第一章 緒論

1.1 課題研究的背景

永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代。它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但永磁同步電機(jī)通過用永磁體替代激磁繞組的方法，使電機(jī)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)單化，同時(shí)也提高了電機(jī)的可靠性。在電機(jī)制造和相關(guān)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，20 世紀(jì) 70 年代，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始使用永磁同步電機(jī)。到了 20 世紀(jì) 80 年代，稀土永磁材料的研制技術(shù)得到了很大的提升，特別是第三代新型永磁材料釹鐵硼(NdFeB)的出現(xiàn)，使得永磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)得到了較大的發(fā)展。由于稀土材料技術(shù)的快速發(fā)展，以永磁體為材料制成的產(chǎn)片的磁能積已經(jīng)可以做的很高，價(jià)格方面也已經(jīng)能夠達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的需求，加上矢量控制技術(shù)水平的提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)正在逐步得到凸顯。在電機(jī)材料上采用新型永磁材料，不僅優(yōu)化了電機(jī)本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和制造工藝，，永磁同步電機(jī)的控制方法以及控制效果都有了較大的提升�，F(xiàn)如今，稀土永磁同步電機(jī)正在逐步取代傳統(tǒng)電機(jī)進(jìn)而成為交流伺服控制領(lǐng)域的一個(gè)重要方向[1][2]。

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1.2 本文主要工作

本文圍繞著永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的理論性研究、算法性仿真和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)開展相關(guān)的論文工作，主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)從電機(jī)的分類、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與應(yīng)用等方面對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行概述(2)根據(jù)電機(jī)相關(guān)理論，計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程，建立不同坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)建模到軟件仿真模型建立，從仿真結(jié)果中得到實(shí)驗(yàn)的依據(jù)；(3)具體來說包括對(duì)矢量控制數(shù)學(xué)方程的建立；(4)根據(jù)矢量控制的數(shù)學(xué)方程建立永磁同步電機(jī)仿真模型；(5)通過對(duì)仿真結(jié)果的分析和參數(shù)調(diào)整中得到永磁同步電機(jī)的控制特性；(6)在軟硬件兩方面對(duì)永磁同步電機(jī)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)；(7)為了實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)控制效果，設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)的監(jiān)控界面；(8)為了驗(yàn)證永磁同步電機(jī)控制器的最終效果，引入了三個(gè)具體案例來說明實(shí)際控制效果良好。

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第二章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的概述

同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和交流電機(jī)類似，與交流電機(jī)不同的是同步電機(jī)定子電流的頻率與其轉(zhuǎn)速之比為定值，即電機(jī)極對(duì)數(shù)除以 60。同步電機(jī)定子主要有定子包括繞組、轉(zhuǎn)子包括鐵心和電機(jī)殼等組成部分，與交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似；轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上主要有兩類，分別是直流勵(lì)磁轉(zhuǎn)子和永磁體轉(zhuǎn)子。永磁同步電機(jī)擁有與傳統(tǒng)的同步電機(jī)類似的定子結(jié)構(gòu)。三相永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。總體包括硅鋼片、三相對(duì)稱分布的繞組、鐵芯及機(jī)殼等幾個(gè)部分。

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2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通過向三相空間對(duì)稱分布的定子繞組通三相對(duì)稱電流來分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以及電磁轉(zhuǎn)矩等特性[18-23]。為了便于分析，假定：(1)磁路沒有飽和，電流變化不影響電機(jī)電感，不考慮渦流和磁滯損耗；(2) 不考慮齒槽、換相以及電樞反應(yīng)產(chǎn)生的影響；(3) 三相繞組對(duì)稱分布，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿氣隙呈正弦分布；(4) 理想的驅(qū)動(dòng)二極管和理想的續(xù)流二極管；(5)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁鏈在氣隙中正弦分布。

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第三章 永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)............... 19

3.1 永磁同步電機(jī)的控制策略及仿真............... .19

3.2 永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)................ 20

第四章 SVPWM的原理及實(shí)現(xiàn)方法............... 24

4.1 SVPWM的基本原理............... .24

4.2 逆變器電壓的輸出模式................ .26

第五章 驅(qū)動(dòng)控制算法 MATLAB 仿真............... . 37

5.1 MATLAB 仿真工具箱簡(jiǎn)介................ . 37

5.2 永磁同步電機(jī)仿真模型............... .38

第六章 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

6.1 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件框圖如下圖所示，該驅(qū)動(dòng)器兼容采用磁編碼器的永磁同步電機(jī)和霍爾傳感器的永磁同步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用開關(guān)電源或動(dòng)力電池供電，可以通過串口和 Modbus 協(xié)議對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，也可以通過 IO 口進(jìn)行控制，其中圖 6-1 通過 AS5145B 磁編碼器采集電機(jī)的絕對(duì)角度信號(hào)，實(shí)現(xiàn) FOC 磁場(chǎng)定向控制；圖 2 通過霍爾傳感器的位置信號(hào)經(jīng)過公式計(jì)算出的速度信號(hào)進(jìn)行角度估算實(shí)現(xiàn) FOC 磁場(chǎng)定向控制。

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6.2 反電勢(shì)和初始電角度測(cè)試

不同廠家生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)，反電勢(shì)與霍爾傳感器的項(xiàng)目差是不一樣的，需要測(cè)試對(duì)應(yīng)的初始電角度，才能實(shí)現(xiàn) FOC 磁場(chǎng)定向控制。如果電機(jī)沒有虛擬中點(diǎn)接出（一般的電機(jī)都不引出，只有三根相線），需要連接三個(gè)相同阻值電阻到電機(jī)的三相接線上，電阻另外一端連接到一起作為虛擬中點(diǎn)。對(duì)于三相對(duì)稱負(fù)載電路，虛擬中點(diǎn)的電位和三相線圈中點(diǎn)的電位等電位，可以由三相交流電路進(jìn)行證明，對(duì)于三相對(duì)稱電路，中性線電流為零。將 Hall 信號(hào)接入 5V電源，并且在三路 Hall 傳感器接口接入上拉電阻，接入示波器，轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，測(cè)試反向電動(dòng)勢(shì)信號(hào)以及 Hall 信號(hào)的波形圖。

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結(jié)論

本文主要從永磁同步電機(jī)研究歷史出發(fā)，對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳盡的分析，并且針對(duì)其特點(diǎn)搭建了詳細(xì)完整的數(shù)學(xué)模型。在控制方面，本文介紹了永磁同步電機(jī)的常見控制方式，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，之后，根據(jù)其特點(diǎn)選擇了空間矢量控制方式（SVPWM）。然后針對(duì)其控制方式，本文提供了其理論推導(dǎo)以及具體的實(shí)現(xiàn)方式，并通過 MATLAB Simulink 模塊進(jìn)行了整體的仿真驗(yàn)證。接著，本文設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)控制器的硬件部分和軟件部分。最后，通過在獨(dú)輪車、穿梭車等實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了控制器的實(shí)際效果。其工作主要包括：（1） 介紹了永磁同步電機(jī)的發(fā)展情況和研究背景。（2） 針對(duì)永磁同步電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高度理論化的搭建了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)系變換規(guī)律，將永磁同步電機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了量化處理。（3） 介紹了永磁同步電機(jī)的矢量控制的特點(diǎn)、方式以及理論基礎(chǔ)。并在基礎(chǔ)之上，對(duì)空間矢量控制方式進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)，通過引入扇區(qū)、基礎(chǔ)矢量、作用時(shí)間等概念將任一矢量轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)矢量的合成作用，通過加入逆變器，將矢量的切換轉(zhuǎn)化為橋臂開關(guān)的通斷。

參考文獻(xiàn)（略）