永磁同步电机矢量控制方法的研究毕业论文.doc

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1、南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目：永磁同步电机矢量控制方法的研究专 业： 自动化 （数控） 班 级： 数控102 学 号： 203100630学生姓名： 徐小晨 指导教师： 李 宁 教 授 起迄日期： 2013.2.282013.6.12 设计地点： 实验楼 Graduation Design (Thesis)ByXu Xiao chenSupervised byProf. Li NingDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2013摘要近年来，随着新型电机理论，电机拖

2、动技术以及电力电子技术的发展，永磁同步电机已经广泛的应用于人们的日常生活和工业生产中。永磁同步电机具有体积小，装配简单，运行状态稳定等优点。本文的主要内容是对永磁同步电机的矢量控制方法进行研究。本文分别给出了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型以及它们之间的转换公式。在分析数学模型的基础上，利用Matlab/Simulink建立了永磁同步电机控制系统的仿真模型。本文对永磁同步电机矢量控制方法进行了分析，并且在Matlab环境下，对永磁同步电机控制系统进行了仿真，仿真结果证明永磁同步电机矢量控制方法是高效可行的。得到的仿真结果为我们进一步的研究提供了依据。关键词：永磁同步电机；矢量控制； MAT

3、LAB ABSTRACTIn recent years, with the power electronics technology, the development of the theory of the new motor, permanent magnet synchronous motor has been widely used in industrial production. He himself has a small, simple assembly and other advantages. The main content of this paper is to vec

4、tor control for permanent magnet synchronous motor research.Gives a mathematical model of permanent magnet synchronous motor in different coordinate systems and a conversion formula between them On the basis of analysis of the mathematical model, Using Matlab / Simulink to establish a permanent magn

5、et synchronous motor simulation model .in this paper, permanent magnet synchronous motor vector control methods are analyzed, and the Matlab environment, permanent magnet synchronous motor model, the simulation results show that the permanent magnet synchronous motor vector control method is effecti

6、ve and feasible. The simulation results obtained for us to provide a basis for further research.Key Words: permanent magnet synchronous motor; vector control; MATLAB目 录第一章绪论11.1电力电子技术的发展11.2 永磁同步电机的特点及其发展概况11.1.1永磁同步电机的特点11.1.2永磁同步电机的发展概况21.3 永磁同步电机的基本控制策略31.2.1变压变频控制31.2.2矢量控制31.2.3直接转矩控制31.4 永磁同步电

7、机矢量控制技术的发展和研究意义41.5 论文内容及结构安排4第二章 永磁同步电机矢量控制原理与电机模型52.1 永磁同步电机的工作原理52.1.1 永磁同步电机结构52.1.2 永磁同步电机工作原理52.2 永磁同步电机矢量控制原理62.3 永磁同步电机数学模型62.4 永磁同步电机在matlab环境下的仿真模型92.5 本章小结11第三章 PI控制器的设计123.1 PID控制原理和特点123.2 PID控制的意义133.3 PID参数的整定方法13第四章 永磁同步电机控制系统的仿真模型154.1 系统仿真工具matlab/Simulink154.2 永磁同步电机矢量控制系统建模154.3

8、永磁同步电机矢量控制系统仿真模型子模块介绍164.3.1 永磁同步电机模型PMSM模块164.3.2 park变换模块174.3 本章小结18第五章 永磁同步电机矢量控制系统的性能分析195.1 矢量控制方法下仿真结果及性能分析195.2 本章总结28第六章 结论296.1 论文总结29致 谢30参考文献：31附录A S函数编写PID控制器程序清单32第一章 绪论1.1电力电子技术的发展从20世纪50年代中到70年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和晶闸管应用为基础（尤其是晶闸管）的电力电子技术发展比较成熟。70年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微机的发展对

9、电力电子装置的控制系统、故障检测、信息处理等起了重大作用,今后还将继续发展;其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中，开发出更多的新一代电力电子器件。其中除普通晶闸管向更大容量（6500伏、3500安）发展外，门极可关断晶闸管(GTO)电压已达4500伏，电流已达 25003000安；双极型晶体管也向着更大容量发展，80年代中后期其工业产品最高电压达1400伏，最大电流达400安,工作频率比晶闸管高得多,采用达林顿结构时电流增益可达75200。 随着光纤技术的发展，美国和日本于19811982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提

10、高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power MOSFET)和功率静电感应晶体管(SIT)已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）也正在兴起,容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时

11、，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。1.2 永磁同步电机的特点及其发展概况1.1.1永磁同步电机的特点电机是指依据电磁感应定律，实现电能的转换与传递的一种电磁装置。永磁同步电机，用永磁体代替了绕线式同步电动机转子中的励磁绕组。因此电机结构更为简单，制造成本更低，而电机的运行效率和可靠性得到了提高。当代社会更加注重成本的节约和效率的提高，加之随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机必将更为广泛的应用于工业生产和人们的日常生活中。1.1.2永磁同步电机的发展概况永磁电机的发展和永磁材料的发展是密不可分的。近几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永

12、磁的相继问世，永磁材料的性能不断的提高，许多电励磁电机纷纷改为永磁体励磁电机。美国，日本，德国等国家研究永磁同步电机都比较早。早在20世纪50年代，美国GE公司就研制了一批数百瓦的微型永磁同步电动机。1973年国际范围能源危机的出现，更加刺激了高性能电机的发展。一时间，各类高功率因数的永磁同步电机被开发出来。相对于上述国家，我国对永磁同步电机的研究起步相对较晚，但是发展却十分迅速。在1986年，上海电器科学研究所开发出了一种化纤用外转子永磁同步电动机，这是一种用于涤纶、维纶长丝高速纺机，作变速卷绕头传动装置的专用电机，调速范围15009000rmin或150012720rmin，调速平稳，可靠

13、性高。转矩有1.05Nm、2.35Nm、3.60Nm等13个规格，可替代进口电机伴随稀土永磁材料的出现和发展，永磁电机的发展大致分为四个阶段： （1）20世纪六七十年代，由于高性能永磁材料的稀缺，永磁同步电机的研究领域着重放在航空航天等高技术领域。（2）上世纪80年代，出现了价格相对较低的钕铁硼永磁材料，因此，永磁电机的研究被应用到了工业与民用领域。之后电力电子技术与运动控制理论不断的发展与完善，永磁电机各方面的性能都要优于传统电励磁电机，于是许多传统的电励磁电机都被稀土永磁电机代替。（3）上世纪90年代，永磁材料性能更加的完善，并且稀有永磁材料的价格也变得更低，稀土永磁电机的研究进入了一个新

14、阶段。在永磁电机的设计理论、控制技术、结构工艺和计算方法等方面的研究工作形成了一套完整的体系。 （4）到了现代，永磁材料的性能得到了更进一步的提升和完善，特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性得到了极大的改善，电力电子技术与新型电机理论也更加的完善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，除了大力推广和应用已有研究成果外，稀土永磁电机的应用和开发也进入了一个新阶段，目前正再向大功率化、高功能化和微型化方向发展。我国是资源大国，高效的利用国土稀有资源，作为永磁材料的使用，进而更好的研究永磁电机是非常有意思的。1.3 永磁同步电机的基本控制策略在对永磁同步电机进行了充分研究的情况下，目前交流电机基

15、本控制策略大致分为三种，分别是变压变频控制、矢量控制、直接转矩控制。1.2.1变压变频控制变压变频控制，也称VVVF控制，指的是通过改变电机外部的电压和频率，使得电机能够在给定的转速下运行。具体操作是将速度给定信号输入到控制器中，给定的速度信号经过SVPWM模块变为六路开关信号施加到逆变器上，然后逆变器会产生一个交变的正弦电压，该电压会被施加到电机的三相定子绕组上。因此电机便能够在给定的转速下运行。根据变压变频控制的工作原理可以看出，它不需要从电机端部引入任何反馈信号。因此它具有控制系统简单，成本较低的优点。1.2.2矢量控制最早的矢量控制是在上世纪70年代，西门子工程师FBlaschke提出

16、的。矢量控制是指利用坐标变换原理，将永磁同步电机三相静止坐标系上的物理量，分解到两相旋转坐标系，从而能够简单方便的对电机的各个物理量进行分解或合成。从而达到控制的目的。我们把这种控制方法叫做矢量控制，也称为磁场定向控制。矢量控制算法的特点是：对永磁同步电机的励磁电流和转矩电流的分别进行控制，采用信号采集的原理检测定子电流，并且将定子电流矢量分解成用于生产磁场的励磁电流和用于产生转矩的转矩电流两部分，从而对这两个电流之间的相位和幅值进行控制，最终达到控制定子电流的目的。1.2.3直接转矩控制直接转矩控制，顾名思义是指以转矩为中心来进行综合控制。直接转矩控制的中心思想是控制定子磁链。在静止坐标系下

17、，可以得到的定子的电流和电压，从而可以计算并控制电机的转矩和磁链，以此来获得转矩的高动态性能。直接转矩控制与矢量控制是有很大区别的，矢量控制是通过电流和磁链等物理量间接的控制转矩，并且需要进行复杂的坐标旋转变换。而直接转矩控制是在两相静止坐标系上对转矩和磁链进行控制，转矩的响应速度快。由上述三种永磁同步电机的控制策略可知，永磁同步电机的多种控制策略有各自的优缺点。在对永磁同步电机进行控制时，要选择合适的控制策略，从而达到真正高效而准确的控制 1.4 永磁同步电机矢量控制技术的发展现状和研究意义1968年，达姆施塔特工业大学的K. Hasse提出了间接矢量控制的概念，随后在1970年初期，西门子

18、公司的F.Blaschke提出了直接矢量控制。布伦瑞克工业大学的维尔纳莱昂哈德（Leonhard further）进一步开发磁场导向控制的控术，因此交流马达驱动器开始有机会取代直流马达驱动器。当时微处理器尚未商品化，但已经出现泛用的交流马达驱动器。当时较于直流马达启动器，交流马达驱动器的成本高，架构复杂，而且不易维护。而当时的矢量控制需要许多传感器及放大器等原件，因此无法将矢量控制应用在交流马达驱动器中。随着电力电子技术的发展，矢量控制理论也越来越被重视。近年来，半导体技术与数字控制技术飞快的发展，矢量控制的应用已经从曾经的高科技领域拓展到更为通用的场合。随着功率器件的不断优化，处理速度不断提

19、升，极大的提高了伺服驱动的性能。到目前为止，伺服驱动中应用最多的同步电机和异步电机，额定功率从50W到200KW，位置环和速度环的典型带宽分别为60Hz和200Hz。现在，交流驱动器的一个开发重点是如何将驱动器与电机有效的结合在一起，开发出更加可靠的驱动模块。基于这一思路，研究人员开始对矢量控制技术进行深入的研究。矢量控制技术已经成为了近几年控制研究的热点。实现该控制所需的鲁棒性等各种方案被不断的提出，该技术已经在高性能交流驱动中占有越来越重要的地位。从矢量控制技术被提出至今，已经得到了极大的发展。目前已有的研究成果有。磁通快速控制技术，即在直接磁场定向矢量控制异步电动机变频调速系统中，利用磁

20、链预测值进行磁通快速控制的技术。非线性自抗饶控制器，能够在异步电动机系统的动态方程中，用自抗饶控制器取代经典PID控制器进行控制。参数识别和调节器自整定技术，是一种基于模型参考自适应算法的一惯性系统及二惯性系统转动惯量参数的识别技术。矩阵式变换器，是一种适用于矩阵式变换器驱动异步电动机调速系统的组合控制策略，同时实现了矩阵式变换器的空间矢量调制和异步电动机的直接磁场定向控制。在不久的将来，采用嵌入式实时软件操作系统，高速电动机控制专用DSP，通过开发性能更加优良的转子磁场定向方法和磁通观测器，来使得变频器获得高性能的启动转矩和过载能力，会成为矢量控制技术未来的发展趋势。无速度传感器的交流异步电

21、动机驱动系统和永磁电动机驱动系统也是将会成为开发热点之一。永磁电动机驱动系统由于它的高效，高功率，高可靠性而得到越来越多的关注，无刷电动机的无位置传感器控制和正弦波电流控制，在应用方面已经趋于成熟。开关磁阻电动机在许多领域应用也取得了很多进展。由此可见，在愈加注重运行效率和系统稳定性的今天，矢量控制已经成为了发展的热点，并且有着良好的发展势头。对永磁同步电机矢量控制方法进行研究是有意义的。1.5 论文内容及结构安排本文以永磁同步电机控制策略的研发工程项目为应用背景，着重讲述了对永磁同步电机矢量控制方法的研究。全文共分为六章，现介绍各章的主要内容。第一章介绍了永磁同步电机的概况及其基本控制策略。

22、第二章具体介绍了矢量控制原理，给出了永磁同步电机的数学模型和matlab环境下的仿真模型 第三章介绍了PID控制器以及PID参数的调节方法。第四章介绍了在matlab环境下永磁同步电机矢量控制系统的建模。第五章通过调节参数观察永磁同步电机矢量控制系统的仿真波形，并借此分析矢量控制方法下系统的性能。第六章对全文的研究工作做了总结，并简述了感想。第二章 永磁同步电机矢量控制原理与电机模型2.1 永磁同步电机的工作原理2.1.1 永磁同步电机结构（1）永磁同步电机的结构和其他的一般电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。 （2）在同步发电机的定子铁心的内圆里均匀分布着定子槽，在定子槽内嵌放

23、着按一定规律排列的三相对称交流绕组。同步电机的定子又称为电枢，同样的，定子铁心和定子绕组也被称为电枢铁心和电枢绕组。 （3）在同步电机的转子铁心上装有成对的磁极，在磁极上还装有励磁绕组。启动同步电机，通入直流电流，电机的气隙中将会形成极性相间的磁场，这种磁场称为励磁磁场，即主磁场。 （4）在电枢内圆和转子磁极之间，会形成气隙。气隙层的状态与电机内部磁场的分布以及电机的性能有很大关系。 （5）同步电机可以分为转场式同步电机和转枢式同步电机，后者的磁极安装在定子上，而交流绕组却安装在转子表面的槽内。转枢式同步电机的定子相当于电枢。2.1.2 永磁同步电机工作原理将直流励磁电流加在永磁同步电机的励磁

24、绕组上，便能建立极性相间的励磁磁场，励磁磁场也称为主磁场。 三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体，称为载流导体。 原动机拖动转子旋转便能给电机输入机械能，极性相间的励磁磁场（即主磁场）随轴一起旋转，便可以使绕组的导体顺次切割励磁磁场。 由于电枢绕组与励磁磁场之间产生了相对的切割运动，根据电磁感应定律，电枢绕组中便会产生大小和方向按周期性变化的电动势。该电动势相当于交流电源。根据公式f=np/60可知，同步电机的转速n 和极对数p决定了同步电机的功率。 旋转磁场极性相间，因此能产生极性交变的感应电动势，再由于电枢绕组的对称性，使得感应电动势也能保证三相对称性。2.2 永

25、磁同步电机矢量控制原理交流电动机的矢量控制理论是由德国科学家Blaschke和Hasse在1971年提出来的。恰当的运用矢量控制，可以使交流调速像直流调速一样方便简单，并且能够拥有优良的控制性能。矢量控制的基本思想是对三相交流电动机上的电流矢量进行控制，使之能够实现像直流电动机一样的转矩控制。矢量控制的基本原理是通过磁场坐标，将电流矢量分解成两个量。一个是产生磁通的励磁电流分量，另一个是产生转矩的转矩电流分量。这两个电流分量是互相垂直，并且彼此独立的。通过对电流矢量的分解，便能对励磁电流分量和转矩电流分量分别进行调节。通过这种方法，便能将交流电动机的转矩控制变得和直流电动机的转矩控制相类似。从

26、矢量控制的原理可以看出，矢量控制的关键是对电流矢量的幅值和空间位置（即频率和相位）进行控制。虽然矢量控制的目的是能够提高转矩控制的性能，但最终还是要落实到对定子电流的控制上。由于在定子侧的各个物理量，如电压、电流、电动势、磁链等，这些物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，计算起来相当的复杂。为了解决这一问题，需要借助坐标变换，使得各个物理量从两相静止坐标系（，坐标系）转换到两相旋转坐标系（d，q坐标系）。如果站在同步旋转坐标系的角度来观察定子侧的各个物理量，这些原本的空间矢量就变成了静止矢量，电流和电压都变成了直流量，通过转矩和被控矢量的各个分量之间的数学关系，实时的计算出转矩控制

27、时各个被控矢量的分量值，然后按照这些分量值进行实时控制，就可使得交流调速拥有像直流调速一样的性能。电动机调速的最终目的是能够控制其转矩，而矢量控制的目的是为了能够改善转矩的控制性能，因此必须对定子电流进行控制。倘若不改变系统的参数，为了达到要求的转矩，会有不同的d，q坐标系上电流分量的组合，因此也会有不同的控制策略。如果使d坐标轴上的电流为0，即采用的控制方法。这样定子电流中便只有一个分量。这能使得定子的磁场与永磁体的磁场正交。永磁同步电机便相当于直流电动机而我们只需要控制q轴的电流就可以控制同步电机的转矩和转速。这种调速方式简单方便，并且能很好的提高同步电机的性能。因此，本文将采用的控制方法

28、对永磁同步电机进行控制。2.3 永磁同步电机数学模型由于本文建立的永磁同步电动机的数学模型是在理想状况下的模型，与实际情况略有偏差，因此需要假设以下几点：（1）铁芯损耗不作考虑；（2）电机磁路是线性的，不考虑磁路饱和，磁滞和涡流等因素的影响； （3）电动机的三相绕组是完全对称的，他们在空间中互差120，不考虑边缘效应； （4）不计齿槽效应与高次谐波，并且假设定子电流产生的磁动势是正弦分布的； 通过假设，我们可以得到理想的永磁同步电机模型，现讨论不同坐标系下永磁同步电机的数学模型。定子三相坐标系（a-b-c坐标系）中永磁同步电机模型 三相永磁同步电机在定子三相坐标系（a-b-c坐标系）下的电压方

29、程和磁链方程可以写成如下形式 其中为定子电压，为定子电阻，为定子电流，为定子磁链，为定子电感，为转子磁链。三相永磁同步电机在定子三相坐标系（a-b-c坐标系）下的电压方程的矩阵形式如下： 其中、为定子三相电压，、为定子a、b、c各相的磁链，、为定子a、b、c各相电流，p为微分算子。 三相永磁同步电机在定子三相坐标系（a-b-c坐标系）下的磁链方程的矩阵形式如下： 其中、分别为三相自感系数， 和为a、b相的互感系数，和为a、c相之间的互感系数，和为b、c相之间的互感系数，为转子磁链，为转子位置较角。从上述式子中可以看出，在三相静止坐标下，永磁同步电机各个物理量都与转子的位置角有关。并且是一组复杂

30、的变系数的微分方程组。分析和求解此类方程是非常不便的。因此我们可以想办法将通过公式将变系数的方程组转换成常系数的方程组。Clark变换，指的是在磁场等效的原则下，用两相匝数相同、结构相同、并且相互正交的绕组去代替原本的定子a、b、c三相对称绕组。为了能够使计算更为简便，我们规定三相绕组的磁动势与变换后的两相绕组的磁动势转向相同，并且轴与a轴重合。-坐标系下永磁同步电机的状态方程。 电压方程的矩阵形式如下： 、为-坐标系中定子的电压，、为坐标系中定子的电流，为转子转速,为转子磁链。转矩方程： 、为-坐标系中的定子磁链， T为电磁转矩，为磁极数。同样的，park变换指的是将两相静止坐标系（-坐标系

31、）下的状态方程转换到两相旋转坐标系（d-q坐标系）下。d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型 、 式中、为定子磁链的d、q 轴分量; 、为定子电压的d、q 轴分量; 、为定子电流的d、q轴分量;、为定子绕组的d、q 轴等效电感;为永磁体磁链; 为定子绕组电阻;为极对数; T为输出电磁转矩; p为微分算子。电压方程的矩阵形式： 、为d-q坐标系中的定子电压，、为d-q坐标系中的定子电流，、为d-q坐标系中的定子磁链。磁链方程的矩阵形式： 、为d-q坐标系中的定子电感，为转子磁链。以上为永磁同步电机在两相旋转坐标系（d-q坐标系）下的数学模型。在两相旋转坐标系下，三相永磁同步电机可以等效的看做是直流

32、电机，对我们研究电机的控制策略而言相对简单方便。2.4 永磁同步电机在matlab环境下的仿真模型（1）JXPMSM750型号电机参数（2）永磁同步电机MATLAB仿真模型本次课程设计运用到了MATLAB软件对电机系统进行模拟和仿真，MATLAB中的的simulink模块中具备很多电机仿真所要用到的器件，是一种非常常用的电机仿真软件，使用起来也非常的方便快捷。根据永磁同步电机的数学模型可以建立起如下图所示的永磁同步电机仿真模型（MATLAB仿真图）：具体建立步骤在第四章有详细介绍。2.5 本章小结本章着重介绍了同步电动机矢量控制原理，给出了在不同坐标轴下同步电机的数学模型。最后还给出了MATL

33、AB环境下同步电机的仿真模型。（1) 介绍了永磁同步电机的工作原理(2) 详细介绍了同步电机的矢量控制原理(3) 给出了同步电机在不同坐标系下的数学模型。(4) 在MATLAB环境中，根据电机参数和电机方程，对电机本体进行建模。第三章 PI控制器的设计3.1 PID控制原理和特点PID控制是在工程实际中应用最为广泛的一种控制技术，他具体是指比例，积分，微分控制。到目前为止，PID控制器已经有了近七十年的研究历史，它的结构简单、具有良好的稳定性、并且便于调节。因此，PID控制是目前工业控制的一大重要技术。在工程研究的过程中，当我们无法完全掌握被控对象的结构和参数，并且得不到精确的数学模型时，很难

34、采用其他控制技术。当我们必须依靠经验和反复的调试来掌握控制器的结构和参数时，PID控制技术是最好的选择。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器的实质就是根据系统反馈的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量从而进行控制。比例控制（P）比例控制是最基本，也是最简单的控制方式。他指的是控制器的输出与输入的误差信号成比例关系。如果系统中仅存在比例控制，系统输出将存在稳态误差。积分控制（I）积分控制是指控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。一个普通的自动控制系统，在进入稳态后会存在一个稳态误差，我们称这个自控系统为简差系统。为了消除稳态误差，则必须要在控制器中引入“积分项”。误差对时间

35、的积分决定了积分项的大小，积分项的大小会随着时间的增加而增大。尽管误差有时是一个很小的量，但是积分项也会随着时间的增加而加大。这样它便能使控制器的输出增大，从而进一步的减小稳态误差，直到稳态误差接近零值。因此，比例积分控制器（即PI控制器），可以使系统在进入稳态后几乎没有稳态误差。微分控制（D）微分控制指的是控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系，它也反应了误差的变化率。由于滞后组件或者大惯性组件的存在，自动控制系统在调节过程中可能会出现震荡或者不稳定的现象。我们可以通过微分控制来解决。微分控制能够抑制误差的变化作用。许多时候，在控制器中仅引入 “比例项”和“积分项”是不够的，我们需要增加

36、“微分项”，它能预测误差的变化趋势。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分控制器（即PD控制器）能改善系统在调节过程中的动态特性。现对PID控制器中三个环节的作用做一个总结：（1）比例环节的作用：比例环节能够迅速的反映偏差，减小误差，但消除不了静差，如果“比例项”过大会导致系统的不稳定。（2）积分环节的作用：积分环节能够减小偏差，直到最终将偏差完全消除，如果“积分相”过大会影起系统的超调，甚至使系统出现振荡。（3）微分环节的作用：微分环节能够减小系统的震荡，提高系统的快速性，如果“

37、微分相”过大会引起系统的不稳定 3.2 PID控制的意义目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID控制

38、及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。可编程控制器（PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。还有可以实现 PID控

39、制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。3.3 PID参数的整定方法为了得到符合要求的仿真结果，我们要对PID控制器中的比例，积分，微分项进行调节，这便是PID参数的整定。PID参数的整定也是整个电机模型控制理论的核心。PID参数整定的方法大致分为两类。第一种是理论计算整定法，第二种是经验法。理论计算的方法是指依据系统的数学模型，通过一系列的计算得到PID中各个参数的数据。由于实际情况与理论上的数学关系存在偏差，因此这种方法所得到的数据并不能直接用，还要根据实际情况进行一系列的修改。经验法，顾名思义是根据工程

40、实践中的经验，在电机控制中对PID参数进行调试。这种方法根据电机控制系统输出量的状态进行调试，非常的实用，并且方便快捷。第四章 永磁同步电机控制系统的仿真模型4.1 系统仿真工具matlab/Simulink 矩阵实验室（Matrix Laboratory）是MATLAB的简称，它是美国MathWorks公司研发的一款数学软件，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。经过几代的发展，MATLAB在控制领域得到了广泛的应用。Simulink是本次毕业设计进行仿真时用到的工具软件。 Simulink是MATLAB的一个应用工具箱，它能完成对一个动态控制系统的建模和仿真。Simulink的功

41、能非常强大，它不但能够支持对连续、离散及混合系统的仿真，还支持其他类型的系统仿真。在Simulink环境下建立的仿真模型非常的简便，直观。用户还可以根据自己的需求，自己建立模型器件。 在完成Simulink环境下仿真模型的建立之后，可以通过Simulink的菜单实现多种用户所需求的功能。因此，用户可以十分方便的得到仿真结果，仿真波形也很直观和清晰，这对用户分析仿真结果提供了极大的便利。下面便介绍在simulink环境下建立的永磁同步电机矢量控制系统模型。4.2 永磁同步电机矢量控制系统建模根据永磁同步电机矢量控制原理，同步电机数学模型以及电机公式，可建立永磁同步电机矢量控制系统仿真模型如下图。

42、4.3 永磁同步电机矢量控制系统仿真模型子模块介绍4.3.1 永磁同步电机模型PMSM模块PMSM电机模型如下输入电压，根据电压方程可以得到电流根据转矩公式可以得到输出转矩T根据机械运动方程可以得到角速度4.3.2 park变换模块park变换公式为 经过变换可得 4.3 本章小结本章主要介绍了在matlab环境下永磁同步电机矢量控制系统模型的建立（1）介绍了仿真工具matlab（2）建立了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型（3）介绍了系统模型下的各个子模块第五章 永磁同步电机矢量控制系统的性能分析5.1 矢量控制方法下仿真结果及性能分析现在PI控制方法下对电机系统进行仿真，经过对系统的分析和

43、调试，当电流调节器中PI参数Kp=5，Ki=10。的时候，系统能够有较好的性能。在t=0的时候启动电机，并且在0.2s时加入负载，负载大小为0.5。id，iq的波形如下图所示。图5-1 PI控制方法下电流id波形图5-2 PI控制方法下电流iq波形由上图可以看出，采取id=0来实现最大转矩输出，电机启动时iq有一个很大的电流，并且迅速减小，在0.2秒时加入负载，iq能够迅速回升，并且一直保持一个稳定的状态。转矩和转速的输出波形如下：图5-3 PI控制方法下输出转矩波形图5-4 PI控制方法下输出转速波形在仿真过程中，当没有加入负载时，系统的转矩为0,在 0.2秒时加入负载，转矩明显上升，然后保

44、持稳定，超调较小。由此可以证明该控制系统有着良好的控制性能。输出电流的波形图5-5 PI控制方法下电流i波形图5-6 PI控制方法下电流i波形可以看出加入负载后系统能迅速的回到稳定状态。快速性和抗干扰性都比较良好。我们改变一下参数，继续使用PI控制法观察波形的变换情况。取kp=5，ki=50，得到波形如下图5-7 PI控制方法下输出转矩波形图5-8 PI控制方法下输出转速波形图5-9 PI控制方法下电流i波形图5-10 PI控制方法下电流i波形由上图可知，当我们增大系统的积分系数ki，系统最后依旧会回到一个相对稳定的状态，但是与之前相比，会有明显的超调下面我们用自制的st函数来代替传统PID效果以验证：转矩和转速的输出波形如下：图5-11 st函数下输出转矩波形图5-12 st函数下输出转速波形输出电流的波形如下：图5-13 st函数下电流i波形图5-14 st函数下电流i波形由上图可知，不论使用PID模型，或者用st函数，得到的仿真模型都具有良好的稳定性和快速性。并且在加入负载时能迅速恢复，有良好的抗干扰性。5.2 本章总结本章主要是对设计过程中的各个环节进行仿真和分析。（1）矢量控制方法下的同步电机控制系统的仿真和分析。（2）通过仿真结果的观察和分析，提出问题和对控制方法的一些看法。第六章 结论6.1 论文总结永磁同步电机凭借其结构简单，性能优良等特点，代替了传统电