永磁同步电机控制系统的研究.doc

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西京学院

本科毕业设计（论文）

题目：

永磁同步电动机控制系统的研究

教学单位：

机电工程系

专业：

自动化

学号：

0811060109

姓名：

刘明昊

指导教师：

阎治安

2012年5月

摘要

在进入80年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使永磁同步电动机能够进入普通民用的市场提供了可能，几十瓦到几百瓦永磁同步电动机开始在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。

永磁同步电动机的最本质特征就是没有机械换向结构，取而代之的是逻辑电路和功率开关线路共同组成的电子换相器，它把直流电逆变成交流电并按一定的次序通入电动机的定子绕组中以产生与定子磁场正交的转子磁场。

在使用中永磁同步电机相比有刷电机有许多的优点，比如：

能获得更好的扭矩转速特；性高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。

本文主要研究了永磁同步电动机调速系统的基本方法，主要内容有永磁同步电机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，在此基础上重点研究了永磁同步电动机的换相控制，并对永磁同步电动机调速系统进行设计。

最后利用MATLAB\Simulink面向电气原理结构图的仿真技术，设计了一个转速单闭环永磁同步电机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究永磁同步电动机。

关键词：

调速；PWM控制；永磁同步电动机；仿真

Abstract

Chin-Fe-Bpermanentmagnetmaterialsatlowerpricesinthe1980s,thepermanentmagnetsynchronousmotorcanprovidethepossibilitytoentertheordinarycivilianmarket,tensofwattstoseveralhundredwattsofpermanentmagnetsynchronousmotorsinmedicaldevices,instrumentsinstruments,chemicals,textilesandhomeappliancesandothercivilianareasdebuts.

NomechanicalchangetothestructureofthemostessentialcharacteristicofpermanentmagnetsynchronousmotorisreplacedbytheelectroniccommutationlogiccircuitandthepowerswitchingcircuitcomposedofDCreverseintoACpowerandpressacertainsequencewhichleadstothemotorstatorwindingtoproducethestatormagneticfieldorthogonalrotorfield.Intheuseofpermanentmagnetsynchronousmotorcomparedtothebrushmotorhasmanyadvantages,suchas:

Canyougetbettertorquespeedspecial;sexualhigh-speeddynamicresponse;highefficiency;longlife;lownoise;highspeed.Thispaperstudiesthebasicmethodofpermanentmagnetsynchronousmotorspeedcontrolsystem,themaincontentofthebasicprincipleofthepermanentmagnetsynchronousmotor,PWMSystemprinciplesandcontrolmethods,onthisbasis,focusesontheexchangeofpermanentmagnetsynchronousmotorcontrol,andpermanentmagnetsynchronousmotorspeedcontrolsystemdesign.LastuseofMATLAB\Simulinksimulationtechnologyfortheelectricalschematicblockdiagram,designspeedofasingleclosedlooppermanentmagnetsynchronousmotorreversiblePWMSystem,itssimulationandstudyofpermanentmagnetsynchronousmotoraccordingtotheanalysisofsimulationresults.

Keywords:

speedcontrol；PWMcontrol；permanentmagnetsynchronousmotor

I

目录

1绪论 1

2永磁同步电动机原理 2

2.1永磁同步电动机的概述 2

2.2永磁同步电动机本体 3

2.2.1电动机定子 3

2.2.2电动机转子 4

2.2.3有关电动机本体设计的问题 5

2.3转子位置检测 6

2.3.1位置传感器检测法 6

2.3.2无位置传感器检测法 7

2.4PWM调制技术 9

2.5永磁同步电动机电子换相器 12

2.5.1三相半控电路 12

2.5.2三相全控电路 13

2.6永磁同步电机的基本方程 14

3永磁同步电机控制系统的设计 18

3.1主电路供电方案选择 18

3.2逆变电路的选择 19

3.3基于MC33035的永磁同步电机调速系统 19

3.3.1MC33035永磁同步电机控制芯片 19

3.3.2基于MC33035的永磁同步电机调速系统设计 21

4永磁同步电动机调速系统的MATLAB仿真 24

4.1电源、逆变桥和永磁同步电动机模型 24

4.2换相逻辑控制模块 26

4.3控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计 28

4.4系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 30

4.4.1起动，阶跃负载仿真 30

4.4.2可逆调速仿真 33

5结论 34

6致谢 35

参考文献 36

西京学院本科毕业设计（论文）

1绪论

在进入80年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使永磁同步电动机能够进入普通民用的市场提供了可能，几十瓦到几百瓦永磁同步电动机开始在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。

在90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如GTR,GTO,MOSFET,IGBT的相继出现，另外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容量化的方向发展，使永磁同步电动机的很重要的一传统直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，被广泛地应用于对起动和调速有较高要求的拖动系统中，如电力牵引、轧钢机、起重设备等。

在使用中永磁同步电动机相比有刷电机有许多的优点，比如：

能获得更好的扭矩转速特性，高速动态响应；高效率；长寿命；低噪声；高转速。

另外，BLDC更优的扭矩和外形尺寸比使得它更适合用于对电机自身重量和大小比较敏感的场合。

由于这些特性，永磁同步电动机被广泛的用于日常生活用具、汽车工业、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪表。

目前国内外永磁同步电动机的一般控制技术应经比较成熟，但日本和美国具有较先进的永磁同步电动机制造与控制技术。

特别是日本在民用方面较为突出，而美国则在军工方面更加先进。

当前的研究热点主要集中在以下三个方面：

①研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；②从电机设计和控制方法等方面出发，研究永磁同步电动机转矩波动抑制从而提高其伺服，扩大应用范围；③设计可靠小巧，通用性强的集成化永磁同步电动机控制器。

但这些技术尚各自存在局限性，需要进一步的研究。

本文根据永磁同步电动机的基本原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，重点研究了永磁同步电动机的换相控制，并对永磁同步电动机调速系统进行设计。

最后利用MATLAB\Simulink面向电气原理结构图的仿真技术，设计了一个转速单闭环永磁同步电动机可逆脉宽调速系统，对其进行仿真，并根据仿真结果分析研究永磁同步电动机。

2永磁同步电动机原理

2.1永磁同步电动机的概述

永磁同步电动机属于同步电动机的一种，这就意味着它的定子产生的磁场和转子产生的磁场是同频率的，所以永磁同步电动机并不会产生普通感应电机的频差现象。

永磁同步电动机中又有单相、两相和三相电机的区别，相类型的不同决定其定子线圈绕组的多少。

在这里我们将集中讨论的是应用最为广泛的三相永磁同步电动机。

永磁同步电动机的主要由电动机本体、位置传感器（对于位置传感器检测方法）与电子开关线路三部分组成，永磁同步电动机工作原理如图2.1所示。

图2.1永磁同步电动机工作原理图

从图2.1可见，永磁同步电动机组件主要由电动机本体位置传感器和电子开关线路三部分构成。

其定子绕组一般制成多相，转子由永磁材料制成。

电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它起动装置。

其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4,……）组成。

定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。

当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转。

位置传感器则将转子磁钢位置信号变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

因此平常所说的永磁同步电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、电动机本体及位置传感器三部分组成的电动机系统。

2.2永磁同步电动机本体

2.2.1电动机定子

永磁同步电动机定子是由许多硅钢片经过叠压和轴向冲压而成，每个冲槽内都有一定的线圈组成了绕组。

从传统意义上讲，永磁同步电动机的定子和感应电机的定子有点类似，不过在定子绕组的分布上有一定的差别。

大多数的永磁同步电动机定子有三个呈星行排列的绕组，每个绕组又由许多内部结合的钢片按照一定的方式组成，偶数个绕组分布在定子的周围组成了偶数个磁极。

跟传统有刷直流电动机相比，永磁同步电动机的绕组分布在定子侧，更有利于散热。

电枢绕组可以Y接或△接，如图2.2所示，但是考虑到系统的性能和成本