选题报告 永磁同步电机.docx

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选题报告永磁同步电机

一、立题依据

课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的、理论意义、实际应用价值

自从电气化时代开始以来，电动机成为重要的动力来源。

起初，由于直流电动机具有很好的运行性能与控制特性而长期垄断着调速市场，但是受换向器和电刷的限制，使得直流电机制造复杂、成本较高、不适用于防腐防爆的特殊场合、需要定期维修。

因交流电机没有电刷，相对而言结构简单、价格便宜、适合在恶劣条件下工作、坚固耐用且维修方便，因此人们长期以来致力于研究能取代直流系统的交流调速方案。

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。

电机作为一种能量转换装置，广泛存在于各个领域。

永磁电机采用永磁体代替通电线圈励磁的一种电动机。

其起源很早，在19世纪二十年代所出现的第一台电机就是由永磁体产生励磁的永磁电机，但当时所采用的永磁材料是天然磁铁矿石，磁能密度低，所制成的电机体积大，不久便被电励磁电机所取代。

20世纪80年代，随着价格低廉的钕铁硼（NdFeB）永磁材料的出现，使永磁同步电动机（PMSM）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动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，永磁同步电动机伺服系统是主要的发展趋势。

永磁同步电动机伺服系统是一种闭环控制系统，它彻底克服了永磁式步进电动机驱动系统（开环控制系统）所固有的振荡和失步等缺点，提高了电动机的输出转矩与电流比，较之永磁式步进电动机驱动系统具有更高的运行速度，更稳定、更光滑的运行性能及更强的位置控制能力。

永磁同步电机用永磁体代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，同其他电机相比，永磁同步电机有以下优点:

1.可靠性高

与电励磁同步电动机和直流电动机相比，无电刷，结构简单，系统的安全性能自然得以提高，维护也变得简单。

2.体积小、重量轻

随着技术水平的不断发展，人类可以研制出更高性能的永磁材料用于永磁电机的制造，电机性能得巨大提高，与同等容量的励磁电动机相比，其重量、体积都减小了很多，能满足对重要体积要求较高的场合，应用范围更广。

3.动态响应迅速，电磁转矩波动小，具有很强的过载能力。

永磁同步电动机可以达到三倍以上的额定转矩，对于转矩特性变化要求较大的负载场合十分适用。

4.效率高、功率因数高

与异步电动机相比，永磁同步电动机无无功励磁电流，因此具有功率因数更高，定子电流、定子铜耗更小，并且转子中不会产生铜耗的优点，同样的输出功率下总损耗降低，电机发热降低，进而可以减小风扇容量甚至去掉风扇，同时也减小了相应的风摩损耗，使得它的效率相对异步电动机提高2%至8%。

5.结构多样化,应用范围广泛

永磁同步电动机转子结构可以多样化，因此会有各种结构不同的特点和性能各异的许多品种。

总之可靠性高、体积小、重量轻、高功率因数、动稳态性能优良，生产成本不断降低，性能不断提高的永磁同步电动机具有广阔的应用前景，其控制系统也有巨大的研究价值。

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，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。

其中，矢量控制技术与直接转矩控制是目前比较成熟的电机控制策略，均能达到较理想的调速性能，具有较好的动态响应速度，较宽的调速范围。

矢量控制相比较直接转矩控制控制技术，在永磁同步电机系统中得到了更为广泛的应用。

直接转矩控制理论尚需进一步完善，其在低速性能、转矩脉动、电机启动等方面存在的问题有待进一步解决。

因此，永磁同步电机系统的控制方案目前一般选取矢量控制方案。

本文按转子磁链定向的矢量控制系统进行了研究，此方案能够实现此方案能够实现电动机的解耦控制，控制简单。

二、文献综述（综述中引用的文献应按文中标注出现的顺序附后）

本课题的国内外研究现状、发展动态

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。

国外对于交流伺服系统的探索始于二十世纪七十年代初，德国学者在1971年提出了矢量控制方法，这种方法可以使交流电机气隙磁场和电磁转矩相互正交，达到解耦控制的目的。

在同步正交旋转坐标系中，电机的直轴分量与转子磁场重合，所以矢量控制方法称为转子磁场定向控制。

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。

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。

矢量控制也称为磁场定向控制，它着眼于电机磁场的直接控制。

可以获得与直流电动机一样良好的动态调速特性错误！

未找到引用源。

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矢量控制系统有较好的动态响应速度，可实现较宽的调速范围。

在矢量控制系统中，采用了非线性坐标变换，所以对控制器的运算速度、处理能力等性能要求较高；三相感应电动机矢量控制运算及转子磁链估计中要使用电动机参数，转子参数变化势必影响其控制的精确性，所以精确的矢量控制系统要对电动机的参数进行估计与校正。

因此这种控制方式比较复杂，计算量较大错误！

未找到引用源。

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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。

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。

随着现代电力电子技术的发展和交流电机控制理论的不断完善，交流电机控制系统己经开始逐步替代直流电机控制系统。

交流电机控制系统在八十年代进入了实用阶段，到了九十年代交流电机控制技术己经趋于成熟。

纵观国际交流电机伺服系统市场，美、德、日、韩等国生产的交流电机伺服系统产品处于垄断地位。

国外的大公司，如美国的ABB、德国的西门子、日本的三菱、韩国的三星等生产的交流电机伺服系统产品比国内的产品具有明显的技术优势错误！

未找到引用源。

。

目前，我国在交流电机控制技术的研究领域与国外的发达国家相比还存在着很大的差距。

从二十世纪八十年代开始，我国开始大量引进国外先进的交流电机控制技术。

国内的相关科研院所及各大高校纷纷投入时间和精力开始交流电机控制系统的研究。

尤其是国内的科研院所，由于国家大量科研经费的投入，在交流电机控制技术的研究方面取得了较为丰硕的成果。

近年来，我国在电机控制理论的研究上己经取得了巨大发展，与西方发达国家的差距也在不断缩小。

但是由于我国机械、电子等行业的制造水平与国外还存在较大差距，所以在交流电机伺服系统产品的开发上仍然落后于国外发达国家。

国内开发的交流电机伺服系统产品主要涉及中、低档的电机产品，在高档交流电机伺服系统产品方面，我国更是落后美、德、日、韩等发达国家，在行业的整体规模和产品性能上都落后于国外的产品，目前国内生产的交流电机伺服系统根本就不可能和国外的产品竞争，交流电机控制领域的落后己经严重制约了我国工业的发展错误！

未找到引用源。

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控制算法是把现代控制理论应用于交流调速系统中，使系统具备更好的鲁棒性和更好的动静态性能。

一种好的控制算法不仅能显著提高调速系统的各种性能，有时候还能弥补系统硬件的不足。

所以，交流调速系统控制算法的研究一直是国内外广泛关注的方向之一。

随着现代控制理论的不断发展，各种先进的控制算法被陆续提出来并应用到交流调速系统中，应用于永磁同步电机调速系统的控制算法，主要有以下几种:

（1）PI控制算法

PI控制算法是交流调速系统中经典的控制算法，由于其结构简单，原理清晰易懂，且动态性能较好，所以其应用非常广泛。

在一个完整的交流伺服系统中，不仅系统的速度环可以用PI控制算法的调节器，电流环以及位置环也同样适用。

但是PI算法也有其明显的缺点，比如:

系统稳定性较差，易受外部干扰，参数等的影响，系统控制参数的选取和确定需要理论和经验的结合，需要反复的实验，传统PI控制的缺点，且对外部负载的变化反应能力较差等。

近年来，针对许多专家学者进行了大量研究和改进，出现了很多新型的永磁电机调速系统控制器。

（2）模糊控制算法

模糊控制主要针对于复杂的系统，由于复杂的系统具有变量多，难以正确描述等特点，传统的控制理论在对其控制时往往不能达到理想的控制效果，因此，利用模糊数学理论的模糊控制算法被人们广泛研究，旨在解决简化复杂系统的问题错误！

未找到引用源。

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模糊控制具有一些突出优点，比如:

模糊控制具有非常强的鲁棒性，可以被用来解决非线性，时变等这些传统控制不能解决的问题;模糊控制不需要知道复杂系统的数学模型，只需要系统的一些数据和操作人员提供的操作信息等;模糊控制采用“不精确推理”，整个过程模仿人的思维过程，能够处理各种复杂程度的系统。

随着科技的发展，模糊控制的研究将会越来越成熟，应用的领域也将越来越广泛。

（3）滑模控制算法

滑模控制又叫变结构控制，通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面上下切换，在参数变化和存在外部干扰时仍然具有不变性，是一种应用广泛，可适用于多种系统的控制理论。

由于滑模控制的算法简单，作用于各种系统的效果都较好，且鲁棒性强，所以国内外大量学者都对其进行了大量研究。

但是滑模控制也有其不足之处，就是其抖振问题，对于解决其抖振和应用的问题，依然是以后研究的热点，特别是永磁同步电机调速系统的滑模控制错误！

未找到引用源。

，随着各种削弱抖振方案的提出，将会得到越来越广泛的关注。

（4）自适应控制算法

自适应控制是指当外界发生变化或者系统产生不确定性时，系统的控制系统能够自行调整参数，或者通过对系统进行控制，使系统仍能运行在最佳状态的控制方法。

通俗的讲就是它能够修正自己的特性以适应系统的变化，使系统具有良好的动态特性。

通常自适应控制的对象都具有一定得不确定性，即系统的数学模型不能完全确定，往往包含一些未知因素错误！

未找到引用源。

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自适应控制也是一种基于数学模型的控制方法，但是由于系统的不确定性，系统的模型不够精确，所以需要在模型运行的过程中提取系统的信息，依据系统的输入输出数据来辨识模型参数，这个过程反复进行，通过在线辨识，系统的模型就会越来越清晰，越来越准确。

所以自适应控制的算法不需要对参数进行估计，在没有精确数学模型的情况下，通过不断的实验来逼近实际模型，达到控制的效果。

但是自适应控制也有其不足，即自适应控制与常规的控制相比要更加复杂，相对来说成本也高出许多。

（5）内模控制算法

内模控制（InternalModelControl，简称IMC）是一种基于过程数学模型的新型的控制算法，它首先由Garcia和Morari在1982年提出。

内模控制是研究预测控制及基于模型的控制方法的基础，常与其他控制方法结合使用以达到理想的效果。

内模控制不需要系统有精确的数学模型，适用于复杂的系统；内模控制的控制参数调节方便，可以节省大量的时间;通常为了达到更好的鲁棒性，可以在内模控制系统中加入适当的滤波器，结果会稳定错误！

未找到引用源。

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三、研究内容

1．学术思想、主要研究内容及拟解决的关键技术

学术思想：

研究学习永磁同步电机矢量控制的原理，通过仿真研究等手段，设计合理的调节器实现电机解耦，最后设计系统的软硬件，搭建实验平台，进行空载与突加负载的实验研究。

主要研究内容：

（1）对于电压型逆变器通过设计电流内环，达到电流控制电压的SVPWM控制方式；

（2）矢量控制方式的选取；

（3）选取一种在零速和低速时准确检测转子初始磁极位置的方案；

（4）基于DSP对PMSM矢量控制系统进行硬件设计和软件设计,搭建实验平台，进行实验研究。

关键技术：

（1）采用电流内环的SVPWM代替电流滞环跟踪控制，d、q轴电流环调节器的设计；

（2）转子磁极初始位置的检测。

2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析

研究方法：

（1）对PMSM的动态数学模型进行分析，掌握PMSM矢量控制的基本原理、系统结构和实现方法；

（2）利用MATLAB软件中Simulink仿真模块对矢量控制系统进行仿真、比较、分析及优化改进；

（3）搭建硬件与数字实验平台，进行实验探索及验证。

技术方案：

电流控制性逆变器，按转子磁链定向的控制方程：

电压控制方程中存在耦合项，使得定子电流转矩分量和励磁分量不能够由电压独立控制，采用反馈解耦控制，达到解耦目的。

图1系统控制结构框图

设计定子电流励磁分量和转矩分量的电流环和相应调节器，采用SVPWM控制变器.

通直流法

在未知转子初始位置的情况下，可以给定子通直流电，产生恒定的磁场，根据同性相斥，异性相吸，这样就可以把转子拉到指定的位置，此时就可以确定转子的初始位置。

图2通直流电产生恒定磁场

硬件框图

图3硬件原理框图

3．预期目