【正文】 e structure of the permanent mag synchronous motor, the performance, then a more prehensive description of the development status and trends of the permanent mag synchronous motor and its related technologies, and finally about several permanent mag synchronous motor control system monly used in control strategies. In the analysis of permanent mag synchronous motor mathematical model based on the help of Matlab39。s powerful simulation modeling capabilities of Matlab/Simulink simulation model of the PMSM control system for PMSM servo control system analysis and design effective and tools. Text with the means of a detailed analysis of the mechanism of permanent mag synchronous motor vector control, and a corresponding set of vector 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 III control programs, the establishment of the simulation and test platform for the simulation analysis and experimental research. Keywords: permanent mag synchronous motor / Matlab / Simulink Simulation / Vector Control 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 1 1 緒論 永磁同步電機 (Permanent Mag Synchronous Machine 即 PMSM)因其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高和魯棒性強等優(yōu)點，廣泛用于電機性能和控制精度要求較高的伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域 [1]。 PMSM 是一個非線性、多變量、強耦合系統(tǒng)，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和外界擾動十分敏感，因此常規(guī)線性控制方法很難獲得理想的控制效果 [2]。為了提高 PMSM 的控制性能，國內(nèi)外研究人員提出了許多非線性控制方法，主要有：反步法控制、反饋線性化控制、滑模控制、智能控制、自適應控制和自抗擾控 制等，這些非線性控制方法改善了 PMSM 系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)魯棒性。 永磁同步電機的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀 永磁電機是采用永磁體代替通電線圈勵磁的一種電動機。其起源很早，在 19 世紀 20 年代所出現(xiàn)的第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁的永磁電機 [3]，但當時所采用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，所制成的電機體積大，不久便被電勵磁電機所取代。而 早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機加速 到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機牽入同步。 上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下特點：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動慣量 ， 使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同的特點。 隨著價格低廉的釹鐵 硼 (NdFeB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機得到了很大的發(fā)展，世界各國 (以德國和日本為首 )掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電動機及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等小功率應用場合，永磁同步電動機伺服系永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 2 統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢， 加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。正向高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化和微型化方面發(fā)展。 我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用 , 所以在開發(fā)高磁場永磁材 料方面我國具有得天獨厚的有利條件。又由于稀土永磁磁極，可以獲得較高的氣隙磁密。裝置結(jié)構(gòu)緊湊采用永磁同步電機的永磁交流伺服系統(tǒng)可將同步電機改造為具備與直流伺服電動機相類似的伺服性能，并以其優(yōu)異性能成為精密電氣伺服控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，代表了電伺服技術(shù)的發(fā)展方向，有望得到廣泛的應用。 盡管我國的 稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平 ，但是這些優(yōu)勢還沒有完全發(fā)揮出來， 因此，對我國來說，永磁同步電動機 的發(fā)展還任重而道遠，還有很大潛力可開發(fā)。 充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土 永磁電機為代表的各種永磁電機，對 我國國防、工農(nóng)業(yè)、航空事業(yè)的發(fā)展及綜合實力的提升 具有重要的理論意義和實用價值。 永磁同步電機的研究意義 正如前面幾節(jié)所述，永磁同步電動機 (PMSM)具有體積小、重量輕、反應快、效率高等優(yōu)點，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應用，尤其是近年來，隨著永磁材料的迅速發(fā)展，電力電子和控制技術(shù)的進步，稀土永磁同步電機將越來越多地替代傳統(tǒng)電機，應用前景非常的樂觀，因而對永磁同步電機的研究是非常有意義的。 隨著我 國航空工業(yè)的快速發(fā)展，普通電機難以滿足系統(tǒng)的要求。例如多電飛機和全電飛機是未來飛機的重要發(fā)展方向，多電飛機和全電飛機在歐美等國家和地區(qū)已經(jīng)開始研制 [4]，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是用電力作動器取代目前廣泛應用的液壓作動器，而這種取代的基本條件是電力作動器的功率密度和動態(tài)性能能否達到液壓作動器的水平，目前的普通航空用電機還不能滿足該要求，因此必須研究和開發(fā)出性能更好的電機，為發(fā)展各種先進的航空設備和工業(yè)系統(tǒng)奠定基礎 [5]。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 3 論文主要研究內(nèi)容 永磁同步電機隨著其本身的特點，在國內(nèi)外引起了人們的廣泛關(guān)注，所以 其應用前景非?？捎^，并加上我國得天獨厚的最大稀土占有國的優(yōu)勢，永磁電機必會在我國形成一個應用高潮。 所以本文主要講述了幾種永磁同步電機的控制方式，并重點分析了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。 又由于矢量控制還是一個很不成熟的領(lǐng)域，還有很多的問題有待研究。為促進永磁同步電機控制理論的發(fā)展，本文對現(xiàn)有的一些永磁同步電機矢量控制方式進行了概括分析，提出了永磁同步電機矢量控制方案，并建立了一套完整的仿真和試驗平臺，為進一步研究永磁同步電機矢量控制提供了實用的物質(zhì)基礎。 本文分了五章節(jié)去講述了永磁同步電機： 第一章主要講述了 永磁同步電機在國內(nèi)外的發(fā)展概況、研究現(xiàn)狀、永磁同步電機的研究意義和本文主要研究內(nèi)容。 第二章著重闡述了永磁同步電機系統(tǒng)，包括其結(jié)構(gòu)、分類、特點和工作原理，以及永磁同步電機的數(shù)學模型。 第三章著重介紹了永磁同步電機控制策略，包括恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制，并比較了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點。 第四章應用矢量控制在 Matlab 環(huán)境中對永磁同步電機進行建模和仿真。 第五章是研究總結(jié)以及未來研究方向和展望。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 4 2 永磁同步電機系統(tǒng) 永磁式同步電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高， 和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。 永磁同步電機的分類和結(jié)構(gòu) 永 磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波 [6]。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調(diào)速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機 (PMSM)調(diào)速系統(tǒng)或調(diào)速永磁同步電動機 ；而由梯形波 (方波 )永磁同步電動機組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機 (BLDCM)調(diào)速系統(tǒng) [7]。 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內(nèi) 置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁同步電動機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能特點有所不同。 采用正弦波的永磁同步電動機可根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)的內(nèi)磁式永磁同步電動機；一是永磁體安放在轉(zhuǎn)子表面的外磁式永磁同步電動機；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌 入式永磁同步電動機。 本節(jié)中采用的電機為凸裝式正弦波永磁同步電機，結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，定子繞組永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 5 一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為兩對，則電機轉(zhuǎn)速為 n=60f／ p， f 為電流頻率， P 為極對數(shù) [8]。 磁鋼 定子 圖 21 凸裝式正弦波永磁同步電機結(jié)構(gòu)圖 永磁同步電機的工作原理和特點 永磁同步電機實際工作是一種交流電機，其定子運行是三相相差的交流電，而轉(zhuǎn)子則是永磁體。但是這種電機最大的優(yōu)勢就是交流電能量由直流提供，這樣就可以對電機進行精確的 控制，而且解決了電刷帶來的壽命問題。 與傳統(tǒng)異步電機相比，永磁同步電機具有以下特點。 1． 高效率、高功率因數(shù)、節(jié)能用永磁體代替電勵磁，不需要無功勵磁電流 ， 可以顯著提高功率因數(shù)。定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有鐵耗， PMSM 的效率較電勵磁同步電機和異步電機要高。而且， PMSM 在 25%耀 120%額定負載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率 [9]，使電機在輕載運行時的節(jié)能效果更為顯著，這樣，在長期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。 2． 動態(tài)響應快速、轉(zhuǎn)速平穩(wěn) PMSM 與異步電動機相比，具有較低的慣性，對于一定的電動機轉(zhuǎn) 矩具有較快的響應，即轉(zhuǎn)矩 /慣性比高 [10]。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 6 3． 體積小、重量輕隨著高性能永磁材料的不斷應用， PMSM 的功率密度大大提高，與同容量異步電機相比，其體積和重量有較大的減少。 4． 應用范圍廣、可靠性高 ， 在醫(yī)療器械、化工、輕紡、儀器儀表等領(lǐng)域均獲得應用。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機沒有電刷，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性 [11]。 永磁同步電機數(shù)學模型 當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切 割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應漏電動勢。此外，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組。從而產(chǎn)生空載電動勢。為了便于分析，在建立數(shù)學模型時，假設以下參數(shù)： ① 忽略電動機的鐵心飽和；②不計電機中的渦流和磁滯損耗； ③ 定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波；④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度 [12]。 在分析同步 電動機的數(shù)學模型時，常采用兩相同步旋轉(zhuǎn) (d， q)坐標系和兩相靜止(α， β)坐標系。圖 22 給出永磁同步電動機在 (d， q)旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。 (1) 定子電壓方程為： ??? fqi drdPu d ??? （ 21） 錯誤 !未找到引用源。 （ 22） 式中： r 為定子繞組電阻； p 為微分算子， p=d/dt ； id 、 iq 為定子電流； ud 、 uq為定子電壓； ?d 、 ?q 錯誤 !未找到引用源。 分別為磁鏈在 d， q 軸上的分量； 錯誤 !