永磁同步電機(jī)開題報(bào)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(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、稀土永磁材料與電動(dòng)機(jī)控制理論的發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)有了長足的進(jìn)步，交流伺服系統(tǒng)將逐步取代直流伺服系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)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(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)取代液壓和直流傳動(dòng)。 二十世紀(jì)八十年代以來，隨著價(jià)格低廉的釹鐵硼(REFEB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機(jī)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(jī)及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功率應(yīng)用場合，永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢。永磁同步電機(jī)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(jī)的概念和應(yīng)用范圍己被當(dāng)今的永磁同步電機(jī)大大擴(kuò)展?？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電機(jī)已在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，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(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，而且前景會(huì)越來越明顯。 由于永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量低，易于散熱及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著永磁材料價(jià)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(dòng)機(jī)引起了眾多研究與開發(fā)人員的青睞，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步推廣，尤其在航空航天、數(shù)控機(jī)床、加工中心、機(jī)器人等場合獲得廣泛的應(yīng)用。 盡管永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)得到了很大的發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM、DTC自適應(yīng)方法等都在實(shí)際中得到應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)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(jī)的參數(shù)等等。因此，對(duì)控制策略中存在的問題進(jìn)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(jī)控制技術(shù)是伺服驅(qū)動(dòng)控制的核心。從發(fā)展的歷程來看，電機(jī)控制技術(shù)與電動(dòng)機(jī)、大功率器件、微電子器件、傳感器、微型計(jì)算機(jī)以及控制理論的發(fā)展密切相關(guān)。最初的隨動(dòng)伺服系統(tǒng)是在美國誕生的火炮瞄準(zhǔn)隨動(dòng)系統(tǒng)。此后，隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，隨動(dòng)系統(tǒng)有了長足的進(jìn)展。1971年，德國學(xué)者相繼提出了交流電機(jī)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(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的研究具有劃時(shí)代的意義。因?yàn)檫@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(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料科學(xué)的發(fā)展，矢量控制技術(shù)得以迅速應(yīng)用和推廣。矢量控制是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)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(yīng)用于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，很快擴(kuò)展到三相永磁同步電機(jī)。由于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)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(zhǔn)確觀測，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實(shí)踐上的不足之處。而永磁同步電機(jī)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(jī)在小功率和高精度的場合應(yīng)用廣泛。 隨后，1985年，由德國魯爾大學(xué)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(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性易受電機(jī)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(dòng)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(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。德國、日本、美國都競相發(fā)展此項(xiàng)新技術(shù). 1.1.3永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 20世紀(jì)90年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)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(jī)控制，可使電機(jī)的調(diào)速性能有很大的提高，使復(fù)雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)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(hù)、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復(fù)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(shí)用性。近幾年，在先進(jìn)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(jī)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(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)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(luò)控制等可以高速、高精度的完成。 國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)交流電機(jī)控制技術(shù)的研究正處在熱潮。同時(shí)，非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)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(hào)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(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題 研究目標(biāo)、內(nèi)容： (1)掌握永磁電機(jī)工作原理及控制規(guī)律； (2)設(shè)計(jì)永磁電機(jī)控制方案； (3) 運(yùn)用Matlab仿真實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)控制，達(dá)到理想控制目標(biāo)。 技術(shù)要求： 電腦、matlab 擬解決的關(guān)鍵問題：對(duì)使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真不熟悉 如何建立永磁同步電機(jī)矢量控制閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型 永磁同步電動(dòng)機(jī)電子換相器 永磁同步電動(dòng)機(jī)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(jī)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(biāo)變換和系統(tǒng)控制規(guī)律可計(jì)算出電機(jī)的定子磁鏈；根據(jù)計(jì)算的磁鏈和實(shí)測的電流來計(jì)算電機(jī)的瞬時(shí)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(shí)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(hào)，電機(jī)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(jì)得到，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器運(yùn)行； （1）PMSM 運(yùn)用永磁同步電機(jī)(PMSM)可以節(jié)約能源，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)的實(shí)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(biāo)系中同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 PMSM電機(jī)物理模型 在圖中，as、bs、cs為電機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)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?zhǔn)噶糠岛拖辔豢刂铺峁└嗟目刂谱杂啥?。但值得注意的是?直-交電壓型逆變器含有大電容作為直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，造成逆變器體積大、重量重，而且不易維護(hù)。 （3）速度控制器 速度調(diào)節(jié)器根據(jù)轉(zhuǎn)速參考值和實(shí)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(hào)r，電機(jī)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(jì)得到，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器運(yùn)行.給定的轉(zhuǎn)速量和PMSM反饋的轉(zhuǎn)速量進(jìn)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(jì)算 假設(shè)忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和，不計(jì)電動(dòng)機(jī)中的渦流和磁滯損耗，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。則永磁同步電機(jī)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(duì)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(fù)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(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。 （5）磁鏈調(diào)節(jié) 永磁同步電機(jī)在(x -y )坐標(biāo)系的磁鏈方程為： 其中Ld 、Lq 為永磁同步電機(jī)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(lì)磁轉(zhuǎn)矩；第二部分是由電機(jī)的凸極性引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。故永磁同步電機(jī)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(dāng)忽略定子電阻時(shí)，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角σ為負(fù)載角。穩(wěn)態(tài)時(shí)，相對(duì)于某一負(fù)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(shí)，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(dāng)保持定子磁鏈為恒定值，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩角的變化而變化。因?yàn)殡姍C(jī)電磁的常數(shù)小，電機(jī)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(shí)現(xiàn)。因此，在實(shí)際運(yùn)行中保持定子磁鏈的幅值為額定值，以充分利用電動(dòng)機(jī)鐵心，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值一般為恒值，要改變電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)。 （6）坐標(biāo)變化 對(duì)于同步電機(jī)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(shí)施是落到對(duì)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(duì)其調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算均不方便。因此，需要借助坐標(biāo)變換的方法，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系觀察，電動(dòng)機(jī)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(biāo)系A(chǔ)、B、C向兩相靜止坐標(biāo)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(biāo)系0、D向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q的轉(zhuǎn)換。 三、作者已進(jìn)行的準(zhǔn)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(jìn)行開題報(bào)告的撰寫修改并完成開題報(bào)告完成外文翻譯掌握永磁同步電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 四、階段性工作計(jì)劃與預(yù)期研究成果 周次 工 作 內(nèi) 容 預(yù) 定 目 標(biāo) 1-2 翻譯、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告 文獻(xiàn)翻譯語句通順流暢，實(shí)習(xí)報(bào)告內(nèi)容具體充實(shí)且盡量與課題有關(guān)。 3-4 查閱文獻(xiàn)資料，撰寫開題報(bào)告 廣泛了解與課題有關(guān)的文獻(xiàn)資料，提出合理可行的設(shè)計(jì)方案，撰寫的開題報(bào)告。 5-8 設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案 著手進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施，并按時(shí)完成各階段性設(shè)計(jì)任務(wù)。 9 期中檢查 按時(shí)保量完成上述任務(wù)。 9-12 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案并測試運(yùn)行 實(shí)現(xiàn)課題設(shè)計(jì)方案并進(jìn)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(shè)計(jì)，順利通過答辯 預(yù)期研究成果 一到兩周了解課題研究內(nèi)容，對(duì)外文文獻(xiàn)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(jìn)行方案的設(shè)計(jì)，開題報(bào)告的撰寫。 五到八周修改并完成開題報(bào)告完成外文翻譯掌握永磁同步電機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。 第九周完成上述的任務(wù)。 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(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 陳榮.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：中國水利水電出版社，2009. 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