【正文】 于各種場合 ， 可以驅(qū)動不同類型的電機(jī) ， 也可以適應(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。 5． 智能化 ：現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能 ，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能 ， 有的可以自動辨識電機(jī)的參數(shù) ， 自動測定編碼器零位 ， 有些則能自動進(jìn)行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟 蹤、插補(bǔ)運(yùn)動等控制功能和驅(qū)動結(jié)合在一起。 6． 網(wǎng)絡(luò)化和模塊化 ：隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展 ， 傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)落伍 ， 最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測性維護(hù)技術(shù) ， 使得人們可以通過 Intemet 及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢 ， 并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高 ， 負(fù)載變化時評估尖峰電流 ， 外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器 ， 以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕 [3]。 本文的主要內(nèi)容 本文主要目的是通過 Matlab 中的 sumlink環(huán)境中進(jìn)行永 磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真調(diào)試 ， 具體的內(nèi)容如下： 第一章 緒論 ： 通過各種資料了解本課題的研究背景及意義 ， 分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究趨勢 。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展 ，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛 ， 研究提升已有的系統(tǒng)的性能需要一個利于研究的平臺 ， 在這一點(diǎn)上國內(nèi)外的差距在于我們國內(nèi)的研究重視還不夠。 第二章 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 ： 分析建立 了 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的 ， 具體的細(xì)分到 PMSM 在三種不同坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程以及它們之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 ， 并簡單了解了 PMSM 的控制策略。 第三章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ： 主要 講解關(guān)于 PMSM 的核心空間矢量 脈寬 調(diào)制（ SVPWM）的仿真模型的建立 ， 要用的工具有 MATLAB軟件 ， 了解 SVPWM 的概念以及建立 SVPWM 模塊。 4 第四章 基于 Matlab 的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ：講述了 PMSM仿真模塊整體的建構(gòu)以及仿真參數(shù)的調(diào)試及結(jié)果分析的一章 ， 通過分塊建構(gòu)模型 ，最后集成整體模型的方式完成整體建構(gòu) [4]。 第五章 總結(jié)與展望 ：總結(jié)本文的主要研究內(nèi)容，并對后續(xù)要做的進(jìn)行展望 。 5 第二章 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 引言 20 世紀(jì) 80 年代 ， 永磁材料特別是具有高磁能積、高 強(qiáng) 磁力、低廉價格的銣鐵硼永磁材料的發(fā)展 ， 使人們研制出了價格低廉、體積小巧、性能高的永磁同步電機(jī) [5]。永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子通常使用永磁體 ， 無電勵磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和勵磁損耗問題 ， 運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都較高 ， 因而此類永磁同步電機(jī)在數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng) 領(lǐng)域中 逐漸成為了主流 [5]。本章在簡要介紹永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和分類的基礎(chǔ)上 ， 分析推導(dǎo) 出 永磁同步電機(jī) 相關(guān) 的數(shù)學(xué)模型。 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動電流的永磁同步電機(jī)。本文主要 以三相正弦波驅(qū)動永磁同步電機(jī)作為研究對象。和普通同步電機(jī)一樣 ， 永磁同步電動機(jī)由定子 ， 轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。定子由定子鐵心 (由沖有槽孔的硅鋼片 受 壓而成 )、定子繞組 (在鐵 芯槽 中 嵌入 三相電樞繞組 )構(gòu)成。定子和普通感應(yīng)電動機(jī)基本相同 ， 也是采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機(jī)運(yùn)行時的鐵耗。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及 磁滯 組成 ， 其主要作用是在電動機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠大的磁場強(qiáng)度 ， 與通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)心的 ， 也可以用疊片疊壓而成。圖 21 為永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體 ， 轉(zhuǎn)子鐵 心上可以有電樞繞組。為了減少電動機(jī)的雜散損耗 ，定子繞組通常采用星形接法 [6]。 轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子定子 圖 21 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 6 根據(jù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)的不同 ， 永磁同步電動機(jī)分為單極電動機(jī)和多極電動機(jī)兩大類。目前制作轉(zhuǎn)子的材料多采用高性能的永磁材料有： AINiCo(鋁鎳鉆鐵磁性合金材料 )、 Ferrites(鐵氧體磁性材料 )、 RareEarth(稀土族磁性材料 )、 MnAIC(錳鋁碳磁性材料 )、 Ceramic(陶瓷磁性材料 )anNdFeB(銣鐵硼合金磁性材料 )等。目前我國的銣鐵硼磁 性材料特性水平達(dá)到世界的先進(jìn)水平 ， 因此開發(fā)和研制銣鐵硼永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有得天獨(dú)厚的有利條件。 對于無刷直流電機(jī)構(gòu)成的運(yùn)動控制系統(tǒng) ， 通常有著成本低廉、材料利用率高以及控制方式簡單等優(yōu)點(diǎn)。但由于無刷直流電機(jī)原理上存在固有缺陷 ， 使得其轉(zhuǎn)矩脈動較大 ， 鐵心附加損耗較大 ， 因此只適用于一般精度及性能要求的場合；而交流永磁同步電機(jī)作為一種特殊的同步電動機(jī) ， 它能夠克服無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的不足 ， 具有優(yōu)良的控制性能 ， 在交流驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。目前 ， 永磁同步電機(jī)已經(jīng)成為高性能驅(qū)動系統(tǒng)的主體。 永磁同步電機(jī)從轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu)上大致可以分為兩大類：表面式永磁同步電機(jī)SPMSM(Surface Permanent Ma Synchronous Motor)和 內(nèi)埋式 永磁同步電機(jī)IPMSM(Interior Permanent Mag Synchronous Motor)。對采用稀土永磁的電機(jī)來說 ， 由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近于 1， 所以表面凸 極 式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 。 而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極 間 有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料 ， 故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 。 表面式永磁同步電機(jī)定子與 轉(zhuǎn)子之間磁路分布均勻 ， 基本上與轉(zhuǎn)子位置無關(guān) 。 內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子具有明顯的磁極 ， 定子與轉(zhuǎn)子之間磁路是不均勻的 ， 與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。表面式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)上較簡單 ，轉(zhuǎn)子直徑較小 ， 從而降低轉(zhuǎn)動慣量 ， 它有較大的磁路氣隙 ， 若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感 ， 利于電機(jī)動態(tài)性能的改善。一般永磁同步電機(jī)多采用這種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)是將永磁體裝于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部 ， 制造工藝較為復(fù)雜 ， 但機(jī)械強(qiáng)度高 ， 一般適于弱磁控制的高速運(yùn)行場合 [7]。 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模型 下面我們將以三相正弦波電流驅(qū)動的永磁同步機(jī) (PMSM)為研究對象 ， 分析永磁同步電機(jī)在 ABC 坐標(biāo)系 下 的、 永磁同步電機(jī)在 0?? 坐標(biāo)系下的及在 dq0 坐標(biāo)系下 的磁鏈和電壓方程 ， 并將分析三種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換。 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 本文所研究的對象為表面式 PMSM， 它與普通電勵磁同步電機(jī)的定子一樣有 7 A， B， C 三相對稱繞組 ， 轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體 ， 定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關(guān)系。由于定子和轉(zhuǎn)子之間存在相對運(yùn)動 ， 使得這種電磁耦合關(guān)系十分復(fù)雜 ， 給電機(jī)的分析和控制帶來了困難。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ， 做如下假設(shè) [8]： (1)忽略磁飽和 ， 不計鐵心的渦流損耗和磁滯損耗 ， 認(rèn)為磁路是線性的； (2)定子繞組三相對稱 ， 各相繞組的軸線在空間上互差 120 度； (3)電機(jī)定子電樞繞組的空載電勢是正弦波 (4)定子繞組電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢 ， 忽略磁場的高次諧波； (5)轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組； (6)永磁體的電導(dǎo)率為零。 PMSM 的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生 ， 定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān) ， 轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān) ，轉(zhuǎn)子永磁體在每相繞組中產(chǎn)生反電勢。由此 ， 得到三相 PMSM在定子靜止三相 ABC坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程為 [9]： A A ABA= L c osc os ( 12 0 )= M c os ( 12 0 )A A B B A C C f eB B A A B B B B C C f eC A CB B CC C f ei M i M iM i L i M ii M i L i? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ? ??? ? ? ? ??? () 式 ()中： A,BC? ? ? 為 定子三相繞組磁鏈； AAL , ,BB CCLL為 定子三相繞組自感系數(shù)； XYM 為 定子 X 繞組和 Y 繞組的互感系數(shù)； f? 為 永磁磁極與定子繞組交鏈的最大 磁鏈。 定子繞組的自感系數(shù) AAL , ,BB CCLL和互感系數(shù) XYM 均為 e? 的函數(shù) ， 且互感系數(shù)滿足關(guān)系 AB BAMM? 、 BC CBMM? 、 CA ACMM? 。 三相永磁同步電機(jī)在定子靜止三相 ABC 坐標(biāo)下的電壓方程為 8 AAABBBCCCdu ridtdu ridtdu ridt???? ????? ????? ???? () 式 ()中： ,A B Cuuu為 定子相電壓； R 為 定子繞組每相電阻； ,A B Ciii為 定子相電流。 PMSM 在 0?? 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 定子靜止三相 ABC 坐標(biāo)系統(tǒng)到定子靜止兩相 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換為 0AClar ke BCf ff T fff???? ???? ????? ???? ?????? () 其中 Clarke 變換陣 [10]為： 111222 3 303 2 21 1 12 2 2C larkeT???????????????? （ ） 將式（ ）改寫為 c osc os ( 12 0 )c os ( 12 0 )feAAA A A B A CB B A B B B C B f eCA CB CCCC feiL M MM L M iM M L i???? ? ?? ????? ? ? ??? ????? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ?? ? ? ? ???? （ ） 在式 ()兩邊左乘 Clarke 變換陣后 ， 得 到定子靜止兩相 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程 9 100 0Cla r k efA A A B A CCl a r k e B A B B B C fCA CB CC fiL M MT M L M T iM M L i???? ? ?????? ????? ? ? ??? ??? ? ? ????? ??? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ?? () 式（ ）中 0c os c osc os ( 12 0 ) sin0c os ( 12 0 )fef ef Cl a r k e f e f ef feT????? ?? ? ? ? ?? ?????? ?????? ??? ? ????? ??? ?????? ?? （ ） 將式（ ）改寫為 A A AB B BC C Cuiu r i pui???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 式 ()中 P 為求導(dǎo)符號 ， 在方程式兩邊左乘 Clarke 變換矩陣后 ， 可得到定子靜止兩 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)下的電壓方程 0 0 0uiu r i pui? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 經(jīng)過 Clarke 變換后 ， 定子磁鏈方程和電壓方程的系數(shù)矩陣仍然與轉(zhuǎn)子位置角e? 有關(guān) ， 分析計算比較麻煩 ， 需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的解耦變化。 PMSM 在 dq0 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 dq0 坐標(biāo)系統(tǒng)是隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的 ， 其 d 軸（直軸）與轉(zhuǎn)子的磁場方向重合（定向） ， q 軸（交軸）逆時針超前 d 軸 90 電角度 [11]。如圖 22 所示。 10 S ab?q d?Ncoe?e? 圖 22