永磁同步电机开题报告.docx

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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。

（3）速度控制器 

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r，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.给定的转速量和PMSM反馈的转速量进行比较，由速度控制器处理得到转矩。

（4）转矩和磁链的计算

假设忽略电动机铁心的饱和，不计电动机中的涡流和磁滞损耗，转子无阻尼绕组。

则永磁同步电机在d－q轴系下的电压、磁链和电磁转矩方程[1]为：

式中，Ld、Lq分别为d轴和q轴电枢电感；Rs为定子电阻；ω为转子角速度；ψs为定子磁链；ψf为永磁体产生的磁链；Te为电磁转矩；Np为极对数；δ为定、转子磁链之间的夹角，称转矩角；p为微分算子，

。

式子表明转矩和转矩的变化与δ的变化存在复杂的非线性关系，直接转矩的基本思想是在保持定子磁链幅值不变的情况下，通过控制δ和δ的快速变化来实现对电机电磁转矩的有效控制。

（5）磁链调节

永磁同步电机在（x-y）坐标系的磁链方程为：

其中Ld、Lq为永磁同步电机轴主电感；ψs为定子磁链幅值；ψr为转子磁链幅值；σ为定转子磁链

夹角。

从公式

（1）可以看出，电磁转矩由两部分组成：

第一部分是由永磁磁链产生的励磁转矩；第二部分是由电机的凸极性引起的磁阻转矩。

故永磁同步电机的输出转矩与定子磁链幅值、转子磁链幅值及定转子磁链夹角σ的正弦值有关。

在PMSM的控制过程中，当忽略定子电阻时，定子磁链和转子磁链的夹角σ为负载角。

稳态时，相对于某一负载转矩，σ为一常量，定子磁链和转子磁链以同步速度旋转；暂态时，σ为变量，定子磁链和转子磁链不以同步速度旋转。

由此可知，当保持定子磁链为恒定值，永磁同步电机的转矩随转矩角的变化而变化。

因为电机电磁的常数小，电机定子磁链旋转速度较转子旋转速度容易改变，从而，转矩角的改变可以通过改变定子磁链旋转速度和方向来实现。

因此，在实际运行中保持定子磁链的幅值为额定值，以充分利用电动机铁心，永磁同步电机转子磁链幅值一般为恒值，要改变电动机转矩的大小，可以通过改变定转子磁链夹角的大小来实现。

（6）坐标变化

对于同步电机来讲，矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施是落到对定子电流（交流量）的控制上，由于在定子侧的各物理量都是交流量，其空间矢量以同步转速在空间旋转，对其调节、控制和计算均不方便。

因此，需要借助坐标变换的方法，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，从同步旋转坐标系观察，电动机的各空间矢量就变成了静止矢量。

Clark变换是将三相静止坐标系A、B、C向两相静止坐标系α，β转换：

电流矢量，在a，p轴上的分量为Ia，Ip，用公式表示为：

IaIβ为ap轴上的两相

电流矢量，在A、B、C三相上的分量i。

，ib，ic用ia，iB可表示为

IaIbIc为ABC轴上的三相

矩阵形式为：

Park变换是将两相静止坐标系0、D向两相旋转坐标系d、q的转换。

三、作者已进行的准备及资料搜集情况

 了解课题研究内容，查阅相关资料 收集整理与课题相关的资料 根据收集的资料，进行开题报告的撰写 修改并完成开题报告 完成外文翻译 掌握永磁同步电机的工作原理及结构特点 

四、阶段性工作计划与预期研究成果

周次

工作内容

预定目标

1-2

翻译、撰写实习报告

文献翻译语句通顺流畅，实习报告内容具体充实且尽量与课题有关。

3-4

查阅文献资料，撰写开题报告

广泛了解与课题有关的文献资料，提出合理可行的设计方案，撰写的开题报告。

5-8

设计系统总体方案

着手进行系统详细设计方案的实施，并按时完成各阶段性设计任务。

9

期中检查

按时保量完成上述任务。

9-12

实现系统设计方案并测试运行

实现课题设计方案并进行有效测试，分析测试结果。

13-15

撰写毕业论文

撰写结构合理的毕业论文。

16

答辩

完成既定毕业设计，顺利通过答辩

预期研究成果

一到两周了解课题研究内容，对外文文献翻译基本流畅。

三到四周查阅相关资料 收集整理与课题相关的资料 根据收集的资料，进行方案的设计，开题报告的撰写 。

五到八周修改并完成开题报告 完成外文翻译 掌握永磁同步电机的工作原理及结构特点 。

第九周完成上述的任务。

九到十二周开始编写程序，建立模块

十三到十五周开始写论文

十六周答辩

五、主要参考文献

参考文献 

[1]陈荣.永磁同步电机控制系统[M].北京：

中国水利水电出版社，2009.

[2]孙凯，周大宁，梅杨.矩阵式变换器技术及其应用[M].北京：

机械工业出版社，2007.

[3]周扬忠，胡育文.交流电动机直接转矩控制[M].北京：

机械工业出版社，2010.

[4]李建超，安群涛，赵克，孙力.一种基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真实验研究.电机控制与应用，2008

[5]王巍，侯利民，李洪珠.基于Matlab/Simulink表面式永磁同步电机控制系统仿真研究.长春工业大学学报，自然科学版，2007，28（3）.

[6]刘军，俞金寿.永磁同步电机控制策略.上海电机学院学报，2007，10（3）.

[7]张岳.基于SIMULINK的永磁同步电机控制系统的仿真设计.辽宁科技学院学报，2007，9

（1）.

[8] 潘建，永磁同步电机控制器MC33035的原理及应用。

《国外电子元器件》， 2003年第 8

期  

[9] Satoshi Ogasawara，Hirofumi Akagi, “An Approach to Position Sensorless Drive for 

Brushless DC Motors”, Nagaoka University of  Technology 

[10]The Mathworks, “SIMULINK Model-Based and System-Based Design，Writing 

S-Functions”. Version 5 COPYRIGHT 1998 - 2002 by The MathWorks, Inc.  

 [11] Derek Liu, “Hands-on Workshop:

 Motor Control Part 4 -Brushless DC Motors Made 

Easy”.Freescale Technology Forum, November, 2008 

[12] “MC33035 Brushless DC Motor Controller”, ON Semiconductor,2004 [

13] Y. S. Lai, “Control technique for brushless DC motor drives,” J. of Electrical Monthly, Vol. 

169, pp. 234-241, Nov., 2004.

六、指导教师审阅意见

签名

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