基于永磁同步电机数学模型的矢量控制理论-仿真-实验及应用研究

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景

永磁同步电机出现于 20 世纪 50 年代。它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但永磁同步电机通过用永磁体替代激磁绕组的方法，使电机结构得到了简单化，同时也提高了电机的可靠性。在电机制造和相关技术快速发展的背景下，20 世纪 70 年代，交流变频调速系统中开始使用永磁同步电机。到了 20 世纪 80 年代，稀土永磁材料的研制技术得到了很大的提升，特别是第三代新型永磁材料钕铁硼(NdFeB)的出现，使得永磁同步电机及其控制技术得到了较大的发展。由于稀土材料技术的快速发展，以永磁体为材料制成的产片的磁能积已经可以做的很高，价格方面也已经能够达到工业应用的需求，加上矢量控制技术水平的提高，永磁同步电动机的优点正在逐步得到凸显。在电机材料上采用新型永磁材料，不仅优化了电机本体的机械结构、设计方法和制造工艺，，永磁同步电机的控制方法以及控制效果都有了较大的提升。现如今，稀土永磁同步电机正在逐步取代传统电机进而成为交流伺服控制领域的一个重要方向[1][2]。

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1.2 本文主要工作

本文围绕着永磁同步电机控制系统的理论性研究、算法性仿真和验证性实验开展相关的论文工作，主要研究内容如下：(1)从电机的分类、永磁同步电机的结构特点与应用等方面对研究对象进行概述(2)根据电机相关理论，计算运动方程，建立不同坐标系下永磁同步电机的数学模型，从数学建模到软件仿真模型建立，从仿真结果中得到实验的依据；(3)具体来说包括对矢量控制数学方程的建立；(4)根据矢量控制的数学方程建立永磁同步电机仿真模型；(5)通过对仿真结果的分析和参数调整中得到永磁同步电机的控制特性；(6)在软硬件两方面对永磁同步电机的控制器进行设计；(7)为了实时观测数据和检测控制效果，设计了永磁同步电机的监控界面；(8)为了验证永磁同步电机控制器的最终效果，引入了三个具体案例来说明实际控制效果良好。

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第二章 永磁同步电机结构及其数学模型

2.1 永磁同步电动机的概述

同步电机的结构和交流电机类似，与交流电机不同的是同步电机定子电流的频率与其转速之比为定值，即电机极对数除以 60。同步电机定子主要有定子包括绕组、转子包括铁心和电机壳等组成部分，与交流电机的结构类似；转子在结构上主要有两类，分别是直流励磁转子和永磁体转子。永磁同步电机拥有与传统的同步电机类似的定子结构。三相永磁同步电机的基本结构如图 2-1 所示。总体包括硅钢片、三相对称分布的绕组、铁芯及机壳等几个部分。

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2.2 永磁同步电机数学模型

通过向三相空间对称分布的定子绕组通三相对称电流来分析永磁同步电机的数学模型以及电磁转矩等特性[18-23]。为了便于分析，假定：(1)磁路没有饱和，电流变化不影响电机电感，不考虑涡流和磁滞损耗；(2) 不考虑齿槽、换相以及电枢反应产生的影响；(3) 三相绕组对称分布，永磁体产生的磁场沿气隙呈正弦分布；(4) 理想的驱动二极管和理想的续流二极管；(5)转子产生的磁链在气隙中正弦分布。

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第三章 永磁同步电机的矢量控制系统............... 19

3.1 永磁同步电机的控制策略及仿真............... .19

3.2 永磁同步电机矢量控制的理论基础................ 20

第四章 SVPWM的原理及实现方法............... 24

4.1 SVPWM的基本原理............... .24

4.2 逆变器电压的输出模式................ .26

第五章 驱动控制算法 MATLAB 仿真............... . 37

5.1 MATLAB 仿真工具箱简介................ . 37

5.2 永磁同步电机仿真模型............... .38

第六章 控制系统软硬件设计

6.1 硬件设计

本文设计的永磁同步电机驱动器硬件框图如下图所示，该驱动器兼容采用磁编码器的永磁同步电机和霍尔传感器的永磁同步电机，驱动器采用开关电源或动力电池供电，可以通过串口和 Modbus 协议对驱动器进行控制，也可以通过 IO 口进行控制，其中图 6-1 通过 AS5145B 磁编码器采集电机的绝对角度信号，实现 FOC 磁场定向控制；图 2 通过霍尔传感器的位置信号经过公式计算出的速度信号进行角度估算实现 FOC 磁场定向控制。

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6.2 反电势和初始电角度测试

不同厂家生产的永磁同步电机，反电势与霍尔传感器的项目差是不一样的，需要测试对应的初始电角度，才能实现 FOC 磁场定向控制。如果电机没有虚拟中点接出（一般的电机都不引出，只有三根相线），需要连接三个相同阻值电阻到电机的三相接线上，电阻另外一端连接到一起作为虚拟中点。对于三相对称负载电路，虚拟中点的电位和三相线圈中点的电位等电位，可以由三相交流电路进行证明，对于三相对称电路，中性线电流为零。将 Hall 信号接入 5V电源，并且在三路 Hall 传感器接口接入上拉电阻，接入示波器，转动电机，测试反向电动势信号以及 Hall 信号的波形图。

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结论

本文主要从永磁同步电机研究历史出发，对永磁同步电机的结构进行了详尽的分析，并且针对其特点搭建了详细完整的数学模型。在控制方面，本文介绍了永磁同步电机的常见控制方式，比较了其优缺点，之后，根据其特点选择了空间矢量控制方式（SVPWM）。然后针对其控制方式，本文提供了其理论推导以及具体的实现方式，并通过 MATLAB Simulink 模块进行了整体的仿真验证。接着，本文设计了永磁同步电机控制器的硬件部分和软件部分。最后，通过在独轮车、穿梭车等实际应用，验证了控制器的实际效果。其工作主要包括：（1） 介绍了永磁同步电机的发展情况和研究背景。（2） 针对永磁同步电机的系统结构，高度理论化的搭建了永磁同步电机的数学模型，利用坐标系变换规律，将永磁同步电机的各个参数进行了量化处理。（3） 介绍了永磁同步电机的矢量控制的特点、方式以及理论基础。并在基础之上，对空间矢量控制方式进行了详细的理论推导，通过引入扇区、基础矢量、作用时间等概念将任一矢量转化为基础矢量的合成作用，通过加入逆变器，将矢量的切换转化为桥臂开关的通断。

参考文献（略）