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模型毕业设计

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1、本科毕业设计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模型毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进

2、入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件

3、）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要永磁步电动机以其体积小、效率高、功率密度大等优点而成为最具竞争力电机，目前已得到了广泛的应用。

4、为了实现优良的PMSM控制系统，不少学者将先进的控制理论应用于交流伺服系统，并取得了很好的控制效果。功率因数和效率一样，都是永磁同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。高功率因数是永磁同步电动机的一个突出优点，它有利于降低定子电流和绕组铜耗，提高效率，能使永磁同步电动机拥有比异步电动机高很多的力能指标。本文将对永磁同步电动机的功率因数进行的详细分析，并且提出了功率因数控制策略。首先，在dq坐标系中建立永磁同步电动机的数学模型，在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真分析永磁同步电动机的电源和励磁状况对其功率因数影响

5、。其次，在MATLAB/SIMULINK中建立了转矩电流最大比控制的仿真模型，通过控制定子电流矢量的角度（）来控制转矩，并且分析了不同情况下永磁同步电动机的功率因数。最后，建立永磁同步电动机功率因数的仿真模型，在转速控制的基础上，通过控制定子电流来实现功率因数的控制。关键词：永磁同步电动机，功率因数，转矩电流最大比，控制理论Permanent magnet synchronous motor power factor of the simulation-the maximum ratio of torque current control modelAbstractPermanent magn

6、et synchronous motor with its small size，high efficiency，power density，etc. and become the most competitive motor，has been widely used。 In order to achieve good control system of PMSM，many scholars of advanced control theory is applied to servo system，and achieved a good result。Power factor and effi

7、ciency，are both permanent magnet motor with the characteristics of the most practical indicators。Both asynchronous permanent magnet starter motor, or speed permanent magnet motor, the design will strive to improve the power factor。High power factor is a prominent permanent magnet synchronous motor a

8、dvantages, it helps reduce the stator current and the winding copper loss, improve efficiency, make the permanent magnet synchronous motor asynchronous motor has a much higher than the power index。This paper will make a detail analysis of the power factor of the permanent magnet synchronous motor an

9、d power factor control strategy is proposed。First, in the dq coordinate system to establish the mathematical model of permanent magnet synchronous motor, in the MATLAB / SIMULINK to create simulation model of permanent magnet synchronous motor for its power and power factor of excitation conditions。

10、Secondly, in the MATLAB / SIMULINK to establish a maximum ratio of torque current control simulation model, by controlling the stator current vector angle (a) to control the torque, and analyzed under different conditions of permanent magnet synchronous motor power factor。Finally, a permanent magnet

11、 synchronous motor power factor of the simulation model, based on the speed control by controlling the stator currents to achieve power factor control。朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor, Power Factor, Maximum Torque Current Ra

12、tio, Control Theory目录摘 要.IIIAbstractIV1 绪论11.1引言.11.2永磁同步电动机的发展历程11.2.1永磁同步电动机11.2.2永磁同步电动机的发展概况与趋势11.3电动机的分析方法. .2 1.3.1电机的分析步骤.2 1.3.2运动方程的导出.31.4永磁同步电动机功率因数的研究31.5课题研究的主要内容42 永磁同步电动机的功率因数.52.1永磁同步电动机功率因数的基本概念52.2同步电动机的功率特性52.3影响功率因数的因素.6 2.3.1影响永磁同步电机功率因数的原因.6 2.3.2提高永磁电机功率因数的方法.62.4永磁同步电动机的功率因数分

13、析.6 2.4.1电源与功率因数的仿真分析.6 2.4.2频率与功率因数的仿真分析.73 永磁同步电动机的数学模型及控制理论.93.1永磁同步电动机的数学模型93.2永磁同步电动机的控制策略113.3永磁同步电动机控制策略的发展趋势124 转矩电流最大比控制系统的功率因数仿真分析144.1转矩电流最大比控制理论144.2转矩电流最大比控制原理144.3转矩电流最大比仿真与功率因数分析15 4.3.1.电流滞环控制方法的仿真与功率因数分析.15 4.3.2额定工作状态下的仿真实现与功率因数分析.16 4.3.3变负载时的仿真实现与功率因数分析18 4.3.4 3000转时的仿真实现与功率因数分析

14、.19 4.3.5低转速下的仿真实现与功率因数分析215 功率因数的仿真分析.245.1功率因数的控制原理.245.2功率因数的仿真分析245.2.1 给定功率因数角为0的仿真分析245.2.2 其他功率因数下的仿真分析.26结论29参考文献30致谢3129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模型1 绪论1.1 引言 电机是一种能量转换或信号转换的电磁机械装置。就能量转换的功能来看，电机可以分为发电机和电动机两大类。其中电动机作为动力设备，已广泛应用于机械行业的工作母机，根据应用场合的要求和电源的不同，电动机有直流电动机、交流同步电动机、交流感应电动机，以及满足不同需求的特种电

15、机。20世纪70年代以后，由于大功率电力电子器件、变频技术以及计算机技术取得的一系列进展，还研制出了调速性能优良、效率较高、能满足不同要求的交流电动机调速系统，以及有变频器供电的一体化电机。就信号转换功能的控制电机而言，大体上有测速电机2、伺服电机、旋转变压器和自整角机等几种，这些电机主要用于自动控制系统中作为检测、执行、随动和解算元件，例如机床加工的自动控制，舰船方向舵的自动控制，大炮和雷达的自动定位，飞机的飞行控制，计算机、自动记录仪表运行的控制等。这类电机通常称为微型电机，对精度和快速响应的要求较高1。1.2永磁同步电动机的发展历程1.2.1永磁同步电动机 在交、直流电机中，用永磁体来取

16、代直流励磁以产生气隙磁场的电机，称为永磁电机。永磁电机具有体积小、效率高、运行可靠等优点，在许多情况下可以实现无刷化，因此在家用电器、医疗器械、汽车、航空和国防等各个领域内获得广泛的应用。 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。永磁电机的种类繁多，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

17、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)。1.2.2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7。(1)PMSM程中会出现“退磁”现象，而且在低速时，也存在齿槽转矩对

18、其转矩波动的影响。 (2) 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：PMSM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

19、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19。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。1.3电动机的分析方法1.3.1电机的分析步骤电机的分析步骤，大体上可以归纳为以下四步：（1）电机内部物理情况分析 首先是弄清电机的基本结构和主要部件的功能，再根据电机的磁路和电路，分析空载和负载是电机内部的磁场，初步弄清这

20、种电机的工作原理。（2）导出电机的运动方程 运动方程是磁动势方程（磁链方程）、电压方程和转矩方程的总称。（3）求解运动方程。（4）结果分析 通过对解答的分析，确定所需的运行性能（特性）和主要运行数据，如过载能力、稳定性、效率、电压变化率、速度变化率等。1.3.2运动方程的导出方法运动方程的导出方法主要有三种： （1）主磁通-磁通法：此法是把电机内的磁通按其作用和分布，分为主磁通和漏磁通，然后用电磁感应定律和基尔霍夫定律列出各个绕组的电压方程。（2）动态电路法：此法是把电机作为一组动态电路对待，把定子、转子之间的电磁关系用一组时变的自感和互感系数来表达，即L=L(q)，M=M(q)，q为转子的转

21、角。（3）变分法：设电机系统的总能量为T，总势能为V，系统的拉格朗日状态函数L=T-V，I为L的积分I=变分法是通过求I的极值所得到的方程。此法的优点是可以自动导出运动方程中的机电耦合项。1.4永磁同步电动机功率因数的研究图l 永磁同步电动机和异步电动机功率因数图1是永磁同步电动机和异步电动机随负载变化时的功率因数曲线。可以看到，永磁同步电动机的功率因数较异步电动机高5。尤其在轻载和空载情况下，要比异步电机高许多。这是因为永磁电动机的转子中设置有磁钢，可以不从电网或减少从电网吸收无功电流来建立磁场，因而功率因数较高。异步电动机却必须靠电网提供的无功功率建立磁场，而且当异步电动机负载下降时，只减

22、少 电流中的有功分量，无功分量却几乎不变，因此功率因数低并随着负载快速下降。可见，高功率因数是永磁同步电动机的一个突出的优点。它有利于降低定子电流和绕组铜耗，提高效率，使永磁同步电动机拥有比异步电动机高得多的力能指标。但也必须通过合理设计的永磁电动机，才能获得较高的功率因数。1.5课题研究的主要内容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

23、。3.转矩电流最大比控制系统3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4，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。 2 永磁同步电动机的功率因数2.1永磁同步电动机功率因数的基本概念功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单

24、位的功率因数有一定的标准要求。2.2同步电动机的功率特性 同步电动机运行时，从电源吸收的电功率P1，除一小部分消耗在电枢绕组外，其余部分都通过气隙传递到转子。通过电磁作用传递到转子的功率，就是同步电动机的电磁功率Pem，再经过电磁转换转变成输出功率P2。同步电动机的功率方程为P1=Pcu + PemPem=Pfe+P+P2 （2-1）式中 Pcu-定子铜耗Pfe -铁耗P-机械损耗忽略电枢电阻时，同步电动机的电磁功率为 PemP1=3U1I1cosj （2-2）式中 j电枢的功率因数角由此可知功角特性为： Pem=+ （2-3）式（2-3）就是功角特性的表达式。式中第一项Pe1=称为基本电磁功

25、率；第二项Pe2=称为附加电磁功率。附加电磁功率与励磁无关，且仅当XdXq(即交、直轴磁阻互不相等)时才存在，故也称为磁阻功率。2.3影响功率因数的因素2.3.1影响永磁同步电机功率因数的原因永磁同步电动机运行是靠定子线圈在气隙中产生的旋转磁场与转子上磁钢间的相互吸引，使转子与定子气隙磁场同步旋转而做功。其转子等效为电阻电路，故功率因数高。因无励磁电流，其空载损耗小。电动机效率可达96%左右，较三相异步电动机高。影响永磁同步电机功率因数的原因是电压质量（电压幅值）和负载率。当电网电压高于电动机的反电势点时，永磁电机呈感性负载运行；反之，电动机呈容性负载运行。因此，电网电压波动会造成电机的功率因

26、数波动，补偿困难。若电压幅值与电动机反电势点接近，偏差在2%电压范围内时，电机功率因数大于或等于0.9，否则，功率因数较低；另外，当永磁同步电机的负载率低于25%时，电机功率因数也偏低。2.3.2提高永磁电机功率因数的方法通过对各单井点功率因数低的原因分析，分别采取了以下方法进行调整。(1)根据实测负载率适当调换电机，以保证适当的负载率。(2)稳定系统电压，尤其是重载线路末端，电压普遍偏低。(3)稳定单井电压使其接近永磁同步电机的空载反电势。(4)当运行电压高于永磁电机的反电势点时，可根据感性无功功率的大小，加电容补偿，以提高功率因数。(5)当运行电压低于永磁电机的反电势点时，可调节变压器分接

27、开关，适当提高二次电压的幅值，使电机运行电压在反电势点附近，提高功率因数。(6)对于重负荷长线路，调节变压器分接开关后，变压器二次电压幅值仍低于永磁电机反电势点时，可更换永磁同步电机，采用电容柜补偿。2.4永磁同步电动机的功率因数分析2.4.1电源与功率因数的仿真分析 在额定负载时，在电机的励磁不变情况下，改变定子供电电压时，通过仿真记录多组数据，最终绘出电流幅值和功率因数角随电压变化的波形如图2-1所示。图2-1 电源与功率因数的仿真分析曲线图中仿真曲线表明在Pem不变的情况下，随着电压U的增大，定子电流先减小然后增大，相位由容性变为感性。对于永磁同步电动机，励磁是恒定的，但是调整外部电压U

28、 相当于调整励磁电流If，U=f(Ia)。当电机的负载不变时，减小电枢电压，为了保持平衡，绕组就会相应产生较小的气隙感应电势，由于电枢反应，气隙合成磁场就应减小，又因为励磁磁链不变，所以此时电枢电流应该具有去磁的作用，即应超前于电压，电流呈容性，功率因数角为负值。当增大电压时，情况与之相反。由上可知，可以通过控制电机电源来达到调节功率因数的目的。对于永磁同步电动机我们可以通过控制定子电流，达到调节电机综合磁场的效果，从而实现对电机功率因数的控制。2.4.2励磁与功率因数的仿真分析 永磁同步电动机的励磁状况对电机的性能有很大的影响，为了直观的了解永磁体的强度对电机的影响，在永磁同步电动机带额定负

29、载、正弦电压供电时，进行仿真分析，可以得到相电流幅值和功率因数角与磁链的关系曲线，如图2-2所示图2-2 励磁与功率因数的仿真分析由上述波形可知，正常励磁时，电机的功率因数角为0，即功率因数为1，定子电流幅值最小；在电流为感性的情况下，随着励磁的增大，定子相电流幅值减小，功率因数角减小，即功率因数增大；容性电流时，随着励磁增强，功率因数减小。所以在电机设计时，恰当地选择永磁体对永磁同步电动机的功率因数是有很大的影响的。 3 永磁同步电动机的数学模型及控制理论3.1永磁同步电动机的数学模型在以下条件下建立d-q坐标系下的PMSM的数学模型：(1)忽略磁路中铁心的磁饱和；(2)不计铁心的涡流损耗与

30、磁滞损耗；(3)定子电枢绕组的空载电势是正弦波；定子电压方程： （3-1） （3-2）磁链方程： （3-3） （3-4）电磁转矩方程： = （3-5）上述式中，Rs为定子绕组相电阻，和是定子磁链d轴和q轴上的分量,uq和ud是定子电压d轴和q轴上的分量，Ld和Lq分别是d轴和q轴电感，是转子电角速度，是永磁磁极产生的与定子交链的磁链，p为电动机极对数。PMSM的状态方程： （3-6）式中p为微分算子。对于PMSM来说，定义坐标系的轴与定子A相绕组重合,轴比轴超前90度，因为轴固定在A相轴线上，因此坐标系为静止坐标系。定义dq坐标系的d轴与转子主磁极轴线重合，q轴超前d轴90度，并且d轴与A相轴

31、线夹角为，dq坐标系以电角速度一起旋转，因此称为旋转坐标系，如图3-1所示。图3-1 坐标变换图在图3-1中，三相静止坐标系下，三相电流可以为： （3-7） 在恒定转速下，合成磁场与d轴的夹角。 采用变换，静止坐标系与abc的关系为： （3-8） 采用变换，abc坐标系与的变换关系为： （3-9） 采用abc/dq变换，有： （3-10）采用dq/abc变换，有： （3-11）3.2永磁同步电动机的控制策略 PMSM的高性能控制策略6主要有以下几种：（1）变压变频控制控制变量为电机的外部变量，即电压和频率。这种控制方法的突出优点是可以进行电机的开环速度控制，控制电路简单。该控制系统的特点是易实

32、现、价格低廉，比恒定控制方式通用性强，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。但是，由于系统中不引入速度、位置或其它任何反馈信号，因此不能实时获得电机的工作状态，无法精确控制从而得出最佳的电磁转矩。（2）矢量控制由于矢量控制理论8需要坐标旋转变换、矢量运算以及高速的数字信号处理器，所以在最初几年里，该理论一直无法实得到证实，直到1979年，日本首次将该技术用于异步电机驱动造纸机，仅过一年，日本又将该技术首次引入永磁同步电机驱动轧钢机。矢量控制的核心思想是参照直流电机的控制策略，将电机三相电流、电压、磁链经坐标变换，形成以转子磁链定向的两相参考坐标系，实现电机转矩的控制。磁场定向矢量控制的

33、优点是有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。矢量控制的优点是具有精确的速度控制和良好的转矩响应，并可实现零速全负载控制，具有类似于直流电机的工作特性。矢量控制的前提是获得转子磁场的准确位置，通常通过安装绝对编码器等转子位置传感器来获得转子磁场的准确位置。由于矢量控制要经过坐标变换，对电机参数的变化敏感、运算量大，系统结构复杂等缺点，使得矢量控制的快速性受到。（3）直接转矩控制10矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。针对矢量控制的这一缺点，提出了直接转矩控制9。其控制思

34、想是通过对定子磁链定向，实现定子磁链和转矩的直接控制11。（4）转矩电流最大比控制在交流伺服的各种控制方法中，控制定子电流d轴电流矢量为零的磁场定向方法应用最为普遍。但是，完全采用的控制方法在某些情况下并不是最佳的12。因此，永磁同步电动机也采用最大转矩控制及其他特殊控制方法。采用转矩电流最大比控制嵌入式永磁同步电动机是可能的。在输出同样转矩时的铜损耗减小。在这种情况下，系统对逆变器额定功率的要求降低，即可以优化逆变器的利用效率。（5）功率因数控制上面我们已经讨论了比较常用的矢量控制和转矩电流最大比控制，无论是哪种控制方法都是优缺点并存的。如果我们能够在调速系统中同时实现对电机功率因数的控制1

35、3，那么就可以保证永磁同步电动机具有良好的功率因数特性。功率因数为1时永磁同步电动机就不会对电网造成污染，而且还可以使逆变器的容量得到充分利用。同样如果调节功率因数超前或滞后就可以像电励磁同步电动机那样对电网进行无功补偿。本文下面将专门研究永磁同步电动机的功率因数问题，在讨论电励磁同步电动机功率因数的基础上，分析永磁同步电动机功率因数的相关问题，并且针对广泛应用的控制系统分析永磁同步电动机的功率因数特性，最后建立仿真模型控制电机的功率因数。3.3永磁同步电动机控制系统的发展趋势以PMSM为执行元件构成的永磁同步电机控制系统因其良好的性能，自诞生以来，伴随着相关支撑技术的发展，如永磁材料、电力电

36、子器件、微处理器、传感器和变频调速控制策略等，获得了迅速的发展和广泛的应用，并日渐成为电机驱动系统的主流14，尤其在高性能要求的中小功率的伺服领域更是具有一取传统直流伺服系统的趋势。从其应用领域的特点和PMSM伺服系统自身技术的发展来看，今后，永磁同步电机控制系统的发展方向主要有以下几个方面:(1)全数字化随着高性能专用数字信号处理器的出现，使得在电机控制系统中应用现代控制理论(如人工智能、神经网络、最优控制等)成为可能。实施全数字化电机控制系统，将原来的硬件控制变成了软控制，提高了电机控制系统的柔韧性，降低了成本，使得系统的控制精度和可靠性大大增强。(2)高度集成化微电子技术的发展，CPLD

37、、FPGA等大规模可编程逻辑器件的应用，使得控制电路设计更加灵活，速度响应更加快捷，硬件电路设计更易实现一体化，制系统的集成度更高，电机控制系统的安装和调试等工作更加灵活。(3)智能化智能化是目前电机控制系统及工业设备所追求的实现目标。智能化主要表现在设备不仅要有参数设置、参数记忆以及与上位机进行数据通信等功能，而且还具备一定的故障自诊断与分析功能，高档一些的智能化设备还具有参数自整定功能。控制系统智能化的实现，提高了系统的可靠性，简化了系统维修与调试的复杂性。(4)模块化和网络化工业无线网络及各类现场总线的应用是工厂自动化工程技术的发展趋势，各类控制器的模块化是实现该控制方法的基础。电机控制

38、器15作为工厂使用最为广泛的控制单元，其模块化的实施，不仅增强了电机控制单元与其它控制设备(如PLC等)的互联能力，而且使得工厂网络化的实施成为可能。当前为进一步提高永磁同步电机控制系统的性能，必须更深入的研究和探索几个待解决的影响其性能的“瓶颈”问题：1、发展高性能永磁材料及其加工技术，改进PMSM结构以克服PMSM在使用过程中的“退磁”问题和克服其存在齿槽转矩对其转矩波动尤其是低速时转矩波动的影响。2、改进逆变器(含驱动电路)性能克服其存在功率开关关断延时对其电流跟踪速度减慢和造成注入PMSM定子电流含有谐波成分从而使其存在转矩脉动的影响;同时发展高精度的速度及位置检测器件和实现无传感器检

39、测克服因检测误差对控制器调节性能的影响。3、采用先进控制策略提高控制器性能尤其是其智能水平和自适应能力以克服包含驱动器、PMSM及负载在内的“广义被控对象”的不确定性因素对系统性能造成的影响和弥补系统以“硬件形式”构成的部件“缺陷性”。4 转矩电流最大比控制系统的功率因数仿真分析4.1转矩电流最大比控制理论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。对于凸极永磁同步电动机，能够产生磁阻转矩，通过控制定子电流相位角可以控制定子电流在直轴与交轴上的分量。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

40、大转矩电流比。 基于此种最大电流比控制方法，建立高性能的三电平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=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。经过理论分析及仿真得出：最大转矩电流比控制的动态性能优于控制；最大转矩电流比控制充分利用磁阻转矩，输出转矩相同的情况下与控制相比定子电流小，电动机铜耗小，功率因数高。所以高转矩、大容量场合宜采用最大转矩电流比控制；最大转矩电流比控制中，电枢电流产生的磁动势的效果为去磁效应，这种去磁效应可以用来实现弱磁调速。但随着负

41、载转矩的增大功角会迅速拉大，不利于系统的稳定运行；最大转矩电流比控制算法复杂，且对电机参数鲁棒性不高。控制算法简单、鲁棒性高16。4.2转矩电流最大比控制原理 所谓转矩电流最大比控制，又称为定子电流最小控制，是指在转矩给定的情况下，最优配置交直轴电流分量，使定子电流最小，即单位电流下电机输出转矩最大。最大转矩电流比控制可以减小电机铜耗，提高运行效率，从而是整个系统的性能得到优化。此外，由于逆变器所输出的电流较小，对逆变器的容量要求可相对降低。上面已经在第三章中介绍了泳池同步电动机的电磁转矩的数学模型，即电磁转矩方程： = 可以看出凸极式永磁同步电动机，由于其交轴电感大于直轴电感，采用转矩电流最

42、大比控制时其直轴电流分量小于零，换句话说，是通过利用直轴电流的去磁作用来实现最大转矩电流比控制的。因此，实际使用时必须注意对直轴电流分量的控制，要考虑磁饱和影响和功角特性的影响。4.3转矩电流最大比仿真与功率因数分析 无论我们采用哪种控制方式，最终都是为了实现电机运行具有稳定的转速20，转矩脉动小，系统具有快速响应性17。在转矩电流最大比控制方法中，我们仍然要对电机转速进行闭环控制。在控制系统中，转速给定信号与反馈转速经过PI 调节器运算给出电磁转矩给定信号，电磁转矩给定信号与实际值再经过 PI 调节输出定子电流矢量幅值的给定值。有了定子电流矢量的幅值之后就可以计算出，从而可以是计算出在此中情

43、况下定子电流的直轴分量和交轴分量给定值。然后通过 dq到 abc的坐标变换计算得到定子三相电流的给定值。定子三相电流给定值与反馈值经过电流调节器输出PWM调制波控制逆变器的工作状态。下面将采用电流滞环PWM方式来建立仿真模型，在不同的条件下进行仿真，并且详细分析控制系统的性能以及电机的功率因数。4.3.1电流滞环控制方式的仿真与功率因数分析 电流环采用滞环控制时，在SIMULINK中建立的仿真模型如上图4-1所示图4-1 滞环控制方式模型模型中有转速和转矩的闭环控制，转速给定值与反馈值经过ASR的PI调节，并加以限幅输出电磁转矩的给定值，然后与反馈电磁转矩经过PI调节和限幅环节后输出定子电流矢

44、量的给定幅值Is。CACULATE模块是一个封装子系统，它实现了根据定子电流幅值计算定子电流相对于交轴的相位角的运算。直轴电流和交轴电流给定值可以由定子电流矢量和来确定，关系如下式所示: (4-1)直轴电流和交轴电流的给定值经过坐标变换模块得到定子三相电流的给定值，它们与反馈得到的实际值经过滞环环节输出PWM波控制逆变器，最终输出永磁同步电动机所需的三相电压。在采用电流滞环控制方法时，定子流给定值与反馈值经过滞环调节器输出开关信号控制逆变器的工作。设定滞环比较器的环宽，调节就可以控制逆变器的开关频率，越小开关频率越高，定子电流的脉动就越小，系统的稳定性就会越高。图4-1中最后一个模块是永磁同步

45、电动机的封装形式，电机的输入信号有负载转矩和来自逆变器的三相电源，输出参数可以根据需要来选择，必须要有实现闭环控制的转速、电磁转矩和定子电流以及转子位置的电角度信号以实现坐标变换。4.3.2额定工作状态下的仿真实现与功率因数采用凸极性明显的电机进行仿真，先分析在额定转速1500rpm、额定负载为5Nm的情况下控制系统的控制性能以及电机的功率因数。本系统中调节器均采用PI 算法，在调试过程中，我们将不同 PI 参数下的仿真波形加以对比可知，超出系统的稳定范围时，PI参数增大都会造成振荡次数增多，过渡过程加长，如图4-2所示。在图4-2中电磁转矩的波动过程很长，而且刚性很强，相应的电机转速在起动过

46、程中的超调量很大，而且振荡过程也很长。通过调节和优化PI参数，在上述仿真系统中，当给定电机转速为 1500rpm时，仿真结果如图4-3所示。图4-3中，系统能够快速的达到稳定状态，振荡过程缩短了，闭环控制效果很好。(横坐标：时间s,纵坐标：转矩Nm) （横坐标：时间s,纵坐标：转速rpm） 图4- 2(a) 电磁转矩 图4-2(b) 转速 (横坐标：时间s,纵坐标：转矩Nm) （横坐标：时间s,纵坐标：转速rpm） 图4-3(a) 电磁转矩 图4-3(b) 转速在额定转速下，电机带额定负载时，对电机参数进行仿真分析得到波形如下图 4-4所示。（横坐标：时间s，纵坐标：电流A）图4-4(a) A

47、相电流（横坐标：时间s，纵坐标：电压V）图4-4(b) A相电压（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图4-4(c) 直轴与交轴电流直轴电流为-2.7A，交轴电流为9.3A。因为直轴电流分量为负值，所以定子电流矢量超前于交轴，由此可以判断定子电流矢量超前于交轴的角度为arctg (| id / iq |)=16.2 。这与仿真系统中 CACULATE 模块根据式(5-2)输出的仿真结果是一致的。在上述分析的基础上，永磁同步电动机的功率因数角度如下图4-5所示，电机的功率因数角度稳态时约为，比矢量控制系统中电机的功率因数高得多。(横坐标：时间 s，纵坐标：角度 度)图4-5(d) 功率因数角4.

48、3.3变负载时的仿真实现与功率因数分析给定电机转速为1500rpm,负载为10N时，对电机参数进行仿真分析得到波形如下图4-6所示。 （横坐标：时间s，纵坐标：转矩Nm）（横坐标：时间s，纵坐标：转速rpm） 图4-6(a) 电磁转矩 图4-6(b) 转速（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图4-6(c) A相电流（横坐标：时间 s，纵坐标：电压 V）图4-6(d) A相电压（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图4-6(e) 直轴和交轴电流在带10Nm负载的情况下稳定运行，仿真分析电机功率因数角度如下图4-7所示。电机稳定运行后，电机的功率因数角度为3.1。可见在负载增大的过程中，对应于内

49、功率因数角的值增大，电机输出功率增大。电机的功率因数角度有所增大。(横坐标：时间s，纵坐标：角度 度)图4-7负载为10Nm时功率因数波形4.3.43000rpm时的仿真实现与功率因数分析在给定电机转速为3000rpm时，电机负载在0.1s时由5N升高到10Nm时，控制系统的仿真波形如图4-8所示。(横坐标：时间 s，纵坐标：转矩Nm）图4-8(a) 电磁转矩横坐标：时间 s，纵坐标：转速 rpm）图4-8(b) 转速（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图4-8(c) A相电流（横坐标：时间 s，纵坐标：电压 V）图4-8(d) A相电压（横坐标：时间s，纵坐标：电流A） 图4-8(e) 直

50、轴和交轴电流 (横坐标：时间s，纵坐标：角度 度）图4-8(f) 3000rpm时功率因数仿真分析在3000rpm时，电源频率为100Hz。当负载增大瞬间，电机的转速会有所下降，闭环控制的作用就是使电磁转矩迅速跟踪负载转矩，使电机能够稳定在给定转速下运行。在负载变化过程中，电机参数的变化情况是这样的，交轴电流由9.3A增大到18.3A，直轴电流由-2.75A减小到-8.75A，功率因数角度由 1.93到3.55。在电机运行在3000rpm时的功率因数明显比矢量控制系统中要高很多。4.3.5低转速下的仿真实现与功率因数分析当给定电机转速为 750rpm时，控制系统的仿真波形如图4-9所示。（横坐

51、标：时间 s，纵坐标：转矩）图4-9(a) 电磁转矩（横坐标：时间s，纵坐标：转速rpm）图4-9(b) 转速（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图4-9(c) 定子电流（横坐标：时间 s，纵坐标：电压 V）图4-9(d) A相电压（横坐标：时间s，纵坐标：电流A）图4-9(e) 直轴与交轴电流(横坐标：时间 s，纵坐标：角度 度）图4-9(f) 功率因数角直轴电流由-2.7A变为-8.75A，交轴电流由9.3A变为18.3A，仿真得到的功率因数角度由1.5变为2.5。这样电机功率因数降低，要求逆变器的输出电压增大。调速系统必须保证电机所需电源在逆变器能够输出的最大容量范围内。此种控制系统中

52、，电机的功率因数都比同种运行条件下矢量控制系统中电机的功率因数要高得多，这一点上，它是优于传统的矢量控制的。5 功率因数的仿真分析5.1功率因数的控制原理功率因数是电动机运行的重要参数，在额定工作情况下运行时，电动机的功率因数一般都在0.85以上（10KW以下的低速电机稍低）。永磁同步电动机由于没有励磁绕组和励磁装置，不消耗励磁功率，对磁极设在转子的电机还可以省去滑环和电刷。与电励磁电机相比，永磁同步电动机具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点，因此获得广泛的应用。永磁同步电动机在转矩电流最大比控制中，在负载增大时功率因数要降低18，因此我们利用永磁同步电动机在dq坐标系中的数学模型

53、，建立永磁同步电动机功率因数控制的仿真模型。调节励磁电流可以调节电励磁同步电动机的功率因数，但是永磁同步电动机的励磁是不可调节的，不能采用电励磁同步电动机的控制方法，因此通过控制定子电流来实现功率因数控制的方法。功率因数控制原理如图5-1所示。5.2功率因数的仿真分析5.2.1 给定功率因数角为0的仿真分析给定功率因数角度为0时仿真结果如图5-2所示。（横坐标：时间s，纵坐标：转矩Nm）图5-2(a) 电磁转矩（横坐标：时间 s，纵坐标：转速 rpm）图5-2(b) 转速（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图5-2(c) A相电流（横坐标：时间 s，纵坐标：电压 V）图5-2(d) A相电压

54、 横坐标：时间s，纵坐标：电流A） 图5-2(e) 直交轴电流（横坐标：时间s，纵坐标：角度 度）图5-2(f) 功率因数角度由上述波形可知，在额定转速下，电机带负载为时，控制系统能够使电机在给定功率因数下稳定运行。由图可知，在0.04s控制状态转换时，电机的功率因数角度由矢量控制阶段12.8度逐渐达到给定的功率因数角度为0度的状态，电机转速稳定，系统误差小。在此过程中，定子直轴电流分量由零变为负值，从矢量图上来理解，就是说定子电流矢量由原来位于交轴上变为超前于交轴，并且达到与定子电压矢量重合。5.2.2其他功率因数下的仿真分析给定电机功率因数角度为时，仿真结果如图5-3所示。（横坐标：时间

55、s，纵坐标：转矩Nm）图5-3(a) 电磁转矩（横坐标：时间 s，纵坐标：转速 rpm）图5-3(b) 转速（横坐标：时间s，纵坐标：电流A）图5-3(c) 直交轴电流（横坐标：时间s，纵坐标：角度 度） 图5-3(d) 功率因数角在给定功率因数角度为时，定子电流矢量滞后电压矢量，功率因数控制仿真模型输出波形表明，永磁同步电动机能够快速响应给定信号，而且具有很好的稳定性。由图可知，在此过程中，直轴电流分量由零变为正值，此时电流矢量滞后于交轴。给定电机功率因数角度为-时，仿真结果如图5-4示。 （横坐标：时间 s，纵坐标：转矩Nm）图5-4(a) 电磁转矩（横坐标：时间 s，纵坐标：转速 rpm

56、）图5-4(b) 转速（横坐标：时间 s，纵坐标：电流 A）图5-4(c) 直交轴电流（横坐标：时间 s，纵坐标：角度 度）图5-4(d) 功率因数角度电机在额定转速下，带负载为5Nm时，由图5-4可知，电流矢量由q轴转移到超前于电压矢量10的位置，此时电流直轴分量不为零，且比功率因数为1时的幅值更大。 结论 本文通过查阅文献，对永磁同步电机控制系统的国内外发展情况做了概括和总结。通过仿真详细分析了控制系统中永磁同步电动机的功率因数，并且提出了永磁同步电动机功率因数的控制策略。随着数字控制技术的发展，永磁同步电动机以其独特的优越性获得了广泛的应用。传统的矢量控制技术在磁场完全解耦的情况下，能够

57、实现快速、稳定的控制。功率因数是衡量电气产品性能的一个重要指标。对永磁同步电动机调速的同时进行功率因数控制具有重要的现实意义。在本课题开展过程中，主要完成了以下工作：(1)基础研究：在分析和建立永磁同步电动机数学模型的基础上，利用MATLAB/SIMULINK中的模块自己建立了PMSM 的仿真模型。分析了同步电动机功率因数的理论，在此基础上深入研究了永磁同步电动机的功率因数与永磁体以及电源之间的关系，通过仿真验证了理论分析的结果。(2)转矩电流最大比控制的仿真研究与功率因数分析：在理论分析转矩电流最大比控制原理的基础上，本文在 MATLAB/SIMILINK 中建立了控制模型，通过控制定子电流矢量的相位角实现了该控制策略，详细分析了转矩电流最大比控制系统中，在不同转速和负载时，系统的调速性能、永磁同步电动机的特性参数和功率因数状况，通过仿真分析验证了转矩电流最大比理论的正确性。(3)功率因数控制模型：转矩电流最大比控制在负载增大时，电机的功率因数也会有所降低。为了监控电