、控制性能不够稳定，无法克服这些影响，进而影响系统的性能[7]。

二、国外研究现状

 永磁同步电机变频调速系统是一个高阶多变量、强祸合的非线性系统，随着微处理器与高性能集成电路的快速发展和电力电子器件制造技术、电机驱动系统的不断改善。20世纪70年代，SIEMENS公司的Blaschke工程师最先研究了电机磁场定向矢量控制(FOC)方法，奠定了矢量控制的基础，使电机高性能控制成为可能。20世纪80年代，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授引入了又一高动态电机变压变频调速方法性，即直接转矩控制(DTC)方法对电机进行矢量控制，无需电流环和坐标变换，结构简单动态响应快。永磁同步电机调速理论将逐渐代替传统直流调速，具有广泛应用场合[8,9]。目前使用最广泛的永磁同步电机控制策略除上述两种方法外还有:转速开环的V/F恒压频比控制、I/F流频比控制等[10]。按照磁场定向矢量控制是上述方法中应用最广泛的一个，根据进行坐标变换所使用的参考角度不同分为定子磁场定向、转子磁场定向和气隙磁场定向，最为常用的为转子磁场定向矢量控制，发方法实现了对永磁同步电机变频调速系统中多个状态变量变量间的的解祸控制，这时电机的输出磁链和转矩由两个独立的控制量进行控制，使得永磁同步电机驱动系统等效为直流电机一样进行控制。转子磁链定向矢量控制的关键是能够准确观测到转子磁链的位置，这将直接影响到电机驱动系统系统的运行状况[11,12]。

目前，日本的安川、三菱、松下、发那科、美国的科尔摩根、德国的倍福等是国外生产交流驱动器比较有代表性的公司，这些公司生产的交流伺服驱动产品都着很好的性能，其中有的厂商生产的伺服产品可以与各类电机进行匹配，兼容性比较强。也正是基于这些优点，在我国的工业自动化生产中国外的伺服产品依然占主导地位，所以我国应加快自主研发全数字化伺服控制系统的步伐。 根据目前技术的发展方向，交流伺服系统的发展趋势主要包括数字化、高度集中化、智能化、网络化、模块化等。

高性能永磁材料技术的进步、电力电子功率器件和微处理器发展、新型控制方法的出现，促使永磁电动机向着拥有更大的调速范围和更高的精度的方向发展并在各领域广泛运用[13,14,15]。

(1)数字化

数字化是未来运动控制系统发展的必然趋势。采用硬件电路搭建的控制系统存在线路复杂、元器件参数不容易修改、受环境影响严重、体积大、可靠性不够等缺点，而采用高性能的DSP处理器为核心的数字化控制系统则不存在模拟控制系统存在的问题，利用软件编程可以改变控制器的参数和控制方法，灵活性极高，并且还具有体积小、可靠性高、抗干扰能力强、功耗低，数字化控制在电力电子的应用越来越普遍[16]。

(2)专用化

电机的负载特性各不相同，通用型的电机无法适应千变万化的市场需求，同时会带来能源上不必要的浪费。根据所驱动负载的特性以及用户使用的特定场合，开发专用的价格适中的永磁同步电机控制系统。

(3)一体化

将电机、变频器、通讯接口、显示等组成的交流电气传动系统进行一体化开发，集成度比较高，控制系统的体积小，简化整个控制系统的安装，控制系统的整体性能更好。目前，美国AMP公司，德国西门子，瑞士ABB，日本三菱、松下等公司都相继推出自己的一体化传动控制系统产品，广泛运用于材料加工、纺织业、制造业等行业。

(4)低成本化

为增强市场竞争力，汽车领域、工业控制领域和家用电器领域等不同领域，对控制简单、可靠性高、成本低廉的电机需求很高，在小功率电机系统中，位置传感器的和电机成本几乎相当，因此，带有无传感器控制技术的电机在未来拥有广阔市场。

B. ^范文提纲格式

引言：永磁同步电机控制发展和现状

一、永磁同步电机及SIMULINK介绍

（一）永磁同步电机简介

（二）SIMULINK仿真系统

二、永磁同步电机的数学模型

（一）永磁同步电机的结构

（二）永磁同步电机的数学模型

三、矢量控制原理

（一）坐标变化理论

（二）矢量控制

四、基于SIMULINK的永磁同步电机控制系统设计

（一）SVPWM仿真

（二）电流环和速度环控制器

五、仿真结果与分析

（一）仿真结果

（二）本章小结

C. 参考文献

[1]王鑫，李伟力，程树康.永磁同步电动机发展展望[[J].微电机，2007(05): 69-72.

[2]陈荣，严仰光.交流永磁伺服系统控制策略研究[[J].电机与控制学报，2004(03):20_5-208+236-292.

[3] Cirrincione M, Accetta A, Pucci M, et al. MRAS Speed Observer for High-Performance Linear Induction Motor Drives Based on Linear Neural Networks[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(1):123-134.

[4]王铁成, 代颖, 崔淑梅. 电动车用永磁同步电机研究状况[J]. 微电机, 2005, 38(1):55-57.

[5] 彭海涛，何志伟，余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].微电机，2010, 43(06): 78-81

[6]Summers S , Jones C N , Lygeros J , et al. A Multiresolution Approximation Method for Fast Explicit Model Predictive Control[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 2011, 56(11):2530-2541.

[7]钱照明，张军明，盛况.电力电子器件及其应用的现状和发展[J].中国电机工程学报，2014, 34(29): 5149-5161.

[8]Direct torque control of multilevel SVPWM inverter in variable speed SCIG-based wind energy conversion system[J]. Renewable Energy, 2015, 80:140-152.

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[10]辛小南, 贺莉, 王宏洲, et al. 永磁同步电动机交流伺服系统控制策略综述[J]. 微特电机, 2010, 38(2):67-70.

[11]刘军.永磁电动机控制系统若干问题的研究[D].上海:华东理工大学，2010.

[12]梁中. 基于TMS320F2812的永磁同步电机交流调速系统[D]. 长安大学, 2013.

[13]潘月斗，楚子林.现代交流电机控制技术[M].北京:机械工业出版社，2017.

[14]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统:运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.

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                                            2019年 10  月  19 日