永磁同步電機開題報告.doc

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題目： 一、前言 1．課題研究的意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1.1.1課題研究背景、目的及意義 近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微型計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、稀土永磁材料與電動機控制理論的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)有了長足的進步，交流伺服系統(tǒng)將逐步取代直流伺服系統(tǒng)，借助于計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，人們可以構(gòu)成高精度、快速響應的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。因此，近年來，世界各國在高精度速度和位置控制場合，己經(jīng)由交流電力傳動取代液壓和直流傳動。 二十世紀八十年代以來，隨著價格低廉的釹鐵硼(REFEB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機得到了很大的發(fā)展，世界各國(以德國和日本為首)掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電機及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等小功率應用場合，永磁同步電機伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢。永磁同步電機的控制技術(shù)將逐漸走向成熟并日趨完善[3]。以往同步電機的概念和應用范圍己被當今的永磁同步電機大大擴展?？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電機已在從小到大，從一般控制驅(qū)動到高精度的伺服驅(qū)動，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動電機出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。 由于永磁同步電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低，易于散熱及維護等優(yōu)點，特別是隨著永磁材料價格的下降、材料的磁性能的提高、以及新型的永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電動機引起了眾多研究與開發(fā)人員的青睞，其應用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人等場合獲得廣泛的應用。 盡管永磁同步電動機的控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各種控制技術(shù)的應用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自適應方法等都在實際中得到應用。然而，在實際應用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機的參數(shù)等等。因此，對控制策略中存在的問題進行研究就有著十分重大的意義。 1.1.2課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢 電機控制技術(shù)是伺服驅(qū)動控制的核心。從發(fā)展的歷程來看，電機控制技術(shù)與電動機、大功率器件、微電子器件、傳感器、微型計算機以及控制理論的發(fā)展密切相關(guān)。最初的隨動伺服系統(tǒng)是在美國誕生的火炮瞄準隨動系統(tǒng)。此后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進步，隨動系統(tǒng)有了長足的進展。1971年，德國學者相繼提出了交流電機的矢量變換控制的新思想、新理論和新技術(shù)，它的出現(xiàn)對交流電機控制技術(shù)的研究具有劃時代的意義。因為這種通過磁場定向構(gòu)成的矢量變換交流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制性能完全可以與直流系統(tǒng)相媲美。而后，隨著電力電子、微電子、計算機技術(shù)和永磁材料科學的發(fā)展，矢量控制技術(shù)得以迅速應用和推廣。矢量控制是在機電能量轉(zhuǎn)換、電機統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先應用于三相感應電動機，很快擴展到三相永磁同步電機。由于三相感應電動機運行時，轉(zhuǎn)子發(fā)熱會造成轉(zhuǎn)子參數(shù)變化，而轉(zhuǎn)子磁場的觀測依賴于轉(zhuǎn)子參數(shù)，所以轉(zhuǎn)子磁場難以準確觀測，使得實際控制效果難以達到理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實踐上的不足之處。而永磁同步電機采用永磁體做轉(zhuǎn)子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機在小功率和高精度的場合應用廣泛。 隨后，1985年，由德國魯爾大學M.Depenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應電動機的特性易受電機參數(shù)變化的影響這一問題。直接轉(zhuǎn)矩控制一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜動態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的發(fā)展。目前該技術(shù)己成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。德國、日本、美國都競相發(fā)展此項新技術(shù). 1.1.3永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 20世紀90年代后，隨著微電子學及計算機控制技術(shù)的發(fā)展，高速度、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。通過微機控制，可使電機的調(diào)速性能有很大的提高，使復雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實現(xiàn)，大大簡化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，還能具有保護、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也變得簡單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實用性。近幾年，在先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，多家公司都推出了專門用于電機控制的芯片。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、位置環(huán)、電流環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復雜的矢量控制，保證了用于電機控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等可以高速、高精度的完成。 國內(nèi)外專家學者對交流電機控制技術(shù)的研究正處在熱潮。同時，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制、模型參考自適應控制、觀測控制及狀態(tài)觀測器、線性二次型積分控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制及模糊智能控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，并展現(xiàn)出更為廣闊的前景。因此，采用高性能數(shù)字信號處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一 2． 課題的研究目標、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題 研究目標、內(nèi)容： (1)掌握永磁電機工作原理及控制規(guī)律； (2)設計永磁電機控制方案； (3) 運用Matlab仿真實現(xiàn)永磁電機控制，達到理想控制目標。 技術(shù)要求： 電腦、matlab 擬解決的關(guān)鍵問題：對使用MATLAB軟件進行仿真不熟悉 如何建立永磁同步電機矢量控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型 永磁同步電動機電子換相器 永磁同步電動機的基本方程 二、研究方案的確定 研究路線、方法，擬使用的主要儀器、藥品 永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理圖如圖所示。其工作原理及控制過程如下：通過檢測逆變器輸出的三相相電流以及逆變器直流側(cè)電壓，利用坐標變換和系統(tǒng)控制規(guī)律可計算出電機的定子磁鏈；根據(jù)計算的磁鏈和實測的電流來計算電機的瞬時轉(zhuǎn)矩；再根據(jù)筇軸定子磁鏈來判別其位置所在的扇區(qū)；速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和實際轉(zhuǎn)速的偏差來確定轉(zhuǎn)矩參考值，并與反饋轉(zhuǎn)矩相比較，得到的偏差經(jīng)滯環(huán)比較器得到轉(zhuǎn)矩的控制信號，電機的轉(zhuǎn)速可通過光電編碼器獲得，也可通過定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度估計得到，實現(xiàn)無速度傳感器運行； （1）PMSM 運用永磁同步電機(PMSM)可以節(jié)約能源，促進節(jié)能降耗目標的實現(xiàn)。從PWM逆變器中出來的電流Ia，Ib，Ic，使PMSM產(chǎn)生轉(zhuǎn)速，通過速度傳感器的調(diào)節(jié)反饋給速度控制器。下圖為A、B、C三相坐標系中同步電機數(shù)學模型 PMSM電機物理模型 在圖中，as、bs、cs為電機三相定子繞組的軸線，θ為轉(zhuǎn)子d軸軸線與A相繞組軸線的夾角，ψf為轉(zhuǎn)子永磁鐵產(chǎn)生的過定子磁鏈，is為電機定子三相電流的綜合矢量。 （2）PWM逆變器 利用逆變器中功率管的不同開關(guān)組合提供要求的開關(guān)矢量(電壓矢量、電流矢量)，實現(xiàn)對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的直接而快速控制。在直接轉(zhuǎn)矩控制中應用較多的是三電平逆變器，它可以提供27種開關(guān)組合，為定子磁鏈矢量幅值和相位控制提供更多的控制自由度。但值得注意的是交-直-交電壓型逆變器含有大電容作為直流儲能環(huán)節(jié)，造成逆變器體積大、重量重，而且不易維護。 （3）速度控制器 速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和實際轉(zhuǎn)速的偏差來確定轉(zhuǎn)矩參考值，并與反饋轉(zhuǎn)矩相比較，得到的偏差經(jīng)滯環(huán)比較器得到轉(zhuǎn)矩的控制信號r，電機的轉(zhuǎn)速可通過光電編碼器獲得，也可通過定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度估計得到，實現(xiàn)無速度傳感器運行.給定的轉(zhuǎn)速量和PMSM反饋的轉(zhuǎn)速量進行比較，由速度控制器處理得到轉(zhuǎn)矩。 （4）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計算 假設忽略電動機鐵心的飽和，不計電動機中的渦流和磁滯損耗，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。則永磁同步電機在d－q軸系下的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程[1]為： 式中，Ld、Lq分別為d軸和q軸電樞電感；Rs為定子電阻；ω為轉(zhuǎn)子角速度；ψs為定子磁鏈；ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Np為極對數(shù)；δ為定、轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角，稱轉(zhuǎn)矩角；p為微分算子，。式子表明轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩的變化與δ的變化存在復雜的非線性關(guān)系，直接轉(zhuǎn)矩的基本思想是在保持定子磁鏈幅值不變的情況下，通過控制δ和δ的快速變化來實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。 （5）磁鏈調(diào)節(jié) 永磁同步電機在(x -y )坐標系的磁鏈方程為： 其中Ld 、Lq 為永磁同步電機軸主電感；ψs為定子磁鏈幅值；ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈幅值；σ為定轉(zhuǎn)子磁鏈 夾角。從公式(1)可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：第一部分是由永磁磁鏈產(chǎn)生的勵磁轉(zhuǎn)矩；第二部分是由電機的凸極性引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。故永磁同步電機的輸出轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈幅值、轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角σ的正弦值有關(guān)。在PMSM的控制過程中，當忽略定子電阻時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角σ為負載角。穩(wěn)態(tài)時，相對于某一負載轉(zhuǎn)矩，σ為一常量，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以同步速度旋轉(zhuǎn)；暫態(tài)時，σ為變量，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈不以同步速度旋轉(zhuǎn)。由此可知，當保持定子磁鏈為恒定值，永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩角的變化而變化。因為電機電磁的常數(shù)小，電機定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度較轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度容易改變，從而，轉(zhuǎn)矩角的改變可以通過改變定子磁鏈旋轉(zhuǎn)速度和方向來實現(xiàn)。因此，在實際運行中保持定子磁鏈的幅值為額定值，以充分利用電動機鐵心，永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁鏈幅值一般為恒值，要改變電動機轉(zhuǎn)矩的大小，可以通過改變定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的大小來實現(xiàn)。 （6）坐標變化 對于同步電機來講，矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施是落到對定子電流(交流量)的控制上，由于在定子側(cè)的各物理量都是交流量，其空間矢量以同步轉(zhuǎn)速在空間旋轉(zhuǎn)，對其調(diào)節(jié)、控制和計算均不方便。因此，需要借助坐標變換的方法，使各物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，從同步旋轉(zhuǎn)坐標系觀察，電動機的各空間矢量就變成了靜止矢量。Clark變換是將三相靜止坐標系A(chǔ)、B、C向兩相靜止坐標系α，β轉(zhuǎn)換： 電流矢量，在a，p軸上的分量為I a，I p，用公式表示為： Ia Iβ為a p軸上的兩相 電流矢量，在A、B、C三相上的分量i。，i b，i c用i a，i B可表示為 Ia Ib Ic為A B C 軸上的三相 矩陣形式為： Park變換是將兩相靜止坐標系0、D向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系d、q的轉(zhuǎn)換。 三、作者已進行的準備及資料搜集情況 了解課題研究內(nèi)容，查閱相關(guān)資料收集整理與課題相關(guān)的資料根據(jù)收集的資料，進行開題報告的撰寫修改并完成開題報告完成外文翻譯掌握永磁同步電機的工作原理及結(jié)構(gòu)特點 四、階段性工作計劃與預期研究成果 周次 工 作 內(nèi) 容 預 定 目 標 1-2 翻譯、撰寫實習報告 文獻翻譯語句通順流暢，實習報告內(nèi)容具體充實且盡量與課題有關(guān)。 3-4 查閱文獻資料，撰寫開題報告 廣泛了解與課題有關(guān)的文獻資料，提出合理可行的設計方案，撰寫的開題報告。 5-8 設計系統(tǒng)總體方案 著手進行系統(tǒng)詳細設計方案的實施，并按時完成各階段性設計任務。 9 期中檢查 按時保量完成上述任務。 9-12 實現(xiàn)系統(tǒng)設計方案并測試運行 實現(xiàn)課題設計方案并進行有效測試，分析測試結(jié)果。 13-15 撰寫畢業(yè)論文 撰寫結(jié)構(gòu)合理的畢業(yè)論文。 16 答辯 完成既定畢業(yè)設計，順利通過答辯 預期研究成果 一到兩周了解課題研究內(nèi)容，對外文文獻翻譯基本流暢。 三到四周查閱相關(guān)資料收集整理與課題相關(guān)的資料根據(jù)收集的資料，進行方案的設計，開題報告的撰寫。 五到八周修改并完成開題報告完成外文翻譯掌握永磁同步電機的工作原理及結(jié)構(gòu)特點。 第九周完成上述的任務。 九到十二周開始編寫程序，建立模塊 十三到十五周開始寫論文 十六周答辯 五、主要參考文獻 參考文獻 [1] 陳榮.永磁同步電機控制系統(tǒng)[M].北京：中國水利水電出版社，2009. 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