永磁同步电机控制策略的仿真研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

一、课题研究的背景、意义及其研究历史和现状

1 课题研究的背景及意义

随着“工业4.0”概念的提出，世界进入第四次科技革命，科技的发展使其对电机性能的要求越来越高。永磁同步电机相较于其他类别的电机具有高效、高概率密度和高过载能力的优点，目前广泛用于航天航空、数控机床、机器人、军事和医疗等高精度传动领域^[1]。

2. 研究的基本内容与方案

2、课题研究思路

2.1 永磁同步电机控制方法分析

目前永磁同步电机的控制方法以矢量控制和直接转矩控制较为常见。

矢量控制的基本思想是通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，然后借用直流电机的理论来控制交流系统，获得像直流电机那样良好的动态特性^[6]。矢量控制是实现交流电机高性能控制的重要手段，也是永磁同步电机调速系统的理论基础。但使用矢量控制方法需要进行复杂的坐标变换，且需要准确的转子磁链和电机精确模型，对电机参数依赖性强，难以保证完全解耦，所以控制效果很难达到理论分析的性能^[10]。

直接转矩控制是在定子坐标中采用空间矢量的分析方法，直接计算和控制电机的电磁转矩^[11]。直接转矩控制方法简单，但是转矩有脉动，低速性能不理想，精确范围小。

本文选择对永磁同步电机PWM矢量控制方法进行研究。永磁同步电机矢量控制策略有以下几种方式。

（1）控制

控制d轴电流为0，使得定子电流没有直流分量，只有交轴分量。这种控制方式的控制性能类似于直流电机，控制简单，易于实现，且能使输出转矩随电流呈线性变化关系，调速范围广。但随着输出转矩的增大，漏感压降增大，功率因数降低，且调速范围有限^[6]。

（2）cosψ=1控制

其中ψ为定子电压与电流的夹角，是通过控制定子d、q轴电流，保持电机的功率因素恒为1 的一种控制方式。此方式使电机的功率因素保持为1，能充分利用变频器容量。但在负载变化时，转矩绕组的总磁链不能保持恒定，电枢电流和转矩之间不再保持线性关系^[11]。

（3）弱磁控制

弱磁控制应用于电机在额定转速以上运行时的控制方式。与直流电机一样，在电机电压达到额定电压以后，还需提高速度，就应通过增加d轴的磁分量来削弱主磁场来提高电机转速。其优点是可使电机运行于额定转速以上。但永磁同步电机在弱磁恒功率区运行效果较差，只能短期运行^[5]。

（4）恒磁链控制

恒磁链控制是通过合理控制电机的定子电流，使电机气隙磁链和转子永磁磁链相等。其优点在于功率因素高，在一定程度上提高了电机的最大输出转矩。缺点在于去磁分量大^[12]。

2.2 设计方案简述

本文采用永磁同步电机矢量控制方式，应用SVPWM控制，以控制方式为研究对象。

其中SVPWM控制原理如下：

图2.2-1 两电平牵引逆变器主电路图

三相电压逆变器由六个开关器件组成，六个开关器件组成三个桥臂，逆变器上下桥臂开关状态互补，可用三个上桥臂的开关器件的开关状态来描述逆变器工作状态。设开关器件开通状态为“1”，关断状态为“0”，则上桥臂的开关状态有八种组合，用矢量表示为[0 0 0],[0 0 1],[0 1 0],[0 1 1],[1 0 0],[1 0 1],[1 1 0],[1 1 1]。

表2.2-1 各种开关状态下的电压值

八种开关矢量对应八种电压矢量，分别记为，，，，，，，，称为基本空间电压矢量，其中和为零电压矢量，如图2.2-3。

图2.2-2 SVPWM矢量图

六个非零电压矢量均匀间隔60度，将dq平面分为6个区域，其中六个零电压矢量位于坐标原点。SVPWM控制就是通过控制开关状态的组合，使空间电压矢量按设定的参数做圆形旋转。SVPWM模块的具体设计方案将在建立仿真模型时具体介绍。

控制系统框图如图2.2-3。

图2.2-3 永磁同步电机矢量控制系统

控制系统根据检测到的电机实际转矩和输入的基准转速相比较，利用转矩和转速的关系，通过速度控制器模块计算得出定子电流转矩分量的参考量，同时给定定子电流励磁分量。通过相电流检测电路提取A、B两相电流，通过Clarke变换将其变换到两相静止坐标系中，再通过Park变换，将他们转换到dq旋转坐标系中，再将dq坐标系中的电流信号与参考电流信号分别进行比较，再通过电流控制器或得dq旋转坐标系下的电压信号。再经过Park逆变换得到两相静止坐标系下的电压信号，再将其送入SVPWM控制模块中产生控制脉冲，控制脉冲用于控制三相逆变器的各个开关状态，从而得到控制定子三相对称绕组中的实际电流，进而控制电机转速。

本文将完成对永磁同步电机矢量控制系统的各个部分做详细分析与设计，并在MATLAB/Simulink环境下建立仿真模型进行仿真研究。

2.3仿真设计思路

1、进行永磁同步电机数学模型分析。

2、完成坐标变换。

3、在MATLAB中建立永磁同步电机矢量控制仿真模型。

4、选取合适的参数进行计算、仿真。

5、对仿真结果进行分析总结。

6、撰写毕业设计论文。

3. 研究计划与安排

三、毕业设计进度安排

第一周：查阅资料、明确设计思路。

第二周：查阅资料、翻译外文文献、确定整体设计方案。

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献

[1]牛里. 基于参数辨识的高性能永磁同步电机控制策略研究[d].哈尔滨工业大学,2015.

[2]石敏. 永磁同步电机高性能弱磁控制策略的研究[d].湖南工业大学,2015.