永磁同步电动机功率因数的仿真分析—转矩电流最大比控制开题报告.docx

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1、开 题 报 告永磁同步电动机功率因数的仿真分析转矩电流最大比控制 1 1选题的背景、意义自 70 年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用。 其主要原因有：1.永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。2.电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。电力电子技 术是信息产业和传统产业间重要的接口，是弱电与被控强电之间的桥梁。对最新 的自同步永磁同步电动机，高性能电力半导体开关组成的逆变电路是其控制系统 的必不可少的功率环节。3.规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控 制。由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制

2、技术亦已成熟并日 趋完善 1。使得永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、功率因数高等 优越性能, 由其组成的高性能驱动系统近年来受到了广泛的关注。而在 20 世纪 80 年代中期针对感应电动机而提出的直接转矩控制策略实行定子磁场定向，避 免复杂的坐标变换，动态性能好，对电动机参数依赖性小，鲁棒性强。因此，将 其应用 拓展至永磁同步电动机控制领域就成为近年的研究的热点之一。针对永磁同步电动机 dq 轴电感不相等的特性, 提出了最大转矩电流比控制 来提高系统动态性能。因此，将永磁同步电动机直接转矩控制与最大转矩电流比 控制结合亦成为永磁同步电动机控制领域的新兴问题。永磁同步电动机直接控制 系

3、统最大转矩电流比控制结合了两者的优点：无需转子精确定向，降低了定子电 流，减小损耗，从而提高了系统效率 2 。对于凸极永磁同步电动机 Ld 不等于 Lq, 能够生磁阻转矩, 通过控制定子电流相位角可以控制 id,iq。当定子电流一定时， 存在一个电流相位角 使输出转矩值最大， 这种控制方法可以得到最大转矩电流 比。基于此种最大电流比控制方法，建立高性能的三电 PMSM最大转矩电流比控 制系统，对最大转矩电流比控制系统进行分析研究。与传统的 id=0 控制在输出 转矩、功率因数、动态性能、算法复杂程度、对参数的鲁棒性等方面进行比较, 从而阐述了其优缺点, 为永磁同步电动机控制方法选择提供依据 3

4、。功率因数和效率一样，都是永磁同步电动机最具实用价值的特征指标。无论 是异步起动的永磁电动机，还是调速永磁电动机，设计时都力求提高其功率因数。 因为，前者通常就是用来替代低力能指标的感应电动机，后者为了减小电子控制 器的容量也要求有高力能指标 4。2 相关研究的最新成果及动态由于永磁体的益处很多。在电机中用永磁材料代替传统的励磁绕组。已成为 新型高效节能电机的一个重要发展方向。现代永磁电机采用稀土永磁材料励磁。 如钐钴(Sm Co)台金、钕铁硼(NdFeB)台金等，不仅使电机尺寸大大减小，重量减 轻。而且使之维护方便、运行可靠、效率提高，与同容量的异步电机相比。永磁 电机效率提高了 413。其

5、功率因数提高 52O。随着高性能永磁材料 的问世和控制技术的迅速发展。永磁电机的应用将会变得更为广泛。永磁电机的 种类永磁电机种类繁多。根据电机功能大致可分为永磁发电机和永磁电动机两 大类。永磁电动机又可分为永磁直流电动机和永磁交流电动机。而永磁交流电动 机 指 的 是 带 有 永 磁 转 子 的 多 相 同 步 电 动 机 ， 所 以 常 被 称 为 永 磁 同 步 电 动 机 (PMSM)。永磁直流电动机如果按有无电刷和换向器来分，又可分为永磁有刷直 流电动机和永磁无刷直流电动机(BLDCM)。当今世界，现代电力电子学理论和 技术正在大发展。电力电子器件，如 MOSFET、IGBT、MCT

6、 等的不断问世，控 制装置发生根本性变化。自 1971 年 FBlascEke 提出交流电机矢量控制原理之后， 矢量控制技术的发展开创了交流伺服传动控制的新纪元，各种高性能微处理器的 不 断推出，进一步加速了交流伺服系统取代直流伺服系统的发展。交流伺服系 统取代直流伺服系统已成必然趋势。然而，具有正弦波反电势的永磁同步电动机 (PMSM) 和具有梯形波反电势的无刷直流电动机(BLDCM)因其本身卓越的性能 必将 会成为发展高性能交流伺服系统的主流。下面介绍永磁同步电动机的发展 状况，并着重介绍一下永磁同步电动机发展趋势。永磁同步电机（PMSM）的研究现状：虽然 BLDCM 的转矩比 PMSM

7、具有 控制简单，成本低，检测简单等优点，但因为 BLDCM 的转矩脉动比 PMSM 较 大 铁 心 损 耗 也 较 大 。 所 以 在 低 速 直 接 驱 动 场 合 的 应 用 中 ， PMSM 的 性 能 比 BLDCM 及其它交流何服电动机优越得多。不过在发展高性能 PMSM 中也遇到 几个“瓶颈”问题有待于作更深入的研究和探索。（1）PMSM 在使用过程中会出现“退磁”现象，而且在低速时，也存在齿 槽转矩对其转矩波动的影响。( 2) 检测误差对控制器调节性能有影响，发展高精度的速度及位置检测器件 和实现无传感器检测的方法均可克服这种影响。( 3) 以 PMSM 作为执行元件构成的永磁交

8、流伺服系统，由于 PMSM 本身就 是具有一定非线性、强耦合性和时变性的“系统”，同时其伺服对象也存在较强 的不确定性和非线性，加之系统运行时易受到不同程度的干扰，因此采用先进控 制策略，先进的控制系统实现方式( 如基于 DSP 控制) ，以从整体上提高系统的 “智 能化、数字化”水平，这应是当前发展高性能 PMSM 伺服系统的个主要 的“突破口”。永磁同步电机（PMSM ）的发展趋势：PM SM 伺服系统从其应用领域的特点 和自身技术的发展来看，将会朝着以下两个方向发展：一是适用于简易教控机床、 办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的工业运动控 制等领域的简易、低成本

9、PMSM 伺服系统；另一方向则是向适用于高精度数控 机床、机器人、特种加工设备精细进给驱动以及航空、航天用的高性能全数字化、 智能化、柔性化的 PMSM 伺服系统发展。而且后一个发展方向更能充分体现 PMSM 伺服系统优点，今后必将成为重点发展方向 5。而开发直接转矩控制系统的背景是：电气机车等具有大惯量负载的运动系 统采用异步电动机调速，由开关频率较低的 GTOPWM 逆变器供电，起制动时 要求有很快的瞬态转矩响应，特别是在弱磁调速范围内，快速转矩响应尤为重要。 为此，直接转矩控制采用了转矩和磁链的砰- 砰控制，并用其输出信号直接选择 PWM 的空间电压矢量 6。在转矩控制方法上, 主要有以

10、下几种方法 7: 1.基于新型趋近律的永磁同步电机滑模变结构矢量控制。针对永磁同步电机矢量控制系统设计了一种新型变指数滑模变结构控制器。仿真试验证明该控制方 法克服了传统 PI 控制响应时间长。超调量大，鲁棒性不强的不足，同时也解决 了传统滑模控制存在严重抖振的问题。减小控制器的开关频率和负担，增强了系 统的稳定性。创新点：针对永磁同步电机矢量控制系统设计了一种新型变指数滑 模控制器，提高了滑模趋近速率，削弱了滑模抖振 8。2.有脉冲扰动的永磁同步电机直接力矩控制。永磁同步电机系统是非线性系 统 之一， 相对于普通的非线性系统，永磁同步电机对参数变化非常敏感，于是 关于永磁同步电机的控制技术成

11、了永磁同步电机研究的重要内容，目前永磁同步 电机的混沌控制研究很少。 同时，扰动普遍存在于实际运行的各种系统中，比 如电压的不稳定，工作环境的瞬间振动等，都会导致电机系统出现扰动现象， 扰 动现象通常表现为脉冲扰动。因此研究具有脉冲扰动的永磁同步电机非常必要。 实施直接力矩控制，能使系统较快地达到稳定状态，相比传统的控制方法，采取 直接力矩控制具有可靠性高、控制方法简单、易于实现等优点 9。3.空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制. 该方法是一种基于空间电压 矢量调制的表贴式永磁同步电机直接转矩控制方法。基于表贴式永磁同步电机的 数学模型，通过计算在一个控制周期内能同时精确补偿转矩误差和磁链

12、差的空 间电压矢量，得出基于磁链与转矩的无差拍控制方法。相对于传统的永磁同步 电 机直接转矩控制方法，该方法能够明显减小磁链与转矩脉动，并且保持了传统直 接转矩控制中转矩动态响应快的优 10 。不同于传统的永磁同步电机直接转矩控制 方法，该方法由于使用了空间电压矢量调制，系统在不同工况下具有恒定的开关 频率。仿真和实验结果验证了所提出方法的正确性和可行性 11。4.基于 DSP 的 PMSM 控制器设计。针对永磁同步电机(PMSM)的控制需求，设计了一种基于 DSP 和 CPLD 的 PMSM 控制器。首先给出了 PMSM 控制器的 原理图，该控制器主要由逆变电路和主控电路两部分构成，逆变电路

13、采用电压源 型逆变器，主控电路基于 DSP 进行设计，然后对设计中的 DSP 电源上电时序、 AD 采样精度、SVPWM 信号处理等相关问题进行了分析并给出了解决方案。 最后通过实验对设计的控制器进行了测试。实验结果验证了所设计控制器的可行 性，并能满足 PMSM 高性能控制要求 12。5. 基于自适应模糊 PI 的 PMSM 定子电流最优控制根据永磁同步电动机 (PMSM) 的数学模型和转子磁场定向控制策略, 建立了采用定子电流最优控制的 PMSM 驱动系统。利用模糊控制构建自适应模糊 PI 控制器, 实现转速和电流双 闭环控制，提高了系统的动态和稳态性能。为使电动机在整个运行速度范围内能

14、输出最大功率, 采用交轴电流参考由模糊 PI 环节给出，直轴电流参考分段，即恒 转矩、弱磁扩速及恒功率段, 计算给出定子电流最优算法。实验结果表明: 基于模 糊 PI 控制 的系统模型具有动态响应快、稳态精度高及抗干扰能力强等优点 13。6.永磁同步电机的无速度传感器直接转矩控制: 永磁同步电机的无速度传感 器在高性能的永磁同步电机控制系统中，机械传感器的存在会使系统的成本增加, 可靠性降低, 容易受到外部环境的影响 14。在叙述永磁同步电机直接转矩控制原 理的基础上, 采用了一种基于转子磁链的转速估计方法，该方法根据定子磁链角 和负载角确定出转子磁链角，进而估计出电机的转速。 仿真和实验结果

15、验证了 该方法能够在电机全速范围内准确地估计出转速，具有优 良的动静态性能，适 合于永磁同步电机的直接转矩控制 15。7.永磁同步电动机一种新型直接转矩控制技术: 针对永磁同步电动机传动系 统的直接转矩控制技术进行研究，提出一种新型控制方案。该控制方案采用砰砰 滞环调节器与电压矢量查询表的方式直接对永磁同步电动机定子电流的激磁电 流分量和转矩电流分量进行闭环控制，电流控制更为直接，并且可以容易实现永 磁同步电动机的最大转矩电流比控制。文章采用 MATLAB 仿真软件对该控制 技术进行仿真，仿真结果表明了该控制方法对定子电流控制的有效性，也表明系 统具有良好的动态性能。最后构建了以数字信号处理器

16、 TMS 320LF2407 为核心 的永磁同步电机调速试验系统, 验证了该方法的有效性 16。8.基于 MMB 的直接转矩控制：为了克服传统的直接转矩控制存在的开关频 率不确定、转矩脉动较大等缺点，分析了多种改进的方法。采用“暂态- 稳态- 超调”技术，能够有效地解决转矩脉动的问题17。9MTPA 控制的直接转矩控制系统：为提高凸极式永磁同步电机(Permanent M agnet Synchronous Motor，PMSM)运行效率，提出了一种基于最大转矩电流比 (M aximum Torque Per Ampere，MTPA )控制的直接转矩控制系统新方案。详细论述 了将 MTPA 应

17、用于 PMSM 直接转矩控制(Direet Torque Control，DTC)中的 理论推导及其工程简化计算方法。利用矢量图分析了常规 DTC 和 MTPA 控制的 DTC。通过仿真对这两种 DTC 进行了稳态和动态性能对比分析，证明了新方案 不但具有常规 DTC 优良的动态性能外，在输出相同转矩的条件下，新方案所需 的定子电流更 小，从而有效提高了系统的稳态运行效率，特别是在电机重载的 情况下尤其有效 18。3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预 期达到的目标一研究内容 1.在dq坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型，详细分析永磁同步电动机的转矩电流最大比的控制理

18、论。 2.在电励磁同步电动机的功率因数控制方法的基础上，讨论永磁同步电动机的功率因数问题。利用电机的矢量图，分析影响永磁同步电动机功率因数的因素。 通过仿真分析永磁同步电动机的功率因数与电源和永磁体之间的关系。3.转矩电流最大比控制系统中永磁同步电动机功率因数的仿真分析。建立转 矩电流最大比控制仿真模型，在不同转速和负载下进行仿真，分析系统的各参数 之间的对应关系，并着重分析了在不同情况下永磁同步电动机的功率因数二研究方法 1.学会永磁同步电动机的转矩电流最大比的控制理论。在dq坐标系中建立永磁同步电机的数学模型。 2.学会电励磁同步电动机的功率因数控制方法，利用电机的矢量图，分析影响永磁同步

19、电机功率因数的因素。 3.通过仿真分析永磁同步电动机的功率因数与永磁体之间的关系。4.建立转矩电流最大比控制仿真模型，在不同转速和负载下进行仿真，分析 系统的各参数之间的关系，并着重分析在不同情况下永磁电动机的功率因数。三研究难点1.运用 MATLAB/S imunlink 工程软件建模。2. 建立转矩电流最大比控制仿真模型。 四预期目标1、运用MATLAB/S imulink仿真分析转矩电流最大比控制系统中永磁同步电 动机的功率因数。2、仿真实现功率因数控制，通过一系列仿真验证该功率因数控制策略的正确性和可行性。4、研究工作详细进度和安排 计划进度：第 1-3 周学会运用 MATLAB 软件

20、建模的一般流程。第 2-5 周学会永磁同步电动机的转矩电流最大比的控制理论，在 dq 坐标 系建立永磁同步电机的数学模型。第 6-10 周建立转矩电流最大比仿真模型5 参考文献 1金如麟，侯文义.永磁同步电动机的应用前景J. 上海大中型电机，2001，3： 1-3. 2 胡崇.岳现代交流调速技术J.机械工业出版社，1998,5:3. 3李耀华，刘卫国.永磁同步电动机直接转矩控制系统的最大转矩电流比控制J. 微特电机，2007,35（1）：1. 4史光辉，于佳，张亮.永磁同步电动机最大转矩电流比控制J. 电机技术，2009,5： 1. 5陈瑜. 永磁同步电动机功率因数及其设计原则J. 机电技术，

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