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Simulink基于SVPWM永磁同步电机的控制系统仿真+原理图+电路图

更新时间:2010-10-30:  来源:毕业论文

Simulink基于SVPWM永磁同步电机的控制系统仿真+原理图+电路图
本课题的内容及研究意义
随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展,永磁同步电机(PMSM)的应用领域不断扩大,在数控机床,机器人等高精度控制领域得到广泛应用。由于对电机控制性能的要求越来越高,永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制,永磁同步电机矢量控制系统的研究已成为中小容量交流伺服系统研究的重点之一,如何建立有效的仿真模型越来受到人们的关注。本文在分析永磁同步电机数学模型的基础上,用MATLAB语言中的Simulink模块建立了控制系统的仿真模型,对得出的仿真结果进行了分析。
本设计的主要内容如下:
1.首先深入研究永磁同步电动机的本体结构,然后给出永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模型。在此基础上,深入分析坐标变换原理,并给出dq坐标系下永磁同步电动机的数学模型,为永磁同步电动机的矢量控制提供理论基础;
2.采用Matlab仿真工具中的Simulink软件平台建立永磁同步电动机系统仿真模型,在此基础上对永磁同步电动机矢量控制系统进行大量的仿真研究,从而为永磁同步电机矢量控制系统的实现提供理论依据;
3.对仿真结果进行分析,优化相关参数。
近年来,随着高矫顽力、高剩磁的高性能永磁体的出现,使得永磁同步电机比感麻电机具有更小的体积、更高的效率、更宽的调速范围和更高的速度位置控制精度,在很多要求较高的工业应用中正逐步取代感应电机。

1.1  永磁同步电动机的概述
永磁同步电动机具有体积小、重量轻、响应快、高效率和高起动转矩以及节能省电等诸多优点,因此,自20世纪80年代开六-维^论,文.网
http://www.lwfree.cn 始,各国学者和研究人员都纷纷致力于高效永磁同步电动机及其驱动系统的理论和应用研究,并取得了卓有成效的研究和开发成果。例如,永磁同步电动机可广泛应用于仪表、计算机外设、航空航天设备、音像设备等。特别是“八五”期间,我国不少专业研究单位和工矿企业在调整产品结构,提高产品质量,加速技术开发和全面实现产品国产化的主导思想基础上,大力开展了永磁同步电动机及其驱动系统的实用性研究,并取得了一定的成果。然而,就整体研究水平和有关技术难点方面的研究,还有待进一步的认识深化和发展。
永磁同步电机的发展是与永磁材料的发展密切相关的。19世纪20年代出
现的世界上第一台电机就是采用永磁体产生励磁磁场的永磁电机,但当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石,磁能密度很低,用它制成的电机体积庞大,不久就被电励磁所取代。由于各种电机迅速发展的需要和电流充磁器的发明,人们对永磁材料的机理和制造技术进行了深入研究,相继发现了碳钢、钨钢、钴钢等多种永磁材料。特别是20世纪30年代出现的铝镍钴和50年代出现的铁氧体磁性材料,磁性能有了很大的提高,各种微型和小型电机纷纷采用永磁体励磁。
但是,铝镍钴永磁材料存在矫顽力偏低、铁氧体永磁的剩磁密度不高等缺点限制了它们在电机中的应用。直到20世纪60年代和80年代,稀土钴永1磁和钕铁硼永磁材料的相继问世,它们所具有的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造电机。
目前永磁电动机的输出功率可以做到小至几毫瓦、大至几千千瓦,不仅覆盖了微、小及中型电机的功率范围,且延伸至大功率领域。此外,永磁材料的高磁能积、小尺寸和轻量化等特点给永磁同步电动机带来一系列突出优点:电机电磁转矩波动小、转速平稳、动态响应快、过载能力强;低损耗、高功因数、高效率、节约能源;体积小、结构简单、重量轻、可靠性高等。
因此,永磁同步电动机应用范围非常广泛,遍及航空航天、国防、工农
业生产和日常生活等各个领域。本世纪,永磁同步电动机将持续目前良好的
发展势头,并将赢得更为广阔的发展空间。

1.2  永磁同步电动机控制技术的发展概况
基于永磁同步电动机的很多优点,由它组成的传动系统己受到国内外的普遍重视,广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域。自20世纪80年代后期以来,随着现代工业的快速发展,对作为工业设备的重要驱动源之一的调速系统提出了越来越高的要求,研究和发展高性能PMSM调速系统已成为国内外广大学者的共识。近年来,国内外广大学者从提高PMSM调速系统性能出发,进行了深入的研究和探索,并取得大量的研究成果。[5,6]
纵观永磁同步电动机调速系统的研究现状,其主要采用电机控制策略为矢量控制和直接转矩(DTC)控制。矢量控制的思想源于交流电机对直流电机控制的严格模拟。由于永磁同步电动机自身具有比感应电动机更为优越的性能,而且其坐标变换算法相对简单,电机转子磁极的位置易于检测,因此交流调速的矢量控制理论在永磁同步电动机的控制领域也得到了广泛应用。直接转矩控制与矢量控制不同,它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩,其基本思想是在准确观测定子磁链空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下,通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度,来改变它对转子的瞬时转差率,达到直接控制电机输出转矩的目的。两种方案都有各自特点,如何确定它们最佳的应用场合,最大限度地发掘交流变频调速技术在不同领域应用中的潜力有着重要的现实意义。[7,8]
近几年来,围绕六-维^论,文.网
http://www.lwfree.cn 提高PMSM控制性能、降低成本出发,国内外学者在控制策略上作了大胆的探索和研究,并提出了一些新的思路,取得了一些实用性的研究成果。为了克服使用机械传感器给调速系统带来的缺陷,许多学者开展了无机械传感器交流调速系统的研究。无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中的有关电信号,通过适当方法估计出转子的位置和转速,取代机械传感器,从而实现对电机的有效控制。[9]
永磁同步电动机无速度传感器矢量控制技术的关键在于如何根据测量的电机电流和电压信号,估计电机的转速和转子位置。对于永磁同步电动机调速系统可以采用一些直观的方法,即利用其特殊的电磁特性,来构造速度和转子位置的估计方法,例如:计算定子磁链矢量的空间位置来估计电机的转子位置、计算定子相电感来估计转子位置等。同时,随着现代控制、辨识技术的发展,为我们提供了许多可行的观测器构造方法来估计控制过程中的状态变量或参数。在电机的无速度传感器矢量控制技术中主要采用的观测器有:全阶状态观测器、自适应观测器、变结构观测器和卡尔曼滤波器等,采用这些方法构造的电机转子位置和速度观测器具有动态性能好和鲁棒性强等特点。[10~12]
随着智能控制技术的发展,智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支,电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向。目前,实现智能控制的有效途径有三条:基于人工智能的专家系统(ExpertSystem)、基于模糊集合理论(FuzzyLogic)的模糊控制和基于人工神经网络(Artificial Neural Network)的神经控制。B.K.Rose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用,并取得了可喜的研究成果。1624

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