永磁同步电机伺服系统的仿真研究.docx

永磁同步电机伺服系统的仿真研究摘要永磁同步电机具有结构简单、体积小、转矩电流比高、易于散热及维护等优点，在中小功率、高精度、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、机器人等场合获得广泛的应用。所以，研究永磁同步电机伺服系统具有重要的意义。论文针对永磁同步电机基于转子磁链定向矢量控制数学模型，分析矢量控制原理，确立基于id=o的转子磁场定向的矢量控制方案。经过一系列的坐标变换，将电机的转子磁链和转矩解耦，分别对定子电流的励磁分量和转矩分量进行控制，并经过Pl调节、电压空间矢量PwM控制实现双闭环控制系统。针对永磁同步电机伺服系统，给出电流、速度、位置等调节器的设计方法，对伺服控制需解决的一些主要问题，给出相应的解决方法。建立伺服系统的仿真模型，运用MatIab中的SlMlJLlNK进行仿真研究给出局部结果，分析相应的结果，得到结论。结论说明,仿真结果和实际理论相一致，通过仿真更好地理解了矢量控制原理，验证SVPwM控制理论实验方法的正确性，从而为系统的实际应用提供依据。关键词永磁同步电机；伺服系统；Matlab仿真；SVPWMSimulationResearchofPermanentMagnetSynchronousMotorservosystemAbstractPermanentmagnetsynchronousmotorhastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,hightorquecurrentratio,andtheadvantagesofeasytoheatandmaintainoInthemediumandsmallpower,highprecision,widespeedrangeofservocontrolsystemofpermanentmagnetsynchronousmotorcausedthefavourofmanyresearchanddevelopmentpersonnel,toachievewidespreadapplicationitsapplicationdomaingraduallypromotion,especiallyintheaerospace,ncmachinetools,robots,etc.So,thestudyofpermanentmagnetsynchronousmotorservosystemhasimportantsignificance.Thispaperforpermanentmagnetsynchronousmotorbasedonrotorfluxorientationvectorcontrolmathematicalmodel,analysisofvectorcontrolprinciple,basedonid=0oftherotorfield-orientedvectorcontrolscheme.Afteraseriesofcoordinatetransformation,themotorrotorfluxandtorquedecoupling,respectivelyofstatorcurrentexcitationandtorquecomponenttocontrol,andpassbyPIregulation,voltagespacevectorPWMcontroltorealizedoubleclosedloopcontrolsystem.Forpermanentmagnetsynchronousmotorservosystem,current,speed,locationandthedesignmethodsofcontrollerandtheservocontroltotacklesomeofthemainproblems,correspondingsolutionsaregiven.Servosystemofthesimulationmodelisestablished,usingtheSIMULINKofMatlabsimulationresearchshowssomeresults,analysisofthecorrespondingresults,cometoaconclusion.Conclusionshowsthatthesimulationresultsandtheactualtheory,throughthesimulationtobetterunderstandthevectorcontrolprinciple,verifythecorrectnessofthetheoryofSVPWMcontrolmethod,whichprovidethebasisforsystemsoftwareprogramming.KeywordsPMSM;Servosystems;Matlabsimulation;SVPWM目录引言1绪论11.1 课题背景及研究意义11.2 国内外永磁同步电机伺服系统的现状21.3 永磁交流伺服系统的技术进展21.4 本文的主要研究内容4第2章永磁同步电机及其数学模型42.1 永磁同步电机的结构和分类42.2 永磁同步电机的数学模型52.3 永磁同步电机矢量控制策略72.4 基于id=O的转子磁链定向控制92.5 本章小结10第3章永磁同步电机的伺服系统103.1 永磁同步电机伺服系统的设计103.2 电压空间矢量PWM技术153.3 本章小结19第4章PMSM磁场定向控制系统的MATLAB仿真194.1MATLAB及其工具箱简介194.2PMSM和测量模块204. 3速度和电流调节模块204.4 电压坐标变换模块204.5 SVPWM仿真模型的建立204.6 电流变换模块224.7 控制系统仿真模型的建立224.8 本章小结23结论与展望23致谢24参考文献24附录A：外文参考文献及翻译25附录B主要参考文献的题录及其摘要30插图清单图2-1永磁同步电机的分类5图2-2三相静止坐标5图2-3两相静止坐标系5图2-4永磁同步系统伺服系统控制方案10图3-1伺服系统三闭环动态结构图10图3-2速度环动态结构图13图3-3位置伺服系统动态结构图14图3-4三相电压源逆变器模型16图3-5A,B,C三桥臂等效电16图3-6根本电压空间矢量17图3-7合成新矢量的坐标关系17图4-1永磁同步电机、逆变器和测量模块模型20图4-2PI调节器模块20图4-3Park逆变换模块20图4-4SVPWM内部模块结构图20图4-5扇区判断模块20图4-6X、Y、Z计算模块21图4-7Tl、T2时间计算模块21图4-8开通时间计算模块21图4-9PWM生成模块22图4-10abc/dq轴坐标变换模型22图4-11基于SVPWM的永磁同步电矢量控制仿真系统22图4-12SVPWM扇形判断模型23图4-13SVPWM切换点Tcm波形23图4-14转速阶跃响应曲线23图4-15转矩响应波形23图4-16定子电流波形23表格清单表3-1关状态与电压间的关系16表3-2开关状态与相电压和线电压的关系17表3-3七段式SVPWM生成方案根本矢量选择和开关顺序18表4-1各扇区与N的对应关系20表4-2扇区与向量作用时间关系21表4-3不同扇区导通时刻表21引言永磁同步电机具有结构简单、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。虽然目前各种伺服系统中直流电机仍然占据很大一局部，但永磁同步电机正逐步取代直流电动机而成为伺服系统的主流。永磁同步电机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本安川电机公司、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国GettyS公司、KoHmOrgen公司等。目前，基于永磁同步电机伺服系统研究主要集中在电机数学模型分析方法的研究，现代控制理论以及智能控制策略的研究。论文主要依据永磁同步电机的工作原理及结构特点，矢量控制的原理及数学模型，电压空间矢量PWM技术，伺服系统电流环、速度环、位置环的闭环分析等理论依据。通过运用Matlab中的Simulink对局部模块进行仿真，验证仿真结果与实际理论推导的一致性。第一章绪论伺服系统(servosystem)是一种以机械位置、角度或者速度作为控制对象的自动控制系统,例如数控机床等。伺服系统的主要任务是实现执行机构即伺服电动机对位置、角度或者速度指令的跟踪。当给定位置、角度或者速度量随时变化时，系统的输出量能够快速准确无误的跟踪给定量。1.1课题背景及研究意义用于伺服系统中的驱动电动机称为伺服电动机，对它们的根本要求是可控性好、响应速度快、定位准确、调速范围宽等。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开展，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、现代控制理论的开展，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，随着价格低廉的铉铁硼(REFEB)永磁材料的出现，使永磁同步电机得到了很大的开展，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开展趋势。永磁同步电机的控制技术将逐渐走向成熟并日趋完善。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开展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比方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缺乏，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。1.2国内外永磁同步电机伺服系统的现状虽然目前各种伺服系统中直流电机仍然占据很大一局部，但永磁随着同步电动机正初见取代直流电动机而成为伺服系统的主流。同时随着人们生活和科技水平的提高，伺服系统正在向数字化、高效率化、小型化及高智能化的方向开展。因此,对其中的动力部件一一电动机也提出了更高的要求。永磁同步电动机的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本安川电机公司、FanUC公司、三菱公司、松下公司，德国西门子公司，美国Gettys公司、Kollmorgen公司等。其中美国