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)得到了簡單化，同時也提高了電機(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，主要研究內(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)用等方面對研究對象進(jìn)行概述(2)根據(jù)電機(jī)相關(guān)理論，計算運(yùn)動方程，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)在軟硬件兩方面對永磁同步電機(jī)的控制器進(jìn)行設(shè)計；(7)為了實(shí)時觀測數(shù)據(jù)和檢測控制效果，設(shè)計了永磁同步電機(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、三相對稱分布的繞組、鐵芯及機(jī)殼等幾個部分。

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2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

通過向三相空間對稱分布的定子繞組通三相對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) 三相繞組對稱分布，永磁體產(chǎn)生的磁場沿氣隙呈正弦分布；(4) 理想的驅(qū)動二極管和理想的續(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)動控制算法 MATLAB 仿真............... . 37

5.1 MATLAB 仿真工具箱簡介................ . 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

6.1 硬件設(shè)計

本文設(shè)計的永磁同步電機(jī)驅(qū)動器硬件框圖如下圖所示，該驅(qū)動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)動器采用開關(guān)電源或動力電池供電，可以通過串口和 Modbus 協(xié)議對驅(qū)動器進(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)的絕對角度信號，實(shí)現(xiàn) FOC 磁場定向控制；圖 2 通過霍爾傳感器的位置信號經(jīng)過公式計算出的速度信號進(jìn)行角度估算實(shí)現(xiàn) FOC 磁場定向控制。

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6.2 反電勢和初始電角度測試

不同廠家生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)，反電勢與霍爾傳感器的項(xiàng)目差是不一樣的，需要測試對應(yīng)的初始電角度，才能實(shí)現(xiàn) FOC 磁場定向控制。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)。對于三相對稱負(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，對于三相對稱電路，中性線電流為零。將 Hall 信號接入 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)動電機(jī)，測試反向電動勢信號以及 Hall 信號的波形圖。

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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）