论文总字数：25926字

摘 要

永磁同步电机具有高功率密度、高效率等优点，在生产和生活中得到广泛应用。目前我国的研究主要集中于该类电机的中低端市场，而高端市场大多被发达国家垄断。由于永磁电机的电磁设计和控制仍有大量的科学问题值得深入研究和探索，因此，开展永磁同步电机位置伺服控制策略研究对提升我国基础工业有重要的技术支撑作用。

本文研究了永磁同步电机位置伺服控制策略。以表贴式永磁同步电机为对象，选取了i_d=0控制策略。采用了位置、速度、电流三闭环控制结构对系统进行控制，其中速度环和电流环采用比例积分控制器。针对位置控制器采用比例控制和前馈控制这两种不同的控制器。利用空间矢量脉宽调制算法生成六路脉宽调制（PWM）实现永磁同步电机的控制。

本文对位置控制器的两种控制系统均在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真验证。给定三种不同的控制信号，仿真得到控制结果满足系统的基本要求。使用前馈控制器相较于比例控制器的系统，在稳态位置跟踪精度、位置超调和跟踪速度等方面均得到了优化。最后，搭建了控制系统的硬件电路对控制系统进行了实验，实验结果验证了本文提出控制策略的正确性和有效性。

关键词：永磁同步电机，伺服控制系统，前馈控制

Abstract

Permanent magnet synchronous motors have the advantages of high power density and high efficiency, and are widely used in industry and life. At present, China's research mainly focuses on the low-end market of such motors, while the high-end market is mostly monopolized by developed countries. Since there are still a lot of scientific problems in the electromagnetic design and control of permanent magnet motor, it is worthy of further study and exploration. Therefore, research on the position servo control strategy of permanent magnet synchronous motor has important technical support for improving China's basic industry.

This paper researches the position servo control strategy of permanent magnet synchronous motor. Taking the surface-mount permanent magnet synchronous motor as the object, id=0 control strategy is used. The system is controlled by three closed-loop control structures of position, speed and current, where the speed loop and the current loop use a proportional integral controller. Two different controllers, proportional control and feedforward control, are used for the position controller. The space vector pulse width modulation algorithm is used to generate six-channel pulse width modulation to realize the control of the permanent magnet synchronous motor.

The two control systems of the position controller are simulated and verified in the MATLAB/Simulink. Given three different control signals, the simulation results in the control to meet the basic requirements of the system. Using a feedforward controller compared to a proportional controller system. The tracking accuracy, position overshoot, and tracking speed are optimized by using a feedforward controller compared to a proportional controller system. Finally, the hardware circuit of the control system is built to test the control system. The experimental results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords: permanent magnet synchronous motor, servo control system, feedforward control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2永磁同步电机伺服系统的研究现状 1

1.2.1交流伺服系统发展概况 1

1.2.2交流伺服控制策略研究现状 2

1.2.3永磁交流伺服系统常用控制策略分析 3

1.3本章小结 6

第2章 永磁同步电机数学模型及控制方案 8

2.1永磁同步电机基本结构 8

2.2永磁同步电机数学模型 8

2.3永磁同步电机矢量控制策略 12

2.4本章小结 14

第三章 永磁同步电机伺服系统设计 15

3.1伺服系统整体结构 15

3.2部分模型设计 16

3.2.1坐标变换电路设计 16

3.2.2电压空间矢量控制模型设计 17

3.3永磁同步电机伺服系统的Simulink仿真模型 23

3.4永磁同步电机伺服系统的优化设计 24

3.5本章小结 25

第四章 伺服系统仿真实验及验证 26

4.1给定阶跃信号的系统分析 26

4.2给定斜坡信号的系统分析 28

4.3给定正弦信号的系统分析 31

第5章 伺服系统软硬件设计及实验验证 34

5.1供电电路 34

5.2AD采样电路 36

5.3旋转变压器解码电路设计 37

5.4通信电路设计 38

5.5信号输出电路设计 38

5.6实验验证 40

第六章 总结展望 41

参考文献 42

致 谢 44

第一章 绪论

1.1选题背景和意义

永磁同步电机（PMSM）是一种利用稀土永磁体替代励磁绕组的新型电机，有着极高的功率密度，高效率，高转矩惯量比等等优点。这也就是说在输出相同的功率时，其体积比直流电机体积减少了约58%，总体损耗减少了约19%。而随着高剩磁密度、矫顽力、磁能积以及线性退磁曲线等特性优良的稀土永磁材料的涌现和发展，又伴随着相关工业技术的完善，永磁同步电机的成本又得到了不断降低，性能得到了不断提高。在以上这些技术条件和物质条件飞速发展的过程中，永磁同步电机自身也在朝着更大功率，更高性能，更小体积这些方面飞速进步。凭借着外观多样可控，灵活多变以及在性能方面的优势，永磁同步电机在伺服控制系统中取得了越发广泛的应用。在工农业机器人，航空航天领域，军工军用领域，纺织锻造电梯控制等领域，它都逐渐崭露头角。

虽然我国有着丰富的稀土资源储备，但是由于长期出口粗加工稀土材料，我国的稀土精加工水平相对于世界上其他国家较为落后，而相关制造业也不能满足发展需求。综合以上几点提高稀土的加工能力，全面发展稀土永磁同步电机相关产业技术，以增强稀土资源的利用率及其附加产值是永磁同步电机发展的一个大体方向^[1]。

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