船用永磁同步电动机控制系统建模与仿真

摘要

随着船舶吊舱技术的应用，永磁电机及其控制技术得到迅速发展。永磁同步电机以其单位体积下功率密度较大、重量轻、体积小的优点，使其能够应用于船舶吊舱电力推进系统中。目前，国际上船舶推进方式发展趋向是电力推进系统，但这项技术的研究在我国还比较滞后，实际应用还是比较有限。在现实条件下对船舶电力推进系统的故障现象分析也是较难实现，所以更深入的研究永磁同步电机控制系统建模仿真在船舶电力推进系统研究领域应用是一个非常重要的课题。
　　首先，根据永磁同步电机的数学模型和船用大功率永磁同步电机的参数，搭建了永磁同步电机的仿真模型，在电机转速开环下的仿真结果可见，电机的转速和转矩在过度过程中波动很大。针对这一问题，引入电机的控制方法以实现对电机的精确有效控制。其次深入研究永磁同步电机矢量控制的基本思想，将磁链和转矩通过坐标变换，进行解耦等，将其转化成为类似直流电机的控制，得到直流调速系统相同的静、动态性能。在深入研究了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理的基础上，在精确判断定子磁链和空间大小和位置，且同时准确计算电磁转矩的条件下，把转矩作为直接控制量控制，搭建了基于开关表选择的永磁同步电机直接转矩控制仿真模型。最后，根据以上控制方法的研究，结合螺旋桨的负荷特性以及船体运动的数学模型，搭建了基于螺旋桨负荷特性的永磁同步电机矢量控制仿真模型。
　　在此基础上，进行仿真研究，仿真结果表明矢量控制能准确地实现转速控制并具有良好的转矩响应;直接转矩控制的磁链曲线近似为圆形，控制输出量达到预期效果，但是电机的转速和电磁转矩在到达稳定值之前都有较大的波动，这是因为直接转矩控制方法对磁链和转矩的控制，是通过给定值绕组施加各种电压空间矢量来实现的。基于螺旋桨负荷特性的永磁同步电动机矢量控制系统仿真结果表明，该控制方式可减小转矩的脉动，电机推进系统有良好的动态响应效果。综上，本文通过理论分析和建模仿真，对船舶电力推进系统的研究积累了一定的经验，对课题后续的研究和应用都具有参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景及意义

1．2 课题的国内外研究现状

1．3 本课题研究内容

第2章 永磁同步电动机的构成原理及其仿真

2．1 永磁同步电动机构成原理

2．2 永磁同步电动机的数学模型

2．3 永磁同步电动机建模仿真

2．3．1 仿真模型子模块搭建

2．3．2 PMSM仿真模型建立

2．4 本章小结

第3章 永磁同步电动机矢量控制建模及仿真

3．1 永磁同步电动机矢量方程

3．1．1 定子磁链和电压矢量方程

3．1．2 电磁转矩矢量方程

3．2 坐标变换和矢量变换

3．3 电压空间矢量控制(SVPWM)

3．3．1 空间矢量的定义

3．3．2 SVPWM的原理

3．3．3 SVPWM的合成

3．3．4 SVPWM的扇区判断

3．4 矢量控制系统仿真

3．4．1 基于Matlab的SVPWM仿真

3．4．2 调节器设计

3．5 永磁同步电机矢量控制的仿真结果

3．6 本章小结

第4章 永磁同步电动机直接转矩控制建模及仿真

4．1 PMSM直接转矩控制的原理

4．1．1 直接转矩控制的基本原理

4．1．2 PMSM转矩生成与控制

4．1．3 磁链和转矩估计

4．1．4 逆变器开关状态和电压空间矢量实现原理

4．1．5 定子磁链分区表和开关表的实现原理

4．2 PMSM直接转矩控制系统各模块仿真模型

4．3 PMSM直接转矩控制的仿真结果

4．4 本章小结

第5章 基于螺旋桨负荷特性永磁同步电机矢量控制系统的仿真

5．1 永磁同步电机矢量控制原理

5．2 螺旋桨负载特性

5．3 船体运动的数学模型

5．4 基于螺旋桨负荷的PMSM矢量控制建模仿真

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

研究生履历