【正文】 影響，但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。而且由于它對(duì)實(shí)時(shí)性要求高、計(jì)算量大，對(duì)控制系統(tǒng)微處理器的性能要求也較高?！?10】【 11】 矢量控制的 基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo) 上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。 【 6】 控制策略的選擇上是 PID 控制 ， 傳統(tǒng)的數(shù)字 PID 控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法， 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便 。 永磁交流伺服控制系統(tǒng) 的發(fā)展趨勢(shì)。 永磁交流伺服 控制 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如下： (1)電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是永磁同步電機(jī)將會(huì)取代原有直流有刷伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)及感應(yīng)電機(jī)。因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)相對(duì)其他形式 的電機(jī)有著顯著的優(yōu)勢(shì)如： A)永磁同步電機(jī)在基速以下不需要?jiǎng)?lì)磁電流，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，可以顯著提高功率因數(shù) (可達(dá)到 l 甚至容性 )； B)永磁同步電動(dòng)機(jī)不設(shè)電刷和滑環(huán)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高； c)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣，結(jié)構(gòu)靈活，而且不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)往往帶來自身性能上的特點(diǎn)，因 3 而永磁同步電動(dòng)機(jī)可根據(jù)使用需要選擇不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。而且在相同功率下，永磁同步電動(dòng)機(jī)在比其他形式電動(dòng)機(jī)具有更小的體積。 【 12】【】 16我國(guó)制作永磁電機(jī)永磁材料的稀土資源豐富， 1984 年 7 月，我國(guó)成為世界上第三個(gè)能研制和生產(chǎn)第三代稀土釹鐵硼永磁材料的國(guó)家，稀土資占全世界的 80％以上，發(fā)展永磁電機(jī)具有廣闊的前景。 【 5】【 12】 (2)高性能控制策略廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)?；诔Ｒ?guī)控制理論設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)存在缺陷和不足：傳統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)通常需要被控對(duì)象有非常精確的數(shù)學(xué)模型，而永磁電機(jī)是一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，難以精確的確定其數(shù)學(xué)模型，按照近似模型得到的最優(yōu)控制在實(shí)際上往往不能保證最優(yōu)，受建模動(dòng)態(tài)，非線性及其他一些不可預(yù)見參數(shù)變化的影響，有時(shí)甚至?xí)鹂刂破焚|(zhì)嚴(yán)重下降，魯棒性得不到保證。 【 7】 (3)綠色化發(fā)展。由于全球電能 的 80％以上通過電力變換裝置來消耗，作為廣泛使用的電力變換裝置的變頻器，將朝著節(jié)約能源，降低對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)環(huán)境的輻射干擾，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命的綠色化方向發(fā)展。 論文研究的主要內(nèi)容 本課題研究永磁同步電機(jī)矢量控制， 首先給出了矢量控制中用到的坐標(biāo)變換以及本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理圖，其次建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ， 給出了本驅(qū)動(dòng)器中采用的電壓空間矢量脈寬調(diào)制 (簡(jiǎn)稱 SVPWM)方法的數(shù)學(xué)模型 ，最后利用 MATLAB 仿真軟 件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真 。 1．詳細(xì)分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的分析，明確 4 了永磁同步 電機(jī)的電磁約束關(guān)系，為分析永磁同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和研究高性能的控制決策提供理論基礎(chǔ)。 2．在分析數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)，論述了矢量控制的實(shí)現(xiàn)方法。 3． SVPWM 的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，詳細(xì)分析了 SVPWM 的原理以及實(shí)現(xiàn)方法。 4．對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真， 在 MATLAB 中建立了基于 SVPWM 的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。 5 第二章 永磁 同步電機(jī)的矢量控制原理 永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種 類 1)永磁同步電機(jī)的 內(nèi)部 結(jié)構(gòu) 永磁同步電動(dòng)機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子和 外殼 等部件組成。 其中 定子由定子鐵心 (由沖槽孔的硅鋼疊壓而成 )、定子繞組 (在鐵心槽中嵌放三相繞組 )構(gòu)成。定子和普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，也是采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及磁軛組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)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(dòng)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。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(dòng)機(jī)的雜散損耗，定子繞組通常采用星形接法。【 1】【 2】 2)永磁同步電機(jī)的種 類 永磁同步電動(dòng)機(jī)分類方法較多：按工作主磁場(chǎng)原理 方向的不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式；按電樞繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；按轉(zhuǎn)子上有無啟動(dòng)繞組，可分為無啟動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)和有啟動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)(又稱為異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī) )；根據(jù)極對(duì)數(shù)的不同，永磁同步電機(jī)可分為單極和多極；根據(jù)磁通分布或反電動(dòng)勢(shì)波形，可分為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)中沒有包含有高次諧波，渦流和磁滯損耗減少，電機(jī)效率 6 增加。永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，主要原因是永磁同步電動(dòng)機(jī)不存在相間換流時(shí)的沖擊電流。 【 7】【 10】 電機(jī) 控制中用到的坐標(biāo)系 交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有高階次，多變量耦合，非線性等 特征，難以直接應(yīng)用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制，與直流電機(jī)單變量，自然解耦和線性的數(shù)學(xué)模型相比 較 ，交流電機(jī)顯得異常復(fù)雜。因此 需要 通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，將交流電機(jī)的控制變換為類似直流電機(jī)的控制將大大簡(jiǎn)化交流電機(jī)控制的復(fù)雜程度。 【 12】 永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想是把交流電機(jī)當(dāng)成直流電機(jī)來控制 ,即模擬直流電機(jī)的控制特點(diǎn)進(jìn)行永磁同步電機(jī)的控制。為簡(jiǎn)化感應(yīng)電機(jī)模型 ,可將電機(jī)三相繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)按平面矢量的疊加原理進(jìn)行合成和分解 ,使得能夠用兩相正交繞組來等 效實(shí)際電動(dòng)機(jī)的三相繞組。由于兩相繞組的正交性 ,變量之間的耦合大大減小。 【 13】 系統(tǒng) 中的坐標(biāo)系 1)三相定子坐標(biāo)系 ( 坐標(biāo)系 ) 其中 三相交流電機(jī)繞組軸線分別為 ，彼此之間互差 120 度空間電角度，構(gòu)成了一個(gè) U— V— W 三相坐標(biāo)系?？臻g任意一矢量在三個(gè)坐標(biāo)上的投影代表了該矢量在三個(gè)繞組上的分量。 2)兩相定子坐標(biāo)系 (α — β 坐標(biāo)系 ) 兩相對(duì)稱繞組通以兩相對(duì)稱電流也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。對(duì)于空間的任意一矢 7 量，數(shù)學(xué)描述時(shí)習(xí)慣采用兩相直角坐標(biāo)系來描述，所以定義一個(gè)兩相靜止坐標(biāo)系，即 α — β 坐標(biāo)系，它的 軸 α 和三相定子坐標(biāo)系的 A 軸重合， β 軸逆時(shí)針超前 α 軸 90 度空間電角度。由于 α 軸固定在定子 A 相繞組軸線上，所以 α —β 坐標(biāo)系也是靜 止坐標(biāo)系。 3)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 (d— q 坐標(biāo)系 ) 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 d 軸位于轉(zhuǎn)子磁鏈軸線上， q 軸逆時(shí)針超前 d 軸 90 度空間電角度，該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間上以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，故為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)， d 軸是轉(zhuǎn)子磁極的軸線。 矢量控制中用到的變換有 :將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 (Clarke 變換 )和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換 (Park變換 )。 由三項(xiàng)平面坐 標(biāo)系向兩相平面坐標(biāo)系（ Clarke 變換） 三相 同步 電 動(dòng) 機(jī)的集中繞組 U、 V、 W的軸線在與轉(zhuǎn)子垂直的平面分布如上圖所示，軸線依次相差 120176。， 可將 每相繞組在氣隙中產(chǎn)生的磁勢(shì)分別記為：Fu、 Fv、 Fw。 由于 Fu、 Fv、 Fw不會(huì)在軸向上產(chǎn)生分量，所以可以把氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的平面場(chǎng) 。 簡(jiǎn)單起見， 可 以 U為α軸，由α起逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90176。作β軸，建立起二維坐標(biāo)系，用此兩相坐標(biāo)系（αβ）產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)來等效三相靜止坐標(biāo)系（ uvw）產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì) .【 22】【 24】 如圖 21 8 圖 21 clarke變換 用 F來表示三相繞組所產(chǎn)生的總磁動(dòng)勢(shì)， Fα ,Fβ分別表示α，β軸上的集中繞組所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)，則三相繞組在氣隙中產(chǎn)生 F可以由α，β兩相繞組來等效產(chǎn)生，所以可得 （ 21） 關(guān)系式： 23[ ] [ ]uu v w vwIIF F F N F F F N IIIaabb輊犏輊犏犏== 犏犏犏犏臌 犏臌 N2為兩相繞組α，β的匝數(shù)， N3為三相繞組 u、 v、 w的匝數(shù)。根據(jù)上式可以得到電流的變化矩陣： 31 1 / 2 1 / 2/20 3 / 2 3 / 2uuvvwwIIIN N I T IIIIab輊輊輊 犏犏輊 犏犏 =? 犏 犏犏犏犏犏臌 臌 犏犏臌臌 滿足功率不變的變換時(shí)，應(yīng)有： 32/ 2 / 3NN = 所以可得由 U,V,W到αβ轉(zhuǎn)換的 （ 24） 公式所示： （ 23） （ 22） （ 21） 9 1 1 / 2 1 / 223 0 3 / 2 3 / 2T輊 犏=? 犏犏臌 由αβ到 U， V， W變換的 （ 25） 公式所示： 102 1 33 2 21322輊犏犏犏犏犏犏犏犏犏臌 兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系變換（ Park 變換 ） 經(jīng)過 Clarke變換后