水下无人航行器用永磁同步电机矢量控制仿真unmannedunderwatervehiclesimulationofpms
摘 要摘 要随着科学技术的飞速发展，水下无人航行器技术得到了空前发展，其应用越来越引起人们的广泛重视，不仅运用于勘测战场、实施攻击等军事领域，更是在水下勘察，资源勘察等民用领域得到广泛应用，在未来水下应用领域，水下无人航行器就是当之无愧的主角。现代水下无人航行器要求具有较高的自主性，能够实现自主航行、远距离控制、精密操作，具有较强的隐蔽和跟踪能力。除此之外，其能够代替人类实施高强度、高危险环境下的作业，因此具有深远的研究意义与工业应用价值。永磁同步电机结构紧凑、易于控制，具有极高的能量比和优良的动静态性能。因此永磁同步电机是水下无人航行器主推进器的优先选择之一。为了提高永磁同步电机控制系统的控制性能，使其响应速度变得更加迅速同时使动稳态性能的控制更加精确，本文采用基于转子磁场定向的矢量控制永磁同步电机，并在此基础上融入基于id=0的矢量控制，并建立MATLAB仿真。本仿真系统采用双闭环PI控制，id=0控制策略，PI控制，转速外环，d轴电流q轴电流内环，空间电压矢量调制方法。仿真结果表明该方法使得永磁同步电机具有较高的动静态性能，转速变化时转矩脉动较小，转矩变化时几乎没有转速脉动。能够达到水下无人航行器主推进器的相关要求。关键词水下无人航行器、永磁同步电机、PI控制、id=0控制
目 录
第一章 绪论 1
1.1 水下无人航行器的发展 1
1.2 永磁同步电机的发展 1
1.3 永磁同步电机的结构和分类 2
1.4 永磁同步电机的优点以及缺点 2
1.5 永磁同步电机控制方法 3
1.5.1 矢量控制 3
1.5.2 直接转矩控制 3
1.6 课题研究的内容及意义 4
1.7 本章小结 5
第二章 永磁同步电动机在不同坐标系的数学模型 6
2.1 永磁同步电机的选择 6
2.2 建立数学模型的假设条件 6
2.3 矢量控制系统中的三种坐标系 7
2.4 三相静止坐标的数学模型 7
2.4.1 永磁同步电机的电压回路方程 7
2.4.2 永磁同步电机的磁链方程 7
2.4.3? 永磁同步电机的电磁转矩方 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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第一章 绪论 1
1.1 水下无人航行器的发展 1
1.2 永磁同步电机的发展 1
1.3 永磁同步电机的结构和分类 2
1.4 永磁同步电机的优点以及缺点 2
1.5 永磁同步电机控制方法 3
1.5.1 矢量控制 3
1.5.2 直接转矩控制 3
1.6 课题研究的内容及意义 4
1.7 本章小结 5
第二章 永磁同步电动机在不同坐标系的数学模型 6
2.1 永磁同步电机的选择 6
2.2 建立数学模型的假设条件 6
2.3 矢量控制系统中的三种坐标系 7
2.4 三相静止坐标的数学模型 7
2.4.1 永磁同步电机的电压回路方程 7
2.4.2 永磁同步电机的磁链方程 7
2.4.3? 永磁同步电机的电磁转矩方 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });
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程 8
2.4.4 永磁同步电机的机械运动方程 9
2.5 两相静止坐标的数学模型 9
2.6 两相旋转坐标的数学模型 9
2.7 本章小结 10
第三章 永磁同步电机矢量控制原理 11
3.1 永磁同步电机坐标变换 11
3.1.1 三相/两相变换（3s/2s） 11
3.1.2? 两相静止/两相旋转变换（2s/2r） 11
3.2 矢量控制理论 14
3.2.1 基于转子磁场的转矩控制 14
3.2.2 弱磁控制 15
3.2.3矢量控制 17
3.2.4矢量控制系统 18
3.2.5插入式永磁同步电机矢量控制 20
3.2.6 id=0控制原理 23
3.3 空间矢量PWM调制 25
3.3.1 空间矢量PWM的边界条件 25
3.3.2 空间矢量PWM波形 25
3.3.3 空间矢量PWM的实现 26
3.4 空间矢量PWM（SVPWM）公式推导 32
3.4.1电压矢量的合成原理 32
3.4.2 确定合成电压矢量所在扇区 33
3.4.3 计算基本空间矢量导通时间 34
3.4.4 PMSM矢量变换控制系统框图 35
3.5 本章小结 36
第四章 建立永磁同步电机矢量控制的仿真模型 37
4.1 仿真软件平台 37
4.2 电机参数的设置 37
4.3 电流PI控制模块 38
4.4 坐标转换模块 38
4.5 空间矢量PWM（SVPWM）发生模块 39
4.6 永磁同步电机控制系统仿真 41
4.7 本章小结 42
第五章 仿真结果分析 43
5.1负载转矩 43
5.2 电机的输出转速 43
5.3 d轴q轴电流的变化 44
5.4 三相电流的变化 44
5.5 仿真结果分析 45
5.6 本章小结 45
总 结 46
致 谢 47
参考文献 48
第一章 绪论
1.1 水下无人航行器的发展
UUV(Unmanned Underwater Vehicle)即水下无人航行器，世界上几个发达国家都在重点研究，中俄美欧等国家在UUV的研制上水平差距并不大，水下无人航行器最早出现于20世纪60年代[1]。在发展初期，水下无人航行器主要用于民用领域，比如深水勘察规避危险、水下探寻打捞沉船、检查水下电缆进行维修保养，后来更是在军事领域大放异彩，例如水下声源探测提前预知敌军、感知水雷提前预警、敌方港口勘察防御工程等等[2]。
九十年代以后，各种控制技术、传感器技术、推进器（电机）的飞速发展，以及现代战争电子战零伤亡的人道理念，水下无人航行器在军事领域得到了空前发展，例如水下勘察水雷规避危险、水下通讯和反潜等等。
水下无人航行器自带摄像头以及传感器，能够实现勘察感知的功能，所以在水下能够完成很多特定的任务[3]。而且很多任务都要求比较高，需要能够精密操作，这就要求水下无人航行器具有较高的自主性，精确的控制和较强的跟踪能力。水下无人航行器，作为未来水下信息战的主角，势必会得到国家技术经济上的强力支持，而水下无人航行器的核心技术就是控制技术，所以控制技术会迎来全面的根本性的蜕变和发展，在此带动下，国家的科技技术也会有飞一般的发展。
1.2 永磁同步电机的发展
上世纪初，世界上出现了第一台永磁电机。在1930年左右，出现了世界上第一台永磁同步电机。因为永磁同步电机具有结构紧凑简单、动稳态性能极其出众等其他电机不具备的优点，所以在电机系统研发者中特别受青睐。但是在永磁同步电机刚出现的时候，它很少应用于中小功率的伺服调速系统。当时的永磁材料既昂贵实际效果又不佳，所以导致了永磁同步电机造价昂贵且使用寿命并不长，所以并没有被广泛运用到实际生活中。而且它和异步电机的工作方法上有着显著的差异，永磁同步电机不能在标准电压下起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。所以这就要求永磁同步电机需要一个不同于异步电动机的控制系统。
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