基于MatlabSimulink的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真.doc

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摘要

在现代化工业生产中，电机及其控制系统占有着举足轻重的地位。具有更高的运行精度，更大的调

速范围，更短的调节时间的电机控制系统的开发是现代化工业控制领域的热门研究方向。而永磁同步电

机因其自身优良的特性，逐渐成为了工业控制中电机伺服系统中的主流电机，因此研究设计出能够适应

现代化工业控制要求的永磁同步电机的控制系统有着越来越重要的意义。

本课题以电机的矢量控制算法为理论基础，研究了永磁同步电机的组成原理和数学模型，分析了电

机的矢量控制系统的基本原理与控制策略，论述了永磁同步电机矢量控制系统实现的可行性，之后对电

机的变频驱动技术

SVPWM

作了比较详尽的论述。

在控制系统的实际设计与搭建阶段，课题介绍了控制系统的主要电路，包括功率驱动电路，供电电

路与电源电路以及传感器电路等等，在系统的软件设计中，描述了软件系统主要部分的程序流程，重点

介绍了系统的中断流程，

SVPWM

的生成与输出，电机的启动与定位的

算法和调节算法的软件实现，

最后给出了永磁同步电机矢量控制系统软件实现的总体程序流程。

在课题的最后，对控制系统做了比较全面的运行仿真，测量了电机控制系统的输出波形和调整过程

波形，对系统的性能做出了分析与评价，控制系统在经过调试以后，成功实现了电机矢量控制算法，有

着良好的转矩与速度响应，调整精度高，运行比较稳定，基本达到了课题预期的效果。

关键词：永磁同步电机，矢量控制系统 SVPWM，Matlab/Simulink

Abstract

In the modem industrial production, the electric motor and its control system occupy a prominent position.

To develop a motor’s control system that has a higher running precision, larger speed-regulating range, and

shorter adjusting time is a popular research direction in the modem industrial control system, and the

Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) is gradually becoming the essential motor for the motor servo

system because of excellent characteristics itself, so the research and design on the control system of PMSM

which can adapt requirements for modern industrial control has more and more practical significance.

This paper takes the vector control algorithm of motor as the theoretical foundation. First,it studies the

PMSM’s composing principle and mathematical model, then analyses the basic principle and control strategy

of vector control, and discusses the feasibility for the vector control system of PMSM, and then it makes a

detailed treatise on SVPWM technique to drive the motor with frequency conversion.

At the stage of actual designing and establishing for the control system , the paper introduces the main

electric circuit of control system, including the power driving circuit, the power supply circuit and the sensor

circuit etc., then it describes the main program flow of software system, and the points introduced are the

interruption’s flow of system, the generation and output of SVPWM, the starting and position fixing algorithm

of motor and PI adjustment with software implementation, in the last it shows the total software program flow

for vector control system of PMSM.

At the last part of paper, it takes an overall debugging for the control system, and measures many

outputting and adjusting process wave forms and then it makes an analysis and evaluation on the performance

of system. The control system succeeds to carry out the vector

control algorithm on PMSM, and it can

exhibits speed and torque response well. The system

has a high adjusting precision and circulates

stably, so it achieves the expectative effect

asically.

Key Words

PMSM; vector control system; SVPWM; Matlab/Simulink

摘要

............................................................................................................................................I

Abstract

...................................................................................................................................II

1 绪论

........................................................................................................................................1

1.1 电机现代控制技术的发展概况

................................................................................1

1.2 同步电机的分类与特点

............................................................................................2

1.3 同步电机的调速控制系统

........................................................................................4

1.4 现代电力电子技术的发展

........................................................................................6

1.5

PWM

技术的应用

.....................................................................................................7

1.6 本论文的研究背景与主要内容

................................................................................8

2 永磁同步电机的原理与数学模型

......................................................................................10

2.1 永磁同步电机组成与原理

......................................................................................10

2.2 永磁同步电机的数学模型

......................................................................................12

3 永磁同步电机矢量控制系统原理与实现

..........................................................................15

3.1 电机矢量控制系统的基本思想

..............................................................................15

3.2 电机矢量控制中的坐标变换

..................................................................................15

3.2.1 矢量控制系统中的三种坐标系

..................................................................15

3.2.2 三相定子坐标系与两相定子坐标系变换

(3s-2s).......................................17

3.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换

(2s-2r).......................................18

3.2.4 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换（

2t-2s

）

......................19

3.3 电压空间矢量的实现

..............................................................................................20

4 永磁同步电机直接转矩控制仿真

......................................................................................24

4.1 仿真软件

..................................................................................................................24

4.2 仿真模型

..................................................................................................................24

4.2.1 定子电流转换模块

......................................................................................25

4.2.2 定子电压转换模块

......................................................................................25

4.2.3 定子磁链计算模块

......................................................................................26

4.2.4 电磁转矩计算模块

......................................................................................26

1 绪论

1.1 电机现代控制技术的发展概况

电机现代控制技术是实现高性能伺服驱动的核心技术，也是先进的工业控制技术最具代

表性的标志之一。由于直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，因此从它诞生

之日起就一直受到人们的关注，并且在工业和生活中得到了极为广泛的应用。但是，随着生

产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向器的存在，使直流电动机

的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境受到限制，因此人们开始研究结构简

单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机的应用。但是由于当时电力电子元件的性

能所限，交流电动机的调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，直流调速一直以

性能优良领先于交流调速，直到 60 年代以后特别是 70 年代以来，电力电子技术和控制技术

的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐

步替代直流调速的时代。

由于大量使用三相异步电动机，交流电网的功率因数普遍偏低。为了改善功率因数，同

步电动机诞生并开始得到发展的应用，这也是同步电动机最初得到人们重视的主要原因之一。

1890 年美国西屋电气公司利用尼古拉·特斯拉的专利研制出第一台交流同步电机，此后的

100 多年，交流同步电机以其效率高、功率因数高且可以调节等优点，在工业生产机械传动，

特别是大功率传动中广泛应用。

同步电机的转速是由定子电流频率和电机极对数决定的，同步电机在电网固定频率供电

条件下做恒速运行，同步电机的转子将以定子旋转磁场的转速同步旋转，故称为同步电机。

传统同步电机的转子绕组采用直流激磁，在同步电机恒速运行时，调节转子激磁电流即可调

节同步电机的功率因数，功率因数可超前或滞后，也可以等于 1。传统同步电机的转速是恒

定不可调的，只用于拖动恒速负载及改善功率因数的场合。在恒定频率下运行的大型同步电

机存在着起动困难、运行过程易发生失步和振荡的问题，因此对同步电机的转速进行控制是

比较困难的。

从 20 世纪 30 年代的后期，人们就开始研究同步电机的调速问题。通过检测同步电机转

子磁极的位置，以适当的顺序控制与电机绕组相连的闸流管导通，代替直流电机的换向器和

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