基于simulink的永磁同步電機控制系統仿真設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 具箱用于多種學科。而學科性工具箱是專業性比較強的，如control、toolbox 、signl processing toolbox、mumnication toolbox 等。這些工具箱都是由該領域學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高、精、尖的研究。9） 源程序的開發性。開放性也許是 MATLAB 最受人們歡迎的特點。除內部函數以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過源文件的修改以及加入自己的文件構成新的工具箱。1990 年，Math Works 軟件公司命名為 SIMULAB,1992 年正式將該軟件更名為 SIMULINK，使得仿真軟件進入了模型化圖形組態階段 SIMULINK 的名稱表明了該系統的兩個主要功能：Simu(仿真)和 Link(連接)，即該軟件可以利用鼠標在模型窗口上繪制出所需要的控制系統模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能來對系統進行仿真和分析。MATLAB 語言及其 SIMULINK 可視化仿真平臺在控制系統中的應用日益普遍，使用 SIMULINK 可以迅速建立各種線形或非線性系統模型，用戶可以根據需要任意觀察系統在各處參數的動態變化，而且仿真速度比使用 MATLAB語言更快。MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真環境，它能夠實現動態系統建模與仿真的環境集成，且可以根據設計及使用要求，對系統進行修改和優化，以提高系統工作的性能，實現高效開發系統的目的。在此環境下，用戶可以點擊拖動鼠標的方式繪制和組織系統或電路，并完成對系統和電路的仿真。SIMULINK 與 MATLAB 語言的主要區別在于使用戶把更多的精力投入到系統模型的構建，而非語言的編程上。SIMULINK 提供了一些按功能分類的基本的系統模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內部是如何實現的，通過對這些基本的調用，再將它們連接起來就可以構成所需的系統模型（ 文件進行存取） ，進而進行仿真與分析。 MATLAB 仿真工具箱簡介MATLAB/SIMULINK 是 MATHWORKS 公司開發的用于數學計算的工具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、繪圖功能、可視化的仿真環境SIMULINK。SIMULINK 可以對通信系統、非線性控制、電力系統等進行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫、模型構造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。用戶進行仿真時很少需要程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單操作，就可以形象地建立起被研究系統的數學模型，并進行仿真和分析研究。下面就本論文工作中使用的仿真工具 作簡單介紹。SIMULINK 仿真工具箱包括了專用于電力電子、電氣傳動學科進行仿真的電氣系統模塊庫（SIMPOWER SYSTEM） 。運行 SIMULINK 以后，打開SIMPOWER SYSTEM，就能調出電氣系統模塊庫的各個子模塊。也可以在MATLAB 的命令窗口，直接鍵入 POWERLIB 以調用電氣系統仿真基本模塊。電氣系統模塊庫主要包括以下七個子模塊：1）電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等；2）基本元件庫：包括串聯 RLC 負載、串聯 RCL 支路、并聯 RCL 負載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N 相分布參數線路、單相 π 相集中參數傳輸線路和浪涌放電器等；3）電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO 、理想開關和一個多功能橋等。為滿足不同的仿真要求并提高仿真速度還設有晶閘管簡化模型；4）電機模塊庫：包括激磁裝置、勵磁裝置、水輪機及其調節器、異步電動機、同步電機及其簡化模型和永磁同步電機等；5）連接模塊庫：提供組織電力電子仿真線路的各連接件，包括地、中性線和母線（公共點）等；6）測量模塊庫：包括電流測量和電壓測量和電抗的測量模塊等；7）附加電氣系統模塊庫：包括均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時器、同步觸發脈沖發生器以及三相庫等； 在以上模塊庫的基礎上，根據需要，可以組合封裝成常用的較復雜的模塊，添加到所需的模塊中去。 本文主要任務本文立題為永磁同步電機控制系統仿真，進行了一系列的工作，主要涉及以下的研究內容：（1） 建模與仿真的關系，及仿真的實際應用意義；（2） 介紹永磁同步電機的分類、結構與應用，給出永磁同步電機在不同坐標系下的數學模型及運動方程；（3） 介紹永磁同步電機矢量控制的理論基礎；（4） 建立永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型；（5） 對仿真結果的進行分析，得出永磁同步電機的性質特點。第二章 永磁同步電機的結構及其數學模型 永磁同步電機的概述 同步電機的基本工作原理 同步電動機是一種交流電動機，其主要特點是電動機轉速與電動機定子電流頻率以及電動勢的極對數存在著嚴格不變的關系。普通同步電動機有定子和轉子兩大部分組成，電動機定子有定子鐵心、定子繞組和機殼組成。電動機轉子有凸極式和隱極式兩種結構形式，隱極式轉子做成圓柱形且其氣息均勻，而凸極式轉子的磁激明顯凸出且氣息不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。一般而言，當同步電動機轉速較小時，可采用結構簡單的凸極式轉子結構。同步電動機的勵磁繞組套在轉子磁極鐵芯上，而經由電刷和集電環引入的勵磁電流應能使轉子磁激的記性呈現 N，S 極交替排列。 同步電動機的工作原理，就是電動機定子的旋轉磁場以磁場拉力拖著電動機轉子的同步地旋轉。電動機定子三相繞組介入三相電流而產生的旋轉磁場與電動機轉子勵磁繞組接入直流而形成的轉子磁場相互作用。同步電動機的轉速表達式為： ，式中 為電源頻率； 為電動機的極對Pf60nnss?fsPn數； 為同步轉速。s 永磁同步電機的基本結構及其分類（一）基本結構：與傳統電機一致，永磁同步電機由定子和轉子兩大部分組成。與傳統同步電機定子結構基本相同，永磁同步電機定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y型連接的對稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機的基本結構如圖 21 所示。如果在三相空間對稱的定子繞組中通入三相時間上也對稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機的氣隙中會產生一個在空間旋轉的圓形磁場，其轉速為 ，式中 為電源頻率；Pf60nnss?fs為電動機的極對數； 為同步轉速。Pns 永磁同步電機的轉子通常由轉子鐵芯、永磁體磁鋼和轉子轉軸組成。日前，永磁同步電機常用的永磁材料是釹鐵硼合金（Nd Fe B）和釤鈷合金（SmCo5，SmCo17） 。從永磁體安裝方式上，轉子分為表面粘貼式、表面插入式和內置式，如圖 21 所示。圖 21 永磁電機的轉子結構 其中圖 21(a)為表面粘貼式，圖 21(b)為表面插入式，圖 21(c)為內置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導率近似等于真空磁導率，對于圖 21(a)所示的轉子結構，直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交軸、直軸電感相等，即 =Ld,表現出隱極性質。而對其他結構，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Lq ，表現出凸極電機的性質。前兩種轉子結構的永磁體通常呈現瓦片形，d并位于轉子鐵芯的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉子直徑，從而降低了轉動慣量。若將永磁體直接粘在轉軸上還可以獲得低電感，有利于電機動態性能的改善。內置式轉子結構的永磁體通常為條狀，位于轉子鐵芯內部，機械強度高，磁路氣隙小，提供的磁通方向與轉子的具體結構有關。由于此種轉子磁路結構具有不對稱性，產生的磁阻轉矩有利于提高電機的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運行場合。 對于永磁同步電機，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機具有恒力矩輸出，電機應具有正弦波反電勢，以保持電磁轉矩恒定。通過合理的設計，表面式、插入式和內置式轉子均可以使電機實現正弦波反電勢。（二）分 類： 永磁同步電機的分類方法很多。按轉子上有無起動繞組，可分為異步起動永磁同步電動機和永磁同步電動機（無起動繞組的電動機） ；根據永磁鐵的形狀的不同，可分為表面式和嵌入式；根據感應電動勢的不同，將永磁同步電機氛圍正弦波永磁同步電機和梯形波永磁同步電機，正弦波永磁同步電機稱為永磁同步電機；按工作磁場方向不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電驅繞組位置不同，可分為內轉子式和外轉子式；根據極對數的不同，可分為單極永磁同步電機和多機永磁同步電機；因為在控制上更接近于直流電機的控制，梯形波永磁同步電機稱為直流無刷電機。 由于永磁同步電機中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機效率會增加。永磁同步電動機不存在相間換流時的沖擊電流，所以永磁同步電動機的轉矩脈動遠低于永磁無刷直流電動機。 永磁同步電機的特點與應用 現在永磁同步電機的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機 功率范圍，且延伸至大功率領域。在永磁同步電機中，用于勵磁的永磁鐵取代了轉子的直流勵磁繞組，從而勵磁銅耗得以消除，轉子慣性也相應的降低，并且轉子結構更加堅固。與此同時，永磁同步發動機與傳統的發電機相比不再需要集電環和電刷裝置，結構更加簡單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增大氣隙磁密，電機轉速被提高到最佳值，提高了功率質量比。這些原因使其具有了普通電機所不具備的顯著特點，即：輕型化、小尺寸、高性能化和高效節能。雖然永磁同步電動機轉子結構差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有如下共同的特點：(1)體積小、質量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電機的功率密度得到很大的提高，與同容量的異步電機相比，體積和質量都有明顯的減小，使其適合應用在許多特殊場合。(2)功率因數高、效率高、節約能源。永磁同步電機與感應電機相比，不需要勵磁電流，可以顯著提高功率因數，減小定子銅耗。而且永磁同步電機在 25%120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數，使輕載運行時節能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動態響應快。高永磁磁通密度、輕轉子質量，帶來高轉矩慣量比，有效提高了永磁同步電機的動態響應能力。(4)可靠性高。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，由于取消了集電環和電刷等機械換向裝置，成為無刷電機，這不但減少了機械和電氣損耗，而且還不會產生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機機械結構簡單牢固、運行可靠。(5)具有嚴格的轉速同步性和比較寬的調速范圍。對于要求多臺電動機同步運行的調速系統具有突出的優點，變頻電源可實現開環控制，且調速控制方便，并在所有頻率范圍內均能穩定運行。(6)永磁同步電動機的缺點是失去了勵磁調節的靈活性；可能會出現退磁效應；釹鐵硼永磁材料溫度系數較高，造成其磁性能和熱穩定性較差；由于材料中含有大量的釹和鐵，容易銹蝕等。正是由于永磁同步電機這些優點，國內許多領域用的特殊電機、高性能電機都采用永磁同步電機方案目前節能降耗已成為我國的基本國策，推廣應用永磁同步電機可以促進電機系統節能工作發展，促進節能降耗目標實現。永磁同步電機在電梯領域的應用。傳統的電梯拽引技術應用了齒輪間接驅動系統，由于有齒輪驅動系統存在，使得整個驅動系統材料消耗較大、運行效率低以及維護復雜、噪聲大等缺點。因此相比有齒輪驅動系統，采用永磁同步電機直接無齒輪驅動的電梯系統在節能、環保方面有著突出的優點。國內外紛紛開始研究開發無齒輪永磁同步電梯拽引機，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉矩脈動。提高了其運行性能，通力公司開發了 ECODISO 永磁盤式無齒拽引機，應用于機房電梯。永磁同步電機在船舶電力推進；領域的應用。由于永磁同步電機效率高，輕量化和高性能化等特點，因此得到了船舶綜合電力推進系統供應商青睞，比如船舶電力推進系統三大供應商之一的西門子就開發出了以永磁同步電機為SPP 推進系統。效率較高的永磁同步電機是 SPP 系統的效率得到明顯提高。永磁同步電機在混合動力汽車領域的應用。永磁同步電動機是各種電動車驅動電機的發展方向之一。日本 1965 年就開始研制電動車，于 1967 年成立了日本電動車協會。1996 年，豐田汽車公司研制的電動車 RAV4 就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅動電機，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機可以達到最大功率 50KW，最高轉速 1300r/min。歐洲許多發達國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅動電機的選擇上，不同國家各有側重，英國、法國偏重于永磁無刷直流電機，德國偏重于開關磁阻電機。綜上，永磁電機得到了非常廣泛的應用，遍及航空航天、國防、工農業生產和日常生活等各個領域。永磁同步電機已成為電機工業技術的主要發展方向之一，在未來也必將發揮更為重要的作用。 永磁同步電機的數學模型數學模型能夠描述實際系統各物理量之間的關系和性能，是被描述系統的近似模擬。永磁同步電機的數學模型認識、分析電機的運動規律和各變量間的因果或定量關系，是對永磁同步電機進行控制的理論基礎。永磁同步電機的定子與普通勵磁同步電機的定子一樣都是三相對稱繞組。通常按照電動機慣例規定各物理量的正方向。以三相星形 180176。的通電模式為例來分析 PMSM 的數學模型及電磁轉矩等特性。為了便于分析，假定：(1)磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換向過程和電樞反映的影響；(3)三相繞組對稱，永久磁銅的磁場沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內表面均勻連續分布；(5)驅動二極管和續流二極管為理想元件；(6)轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉子磁鏈在各相繞組中的磁鏈