1、本科毕业设计 (论文 )开题报告 电气工程及自动化 永磁同步电机矢量控制计算 一、课题研究意义及现状 1.课题的目的与意义 电机的气隙磁场是实现机电能量转换的载体 ,永磁同步电动机的气隙磁场是由永磁体提供的，无需励磁电流和励磁损耗 ,同步转速运行转子方不产生铜耗和铁耗 , 效率和功率因数高于异步电动机 3% - 10% 。作为常用的机电装置，现代交流调速传动系统在机床、造纸、轧钢、电梯、机器人及电动汽车等领域都得到了较为广泛的应用。二十世纪八十年代以来，电力电子装置的高频化以及微处理技术的发展，使得交流传动系统的数字化 成为可能，一些复杂的控制方式如矢量控制、直接转矩控制、自适应控制等能够在交
2、流电机的控制中得到运用，交流电机的控制性能的不断提高，正逐步取代直流电机成为驱动电动机的主流。作为常用的机电装置，现代交流传动系统在机床、造纸、轧钢、电梯、机器人及电动汽车等领域都得到了较为广泛的应用。二十世纪八十年代以来，电力电子装置的高频化以及微处理技术的发展，使得交流传动系统的数字化成为可能，一些复杂的控制方式如矢量控制、直接转矩控制、自适应控制等能够在交流电机的控制中得到运用，交流电机的控制性能的不断提高，正逐步取代直流电机成 为驱动电动机的主流。 尽管感应电机和换向式电动机在市场上仍占有重要地位，但在各类电器装置能耗问题日益受到重视的今天，永磁电机正受到越来越多的关注，永磁同步电机为
3、现代交流控制系统的设计提供了一种具有适用广泛和诸多优点的装置系统，从未来的发展来看，具有替代感应电机的潜在趋势。由于永磁同步电机没有转子附加绕组，所以它在运行时需要配备电力电子装置。作为驱动的电子装置必须与转子速度严格同步，这样才能产生有效的静态转矩。永磁同步电机具有低损耗的特性，因此在用于那些要求快速动态响应的加速器和伺服装置时具有明显的优势。在需 要大范围恒功率运行的高效变速系统中，永磁同步电机也是理想的选择对象。永磁同步电机的高功率密度对于包括机械伺服机构和机器人执行机构这类要求快速动态响应的装置也是至关重要的。由于没有转子损耗，在要求长时间低速位置控制的装置中，永磁同步电机同样具有很大
4、的价值。 电动机及其驱动系统的耗电量约占工业用电总量的三分之二左右 , 2006 年国际电工委员会 IEC 制定了 IEC60034- 30 电动机新标准 , 其目的在于淘汰低效率电动机 , 开发与应用高效率和超高效率电动机 , 美国在 NEMA 高效电机的基础上又制定了新 NEMA 高 效标准 , 把效率指标再提高 2% -3% , 在我国 十一五 !规划的节能工程中涉及到更新和淘汰低效率电动机及高耗电设备 , 推广高效节能电动机、稀土永磁电动机、高效传动系统等 , 所以开发高效节能稀土永磁电动机具有实际工程应用的意义。在电力拖动系统中采用调速措施可以提高节能效果 , 例如直流电动机调速、交
5、流电动机变极调速或变频调速 , 还有采用机械传动结构变速等 , 但是机械传动结构变速和变极调速属于有级的调速方式 , 直流电动机虽然具有较好的调速性能 , 但存在换向火花的缺点 , 限制了调速的容量和应用环境 , 而变频调速是 一种高效节能型的无级调速方式。自从德国工程师 F. B laschke 等人提出了矢量控制变换理论后 , 解决了交流电动机电磁转矩的有效控制 , 近年来 , 随着变流技术、计算机技术和现代控制技术的发展 , 实现了交流电动机矢量控制的变频调速 , 交流电动机调速性能可以与直流调速系统相媲美 , 稀土永磁电动机变频调速要比异步电动机变频调速节能效果高 5% 以上 , 因此
6、 , 稀土永磁调速同步电动机在水泵、风机、电梯设备和轨道交通系统等得到广泛的应用。 1.2 永磁同步电机的国内外发展现状 最早对永磁同步电机的研究主要集中在固定 频率供电的永磁同步电机运行特性方面，尤其是对稳态特性和直接起动性能方面的研究。从 80 年代开始，国外开始对逆变器供电的永磁同步电动机进行研究。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但在大多数情况下无阻尼绕组。无阻尼绕组可以防止永磁材料温度上升，使电机力矩惯量比上升，电机脉动力矩降低等优点。在逆变器供电情况下，永磁同步电机的原有特性将会受到影响，其稳态特性和暂态特性与恒定频率下的永磁同步电机相比有不同的特点。
7、 G I 乙 Slemon 等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永 磁同步电机的设计方法，设计出了高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电动机，使永磁同步电动机伺服驱动性能得到了提高。 D Nuanin 等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用 16 位单片机 8097 作为控制器，实现高精度、高动态响应的全数字控制。永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分 (N)控制。 N 控制器具有结构简单、性能良好，对被控制对象参数变化不敏感等优点。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能。 N Matsui， J H 1ang 等人将自适应
8、控制技术应用于永磁同 步电动机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电动机参数发生变化时保持良好的性能。通过对电动机参数变化进行在线辨识，并运用辨识的参数对调速系统进行控制，也能够提高控制系统的鲁棒性。 B K Bose 等人一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了很好的研究成果。与此同时，国外一些著名的公司，如日本的 FANUC、安川、富士通、松下，美国的 AB 公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的 BBC 公司、韩国三星公司等不断推出交流伺服驱动产品。随着 DSP 技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数 字化正在快速地进行着。天津大学、华中科技大学、
9、沈阳工业大学等研究了单片机或 DSP 构成的全数字交流伺服系统，采用预测控制和空间矢量控制技术，改善电流控制性能和系统响应精度，并开发了数字伺服系统。数字控制技术的应用，不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。 二、课题研究的主要内容和预期目标 本课题以永磁同步电机为控制对象，通过对永磁同步电机的数学模型的分析，建立永磁同步电机磁场电压矢量控制控制系统。 主要包括以下几项工作： 1 研究空间电压矢量控制同步电机的原理； 2利用电压矢量控 制建立系统数学模型； 3利用 MATLAB 仿真软件实现对系统问题的模型化及动态仿真。 三、课题研究的方法及措施 本课题研究永
10、磁同步电机矢量控制，首先给出矢量控制中用到的坐标变换以及本文所设计系统的原理图，其次建立永磁同步电机的数学模型，给出本驱动器中采用的电压空间矢量脉宽调制 (简称 SVPWM)方法的数学模型，最后利用 MATLAB 仿真软件对系统进行仿真。 1详细分析永磁同步电机的数学模型，通过对数学模型的分析，明确永磁同步电机的电磁约束关系，为分析永磁同步电机的运动规律和研究高性能的控制决策提供理论基础。 2在分析数学模型的基础上，建立了永磁同步电机的矢量控制系统，论述矢量控制的实现方法。 3 SVPWM 的产生是实现矢量控制的关键，详细分析 SVPWM 的原理以及实现方法。 4对整个系统进行仿真，在 MAT
11、LAB 中建立基于 SVPWM 的永磁同步电机控制系统的仿真模型。 四、课题研究进度计划 （给出毕业设计的时间段，如 2005年 11 月至 2005/2006 第二学期第 9 周，并写出毕业设计主要环节的时间分配，不能太详细 ） （宋体五号） 五、参考文献 1唐任远 .现代永磁电机理论与设计 . 北京：机械工业出版社， 1997， 234-270 2陈世坤 .电机设计 .北京 :机械工业出版社， 2000. 3内部资料 .特种电机 .湖南工程学院 . 4暨锦浩 .永磁同步电动机及其调速系统综述和展望 J.2007.03. 5王兴贵，孙宗宇，王言徐 .基于模糊控制的永磁同步直线电机矢量控制系统
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