matlabsimulink电机矢量控制方法分析(附件)【字数：12014】
摘 要永磁同步电机具有质量轻、转矩脉动小、调速范围宽等优点，在现代化工业控制等诸多领域得到了广泛应用，其前景和发展趋势不容小觑。电机采用的控制策略的差异，对其实际运行性能的影响颇深，正因为如此，对电机控制系统展开研究有着极其重要的现实意义。本文以永磁同步电动机（PMSM）为研究对象，首先介绍了永磁同步电机的数学模型，阐述了永磁同步电机转子磁场定向矢量控制和电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）的基本原理。空间矢量脉宽调制技术作为矢量控制过程中非常重要的环节，本文对它的基本原理和算法实现进行了详细描述，该技术把对磁场圆形轨迹问题的研究转化为对电压矢量运动轨迹的研究。在熟悉矢量控制流程和各个实现环节后，课题在MATLAB/SIMULINK仿真平台上搭建了系统的仿真模型，对电机在启动、转速变化、负载转矩变化的情况下做了仿真实验和结果分析。从输出的相关波形来看，仿真效果良好，符合实际电机控制的仿真要求。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及研究意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 课题的研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 论文的主要内容 2
第二章 永磁同步电机的工作原理 4
2.1 永磁同步电机结构组成 4
2.2 永磁同步电机的分类 4
2.3 永磁同步电机的工作原理 5
第三章 永磁同步电动机的矢量控制基本原理和实现过程 7
3.1 矢量控制算法概述 7
3.2 坐标变换 7
3.2.1 坐标变换的原理概述 7
3.2.2 三相/两相静止坐标系变换 8
3.2.3 两相/两相旋转坐标系变换 9
3.2.4 坐标变换的作用 9
3.3 矢量控制方法比较和实现过程 10
3.3.1 矢量控制方法比较 10
3.3.2 实现过程 11
第四章 空间矢量脉宽调制技术 13
4.1 SVPWM技术基本原理 13
4.2 基本电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
压空间矢量 14
4.3 SVPWM算法实现 17
第五章 MATLAB/Simulink系统仿真 18
5.1 MATLAB/Simulink仿真工具简介 18
5.2 PMSM矢量控制系统仿真模型的搭建 19
5.2.1 坐标变换模块 19
5.2.3 永磁同步电机模块 22
5.2.4 永磁同步电机矢量控制系统 23
5.3 永磁同步电机矢量控制系统仿真与分析 23
5.3.1 实验环境和电机参数简介 23
5.3.2 仿真实验及结果分析 24
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
1.1.1 研究背景
自20世纪50年代以来，永磁同步电动机（PMSM）以其高转矩惯量比，高能量密度和高效率被广泛应用于中小型电机。永磁同步电机的结构简单，它体积小，质量轻，损耗低，效率高。与直流电机相比，无机械换向器和电刷，与异步电动机相比，无需励磁电流。功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，可测量转子参数。转子具有较大的气隙和良好的控制性能。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机的研究开发经验逐渐成熟，永磁同步电机在国防，工业和农业生产和日常生活中的应用越来越广泛。
根据控制对象的不同，交流调速系统可分为交流异步调速系统和交流同步调速系统。由于交流异步电动机本身的结构性能优势，交流异步调速系统在交流调速系统中仍处于领先地位。但其效率低，过载能力差，调速性能差，起动转矩小。产生旋转磁场时需要从电网吸收无功功率，从而导致低功率因数，这在轻载时更加严重，并且电网和线路的损耗大大增加，浪费很多的动力。在过去的电力应用中，很少有同步电动机被用作电源。主要原因是：在旋转磁场作用下，同步电机处于静止状态，在电网电压下不能自动启动，平均转矩为零，虽然人们知道变频电源可以解决同步电机起动和调速的问题，但是在很早之前，变频电源的设备还没有出现。因此，过去几乎没有人认为同步电机是主要推动者。偶尔大公司可以看到高功率的同步电动机运行，但通常是用于提高电网的功率因数。
同步电动机结构形式多种多样，主要有电励磁式，反应式、磁滞式、永磁体式等。电励磁式要消耗很大的激磁功率，结构复杂，有电刷环装置，可靠性差；磁滞式和反应式则容量偏小，效率和功率因数偏低，力能指标也偏低。相比之下，永磁体式同步电动机具有很多非常突出的优点。
由于永磁同步电动机不需要励磁电流，运行效率和功率密度高，所以具有其他电机望尘莫及的优点。而我国是个稀土资源大国，钦铁硼水磁材料性能研究己经达到世界先进水平，对于发展永磁同步电机有很强的优势，因此在交流调速中获得了日益广泛的应用。永磁同步电动机矢量控制系统是一种高性能的交流调速系统，由于永磁同步电动机具有结构简单，体积小，重量轻，效率高，过载能力大，转动惯量小，采用矢量控制等优点，所以它组成的交流调速系统可以达到很好的性能。
1.1.2 课题的研究意义
在现代电力电子技术、自动控制技术、新兴永磁材料和微电子技术的迅速发展和带动下，永磁同步电机在众多电机种类中脱颖而出，迅速成为调速电机的骄子。作为PMSM调速控制的主流算法——矢量控制算法，由于其具有控制简单、响应速度快、控制精度高、调速性能优越等特点，对该算法展开探讨是研究领域的热门。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
研究初期，人们把重点放在以固定频率供电的永磁电机上，主要是寻求电机稳定性能，后来尝试采用逆变器供电的方式。伴随人们对PMSM 系统性能指标的日益提升以及各种出色的永磁材料不断普及，大家开始把目光放在制造出更高效率的电机上，比如法国CEM 公司在1978 年推出了ISOSYN 系列18.5kW以下级的高效永磁电机，相比于同时期的异步电机来说，这种永磁电机的效率要高出2%~8%左右，实用性能更加优越[]。近年来，对永磁同步电机的研究正朝着大功率、低耗能、高效率、低成本、智能化、小型化、机电一体化方向发展，制造工艺和技术水准日趋成熟。享誉世界的德国西门子公司在1986 年时就开发出为轮船提供动力的六相永磁同步电机，转速达230 转/分钟，相比于当时最常用的直流电机，它的功耗是直流电机的80%，尺寸只占直流电机大小的40%[]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及研究意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 课题的研究意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 2
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 论文的主要内容 2
第二章 永磁同步电机的工作原理 4
2.1 永磁同步电机结构组成 4
2.2 永磁同步电机的分类 4
2.3 永磁同步电机的工作原理 5
第三章 永磁同步电动机的矢量控制基本原理和实现过程 7
3.1 矢量控制算法概述 7
3.2 坐标变换 7
3.2.1 坐标变换的原理概述 7
3.2.2 三相/两相静止坐标系变换 8
3.2.3 两相/两相旋转坐标系变换 9
3.2.4 坐标变换的作用 9
3.3 矢量控制方法比较和实现过程 10
3.3.1 矢量控制方法比较 10
3.3.2 实现过程 11
第四章 空间矢量脉宽调制技术 13
4.1 SVPWM技术基本原理 13
4.2 基本电 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
压空间矢量 14
4.3 SVPWM算法实现 17
第五章 MATLAB/Simulink系统仿真 18
5.1 MATLAB/Simulink仿真工具简介 18
5.2 PMSM矢量控制系统仿真模型的搭建 19
5.2.1 坐标变换模块 19
5.2.3 永磁同步电机模块 22
5.2.4 永磁同步电机矢量控制系统 23
5.3 永磁同步电机矢量控制系统仿真与分析 23
5.3.1 实验环境和电机参数简介 23
5.3.2 仿真实验及结果分析 24
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 研究背景及研究意义
1.1.1 研究背景
自20世纪50年代以来，永磁同步电动机（PMSM）以其高转矩惯量比，高能量密度和高效率被广泛应用于中小型电机。永磁同步电机的结构简单，它体积小，质量轻，损耗低，效率高。与直流电机相比，无机械换向器和电刷，与异步电动机相比，无需励磁电流。功率因数高，定子电流和定子电阻损耗小，可测量转子参数。转子具有较大的气隙和良好的控制性能。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机的研究开发经验逐渐成熟，永磁同步电机在国防，工业和农业生产和日常生活中的应用越来越广泛。
根据控制对象的不同，交流调速系统可分为交流异步调速系统和交流同步调速系统。由于交流异步电动机本身的结构性能优势，交流异步调速系统在交流调速系统中仍处于领先地位。但其效率低，过载能力差，调速性能差，起动转矩小。产生旋转磁场时需要从电网吸收无功功率，从而导致低功率因数，这在轻载时更加严重，并且电网和线路的损耗大大增加，浪费很多的动力。在过去的电力应用中，很少有同步电动机被用作电源。主要原因是：在旋转磁场作用下，同步电机处于静止状态，在电网电压下不能自动启动，平均转矩为零，虽然人们知道变频电源可以解决同步电机起动和调速的问题，但是在很早之前，变频电源的设备还没有出现。因此，过去几乎没有人认为同步电机是主要推动者。偶尔大公司可以看到高功率的同步电动机运行，但通常是用于提高电网的功率因数。
同步电动机结构形式多种多样，主要有电励磁式，反应式、磁滞式、永磁体式等。电励磁式要消耗很大的激磁功率，结构复杂，有电刷环装置，可靠性差；磁滞式和反应式则容量偏小，效率和功率因数偏低，力能指标也偏低。相比之下，永磁体式同步电动机具有很多非常突出的优点。
由于永磁同步电动机不需要励磁电流，运行效率和功率密度高，所以具有其他电机望尘莫及的优点。而我国是个稀土资源大国，钦铁硼水磁材料性能研究己经达到世界先进水平，对于发展永磁同步电机有很强的优势，因此在交流调速中获得了日益广泛的应用。永磁同步电动机矢量控制系统是一种高性能的交流调速系统，由于永磁同步电动机具有结构简单，体积小，重量轻，效率高，过载能力大，转动惯量小，采用矢量控制等优点，所以它组成的交流调速系统可以达到很好的性能。
1.1.2 课题的研究意义
在现代电力电子技术、自动控制技术、新兴永磁材料和微电子技术的迅速发展和带动下，永磁同步电机在众多电机种类中脱颖而出，迅速成为调速电机的骄子。作为PMSM调速控制的主流算法——矢量控制算法，由于其具有控制简单、响应速度快、控制精度高、调速性能优越等特点，对该算法展开探讨是研究领域的热门。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
研究初期，人们把重点放在以固定频率供电的永磁电机上，主要是寻求电机稳定性能，后来尝试采用逆变器供电的方式。伴随人们对PMSM 系统性能指标的日益提升以及各种出色的永磁材料不断普及，大家开始把目光放在制造出更高效率的电机上，比如法国CEM 公司在1978 年推出了ISOSYN 系列18.5kW以下级的高效永磁电机，相比于同时期的异步电机来说，这种永磁电机的效率要高出2%~8%左右，实用性能更加优越[]。近年来，对永磁同步电机的研究正朝着大功率、低耗能、高效率、低成本、智能化、小型化、机电一体化方向发展，制造工艺和技术水准日趋成熟。享誉世界的德国西门子公司在1986 年时就开发出为轮船提供动力的六相永磁同步电机，转速达230 转/分钟，相比于当时最常用的直流电机，它的功耗是直流电机的80%，尺寸只占直流电机大小的40%[]。
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