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基于MATLAB永磁同步电机调速系统的建摸与仿真

来源:Http://myeducs.cn 联系QQ:点击这里给我发消息 作者: admin 发布时间: 13/09/05
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说明:
1 绪 论
1.1.课题研究背景
电机作为一种能量转换装置,已经广泛应用于国民经济的各个领域及人们的日常生活中。电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。电机按运动方式分类可以分为静止电机和旋转电机,旋转电机又分为支流电机和交流电机,交流电机又可分为异步电机和同步电机。 
由于控制简单,长久以来在调速较高的场合,直流电机一直占主导地位.但是它存在一些固有的缺点,例如电刷、换向器易损耗,需要经常维护, 换向器会产生火花,限制了电机的最高转速和过载能力且无法应用在易燃易暴的工作场合.而交流电机特别是感应电机则没有上述的缺点和限制,转子惯量较小,动态响应更好.一般而言,同样体积的交流电机的输出功率可比直流电机提高10-70倍。此外,交流电机的容量可以制造得更大,达到更高的转速和电压。应此,20世纪60年代以后,由于生产发展的需要和节省电能的要求,促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世
纪70年代以后,由于科学技术的迅猛发展为交流电机的发展提供了强有力的技术条件和物质基础。
交流电机虽然结构简单,其控制却比较复杂。交流异步电机价格便宜,运行可靠,但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速,且需要吸收滞后的励磁电流,功率因素和效率都较低。
由于永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Machines, PMSM)具有体积小、重量轻,功率密度高、效率和功率因素高(功率因素等于1或接近于1)等明显的特点,在70年代末和80年代初引起了从事电机及其驱动系统技术研究的学者和研究人员的广泛关注。
我国占有世界蕴藏85%以上的稀土资源,在开发高磁场永磁材料(特别是钦铁硼)方面具有得天独厚的有利条件。目前我国的钦铁硼永磁材料特性水平已经达到了世界先进水平。
相对于交流异步电机,永磁同步电机具有以下特点:
(1)效率高。永磁同步电机用永磁体取代电磁场,无励磁损耗。由于损耗小,发热低,因此效率也高;
(2)机械特性较硬。对于因负载变化引起的电机转矩的扰动具有较强的承受力;
(3)电机的转速与电源频率间保持准确的同步关系。控制电源频率就能控制电机转速。在电源频率不变动的情况下转速不会改变,即使电压幅值波动或负载变动都会运转在同步转速,这种特性非常适用在高精度定转速的负载场合。
正因为永磁同步电机具有如此优异的特性,同时,随着上世纪80年代稀土钦铁硼(NdFeB)作为高性能永磁材料的诞生和先进控制策略的研究应用,使永磁同步电机得到迅速发展。目前,永磁同步电机己经在各个领域得到了广泛应用。
美国GE等公司批量制造出用于计算机外存储器的音圈电机及永磁汽车起动电机;德国西门子公司经过十多年的努力,采用多种结构,研制成功用于化纤工业的高速永磁电机和用于交流调速的RJA3系列永磁同步电机。另外,混凝土搅拌机、轮船推进机、冰箱空调中的制冷机、计算机硬盘驱动器电机、豪华轿车用起动电机、机器人控制等越来越多地采用永磁同步电机。
1.1.1永磁同步电机驱动简介
按照不同的工农业生产机械的要求,电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。
(1) 定速驱动
工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行,例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低,结构简单牢靠,维修方便,很适合该类机械的驱动。但是,异步电动机效率、功率因数低、损耗大,而该类电机使用面广量大,故有大量的电能在使用中被浪费了。其次,工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量,通常是通过调节风门、阀来完成的,这其中又浪费了大量的电能。70年代起,人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量,取得可观的节能效果,但变频器的成本又限制了它的使用,而且异步电动机本身的低效率依然存在。例如,家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机,开关式控制其运行,噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。90年代初,日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速,变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速,显著提高了效率,获得更好的节能效果和进一步降低了噪声,在相同的额定功率和额定转速下,设单相异步电动要的体积和重量为100%,则永磁无刷直流电动机的体积为38.6%,重量为34.8%,用铜量为20.9%,用铁量为36.5%,效率提高10%以上,而且调速方便,价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调剂的升级换代。
再如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇,以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式,它的体积和重量大,效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地使用着无刷风机。这些年,使用无刷风机已形成了完整的系列,品种规格多,外框尺寸从15mm到120mm共有12种,框架厚度有6mm到18mm共7种,电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V,转速范围从 2100rpm到14000rpm,分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种,寿命30000小时以上,电机是外转子的永磁无刷直流电动机。
近年来的实践表明,在功率不大于10kW而连续运行的场合,为减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素,越来越多的异步电动机驱动正被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合,由于一次成本和投资较大,除了永磁材料外,还要功率较大的驱动器,故还较少有应用。
(2) 调速驱动
有相当多的工作机械,其运行速度需要任意设定和调节,但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有大量应用。
在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统,70年代后随电力电子技术和控制技术的发展,异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美,另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。故异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。
交流稀土永磁同步电动机由于其体积小、重量轻、高效节能等一系列优点,越来越引起人们重视,其控制技术日趋成熟,控制器已产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统,其缺点是不言而喻的。70年代变频技术发展成熟,异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新驱动技术就是永磁同步电动机调速系统,其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动,消除齿轮减速装置;其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统,适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐,与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见,在调速驱动的场合,将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器,功率从0.4kW~300kW,体积比同容量异步电动机小1~2个机座号,力能指标明显高于异步电动机,可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。
(3) 精密控制驱动
① 高精度的伺服控制系统
伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演了十分重要的角色,应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。实际应用中,伺服电动机有各种不同的控制方式,例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统,直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。
② 信息技术中的永磁同步电动机
当今信息技术高度发展,各种计算机外设和办公自动化设备也随之高度发展,与其配套的关键部件微电机需求量大,精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动,精度要求更是特别高。例如,硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机,它以近10000rpm的高速带动盘片旋转,盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1~0.3微米处作悬浮运动,其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制,这类微电机目前国内还不能自己制造,有部分产品在国内组装。

作者点评:
总结与展望
4.1论文所做的工作
本论文主要研究的是基于MATLAB/SIMULINK的永磁同步电机控制系统,研究的成果如下:
(1)建立基于MATLAB/SIMULINK的永磁同步电机控制系统的仿真模型。。
(2)仿真出结果,证实方法的可行性。
通过这次毕业设计使我掌握了做科学研究的基本方法和思路,为今后的工作打下了基础,现将感受总结如下:
首先,我学会了对相关科技文献的检索,一切科学研究都是建立在前人研究的基础之上的。因此,对于相关文献资料的检索显得尤为重要。在现代社会中,随着计算机的普及以及网络技术的发展,,对于文献的检索已经从图书馆的纸质资料转移到网络平台下的电子文档。通过毕业设计,我详细的学习并掌握了IEEE、中国知网、万方数据库等数据库的检索与使用。
其次,对于外文资料的翻译与理解。由于我国科技水平的限制以及英语在世界范围内的普及,前沿的科技文献都是用英语给出的,给我们非英语国家造成了一定的不便。这就的知识体系结构,为今后的工作打下了理论基础。
第三,科学研究中的创新式建立在对基本概念与基本理论的熟练掌握的基础之上的。通过这次毕业设计强化了我对大学期间所学的基础课以及专业课的认识和理解,巩固了我为期一个月的毕业设计即将结束,也就意味着我的大学生活即将结束,但在这一个学期的时间里我学到了很多知识和技能。
第四,对于各种工具软件的熟练使用也是科学研究中所必不可少的。在这次毕业设计中,我主要使用的是matlab6.5这一工具软件,该软件可用于概念设计,算法开发,建模仿真,实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路,使得 MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间,特别是在 matlab 的主要应用方向 — 科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具,广泛的分布在航空航天,金融财务,机械化工,电信,教育等各个行业。成为这些行业进行科学研究所必备的软件。这次毕业设计我认真地学习了matlab的使用,并利用该软件进行仿真与绘图。为今后的科研工作打下了基础。
最后,通过这次毕业设计还使我了解了科技论文的写作规范,熟悉了office系列软件在文字处理与排版等方面的使用。
总之,这次毕业设计不是简简单单的完成了一个课题,而是使我初步的掌握了科学研究的步骤与方法,巩固了我的专业知识,练习了我的实际操作能力,锻炼了我分析解决问题的能力,为今后的科研工作打下了坚实的基础。
4.2 展望
与直流电机相比,永磁电机具有独特的优点。特别是电力电子技术和控制技术高度发展的今天,永磁电力推进系统必将在各个领域广泛应用。
目前看来国内Simlink的应用重要集中在控制、电力系统等方面,进行电机控制的仿真研究的先例还不多见,借助于Simlink建模非常方便,花费的时间很少,这就非常有利于专心研究控制策略等.
随着计算机技术的发展,采用复杂模型研究控制策略是必然的趋势.不仅如此,还可以将电机电磁场分析、主回路、控制回路集成在一起,建立虚拟系统,可以得到更高的精度.美国ANSOFT公司已经将Simlink模型(包括主回路、控制回路模型等)与它的电磁场分析模型(电机模型)结合在一起进行仿真计算.这无疑更加接近于现实.但是,给软件对计算机的性能要求很高,计算时间也很长,真正普遍应用于工程实际还要依赖于计算机进一步发展.
本人在永磁同步电机调速系统的应用方面做了初步的研究,但是将其应用现实生活中,还远远不够,而在现实生活中,永磁同步电机的应用是相当广泛的,所以希望以后能在这方面上做进一步的研究。

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