永磁同步电机矢量控制研究

１电机调速技术的发展历史 ．
电机是生产和生活中最常见的设备之一， 在我国，中小型电机就有 ３０多个 ０
系列，１０ 个种类ｎ ５０ １ ，占总用电量的７ ％ ０ ＇ ［ ｚ 。电动机通常分为直流电动机和交流 电 动机两大类。 交流电动机的诞生己经有一百多年的历史。 交流电动机又分为同
步电 动机和感应（ 电 异步） 动机两大类。
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广东工业大学硕士学位论文
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统有限 公司、 档数控国 高 家工程 研究中 上海开 心、 通数控有限 等， 端产 公司 其高
电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高；Ｃ ）永磁同步电动机转子结 构多样， 结构灵活， 而且不同的转子结构往往带来自 身性能上的特点，因而永磁
同步电 动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。 而且在相同功率下， 永磁
同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。
我国 制作永磁电 机永磁材料的稀土资源丰富， １ ４ 月， 成为世界 ９ 年７ 我国 ８ 上第三个能研制和生产第三代稀土钦铁硼永磁材料的国 稀土资占 家， 全世界的
直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定， 通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速； 在额定转速以上， 保持电枢电压恒定， 可用改变励磁的方法实现恒功率调速。２ 世纪 ８ 年代以前，在变速传动领域， ０ ０
直流调速一直 占据主导电位［ ［ ３ １
磁场定向控制，也称矢量控制，它是 ７ 年代初由西德 Ｂａ ｃｋＤ和 Ｈ ｓ ０ ｌｓ ｅ ｓｈ ａｅ ｓ
首先提出［ ［ ４ ］ ，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义，在理论上
解决了交流电机的转矩控制问题。通过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系
统， 实现了定子电流的励磁分量和转矩分量的解藕， 从而达到对交流电机的磁链
和电流分别控制的目的， 这样就可将一台交流电机等效为直流电机来控制， 因而
摘要
摘 要
本文研究永磁同步电机矢量控制系统。 在深入学习永磁同步电机数学模型和
矢量控制原理的基础上，用ＭＴＡ／ＩＵＩＫ ＡＬＢＳＭＬＮ建立了永磁同步电机电流转速双闭 环矢量控制仿真模型。 在调整好参数并取得良好仿真结果基础上， 作了没有零矢 量ＰＭ Ｗ发生方法的闭环仿真和速度环模糊控制仿真，并取得了较好的仿真控制效
可使交流电机的动静态控制性能可与直流系统相媲美［ ３ １
２ 电机调速技术的现状及趋势 ．
２ 国内 ． １ 外发展概况 国外生产精密交流伺服电机控制系统的厂家有日 本三菱、 松下、 富士和德国
西门子等。
截至 １９ ９９年底，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发 成功。华中数控 Ｈ Ｖ系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良 Ｓ 好的性能。广州
品 往往要采用国 交流 外的 伺服系统， 虽然国 进口 要便宜 货比 的 得多。 从整体来看，
我国无论从电 机制造的材料工艺还是电 机的控制、 运行特性等方面， 外都还 与国
存在差距 。
国内伺服电 机的全数字驱动器技术还比 较落后， 主要局限 于欠缺实用的电 机
数字控制算法和高可靠的功率模块， 这样大大限制了国产伺服电机的 推广。 随着
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控制性能都有了显著的提高， 基于交流调速的发展趋势， 本课题研究永磁同步电
机矢量控制 。主要包括以下几项工作：
（） １ 永磁同步电机矢量控制原理研究； 基于 ＭＡ Ｌ ＢＳＭＵ ＩＫ的永磁同 Ｔ Ａ ／Ｉ Ｌ Ｎ 步电机矢量控制系统仿真，系统电流环、速度环参数的调整；没有零矢量的ＰＭ １ ９ 发生方法闭环仿真以及速度环模糊控制仿真。 （）采用矢量控制方法的新型伺服控制系统开发平台－ｔ Ｓ０ ２ ＩＭＣ ２１的参数设
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从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相同【 的 ，仍要
为广泛使用的电力变换装置的变频器， 将朝着节约能源，降低对电网的污染和对
环境的辐射干扰，延长电机使用寿命的绿色化方 向发展。
３论文研究的主要内容 ．
中国为发展中的制造业大国，交流调速系统除应用数控机床行业外， 其他 行业对各种规格交流调速系统需求量逐年增长，有着巨大的国内市场。 就矢量控制的交流驱动本身而言， 无论是对感应电机还是对永磁同步电机的
国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟， 以软件形式存在于控制芯片中的伺服
控制技术又制约 了我国高性能交流伺服技术及产品发展。 目前，矢量控制技术以其易实现、性能优越成为行业先导。ＶＦ或者 ＥＦ ／ ／控 制因为技术门槛低，实现简单，成本低，对于中、低档产品有一定的优势。但是 从长远看，随着 Ｃ Ｕ制造技术提高、成本降低，采用矢量控制技术的变频器成 Ｐ 本与 ＶＦ或者 ＥＦ控制成本相差无几， ／ ／ 采用矢量控制技术的变频器将成为业界主
流。
２ ． ２近几年的发展趋势。 （ ）电机调速技术的发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服 １ 电机和步进电机及感应电机。 因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的
优势［ Ａ 永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电 Ｉ ） ６ ］ ：
阻损耗， 显著提高功率因 可达到 １ 可以 数（ 甚至容性） Ｂ 永磁同步电 ； ） 动机不设
及其他一些不可预见参数变化的影响， 有时甚至会引 起控制品 质严重下降， 鲁棒
第一章
绪论
性得不到保证。 所以有必要采用高性能的控制策略，例如采用变结构控制、模糊
控制、 神经网络控制使系统具有很好自 适应能力和抗干扰能力， 能够在参数时变及
干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。
（）绿色化发展。由于全球电能的 ８％以上通过电力变换装置来消耗，作 ３ ０
数控设备有限公司 Ｄ ９Ａ系列交流伺服系统调速比为 １ ５０ ：国内厂家北京 Ａ８ ： ０ ０
和利时电机生产全的Ｅ ０４ Ｃ数字交流伺服驱动器通过键盘设置电子齿轮可以 Ｓ ００ 设置为 １ ９９１ ９９ －９９／－９９，比例范围介于 １ ０－１０ ／ ０ ０ 之间。 １ 但是，作为交流伺服
系统的上游厂商，国内主要数控系统生产厂家， 其中包括华中数控、 航天数控系
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第一章
绪论
第一章 绪 论
８％以 １ ０ 上〔 ７ ，发展永磁电 机具有广阔的前景。
（）高性能 控制策略广泛应用于交流伺服系统。 ２ 基于常规控制理论设计的
电 机控制系统存在缺陷 和不足： 传统控制 设计 器的 通常需要 控 被 对象有非常 精确 的 数学模型， 而永磁电 机是一个非 线性多 系统， 精 确定 变量 难以 确的 其数学 模型， 按照 近似模型得到的 优控制在实际上 最 往往不能保证 最优， 模动态， 性 受建 非线
置、控制结构以及电机运行试验。
（） ３位置控制器的结构、原理； 双闭 环矢量控制仿真基础上的位置伺服系统
仿真，位置控制器参数对控制性能的影响。
（ ）初始转子位置的检测。 ４
广东工业大学硕士学位沦文
３永磁同步电机 ｄｑ ． － 轴数学模型
永磁同步电机是由电磁式同步电 动机发展而来，它用永磁体代替了电 励磁，
果。
工 Ｃ２１ 是新型采用矢量控制算法的电机驱动控制开发平台。本文阐述了 Ｒ Ｓ０１ Ｍ
该平台的控制结构和原理。 在该平台上的电机运行试验验证了永磁同步电机矢量 控制的优 良ｉ能。 ｔ 本文还讨论了一些永磁同步电机矢量控制相关的内容。 包括位置伺服系统的
仿真以 及转子初始位置的检测。 所有这些工作阐明了永磁同步电机矢量控制系统的原理、 方法和性能， 对今
后研究永磁同步电机矢量控制系统和提高系统的性能具有参考意义。
关键词： 永磁同步电 矢量控制， ＶＷ，ＲＣ２１ 机， ＳＰＭ工ＭＳ０１
广东工业大学硕士学位论文
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