【正文】 交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。從而產(chǎn)生空載電動勢。 (1) 定子電壓方程為： ??? fqi drdPu d ??? （ 21） 錯誤 !未找到引用源。 np ； 錯誤 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 錯誤 !未找到引用源。 （ 26） 式中： J 為電機的轉(zhuǎn)動慣量。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差 90176。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制 是一種開環(huán)控制，最先被應(yīng)用于異步電機的調(diào)速系統(tǒng)。 或 iq 的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對 ? 和 id 、 iq 解耦。 它的基本思想是根據(jù)直流電機和交流電機在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理上的相似性，經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)變換或坐標(biāo)變換，使二者的電路方程發(fā)生聯(lián)系，然后用模擬直流電機控制方法對交流電動機進(jìn)行磁場和轉(zhuǎn)矩的分別控制，力圖改善異步電動機的轉(zhuǎn)矩控制特性，使之具有和直流機相似的特點。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。 矢量控制的組成和 原理 1) SVPWM 模塊。 圖 31 矢量控制原理圖 1) 將電流讀取模塊測量的相電流 ia 和 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 參考轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。再經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 錯誤 !未找到引用源。 與檢測到的轉(zhuǎn) 子角位置錯誤 !未找到引用源。 經(jīng)過 SVPWM 模塊調(diào)制為六路開關(guān)信號從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷。 ， PI 調(diào)節(jié)器輸出設(shè)定值 錯誤 !未找到引用源。 不為 0，因為直軸電流給定值為 0，產(chǎn)生直軸電流 錯誤 !未找到引用源。 ，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過程，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器容量不能充分利用?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。當(dāng) 輸出轉(zhuǎn)矩一定時，逆變器輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。 （ 31） 考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為 錯誤 !未找到引用源。 （ 35） 如果三相繞組是 Y 形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 于是 錯誤 !未找到引用源。 。 的長短不變。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見， 錯誤 !未找到引用源。 （ 39） 坐標(biāo)系變換矩陣 錯誤 !未找到引用源。由于 錯誤 !未找到引用源。 、 錯誤 !未找到引用源。 i?Oq??qii?ds inqi ??s??dis i ndi ?c osqi ?()ssFi1?dUAS BS CSAS BS CS+永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 14 圖 34 PWM 逆變器模型 若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“ +”極接通時，該相的開關(guān)狀態(tài)為“ 1”態(tài)；反之，與“ ”極接通時，為“ 0”態(tài)。 和 錯誤 !未找到引用源。角度， 6 個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形。 —— 復(fù)系數(shù) 旋轉(zhuǎn)空間矢量 錯誤 !未找到引用源。 （ 314） ( 1 0 0 )su( 1 1 0 )su( 0 1 0 )su( 0 1 1 )su( 0 0 1 )su ( 1 0 1 )su( 0 0 0 )su( 1 1 1 )su??abca?b?c?12 34567永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 16 對于狀態(tài)“ 1” Sabc=001 時；可知 錯誤 !未找到引用源。 /3； 3) 因 此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點； 4) 六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)； 5) 零電壓狀態(tài) 7 位于六邊形中心。 ：定子相繞組 錯誤 !未找到引用源。 ：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈 其中： 錯誤 !未找到引用源。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響 應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。 DTC 方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在圖 37 中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制， 錯誤 !未找到引用源。 ；磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號 錯誤 !未找到引用源。 ；以及估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字給 Sa、 Sb、 Sc 變器。 2) 磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器： 用滯環(huán)控制器取代通常的 PI 調(diào)節(jié)器。 3) 由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載 變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時要設(shè)計好 Ψ*s = f (?*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時的磁鏈給定值。為了解決這些問題，許多學(xué)者做過不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。這相當(dāng)于對三相電流 ia、 ib、 ic施加 Park 變換。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 表 32 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點與性能比較 性能與特點 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈 轉(zhuǎn)子磁鏈 轉(zhuǎn)矩控制 砰 砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動 連續(xù)控制，比較平滑 坐標(biāo)變換 靜止坐標(biāo)變換，較簡單 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 無 有 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 22 影響 調(diào)速范圍 不夠?qū)? 比較寬 小結(jié) 這章 詳細(xì)講述了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制原理并對它們進(jìn)行了簡單的比較。在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，矢量控制原理以及空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）技術(shù)使得交流電機能夠獲得和直流電機相媲美的性能 [15]。 本章介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理并給出了坐標(biāo)變換模塊、 SVPWM 模塊以及整個 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型，給出了仿真模型結(jié)構(gòu)圖和仿真結(jié)果。在圖 41 中， A、 B、 C 分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差 120176。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯誤 !未找到引用源。 （ 45） 式 （ 45） 表明：電壓矢量的大小等于磁鏈的變化率，而電壓矢量的方向就是磁鏈運動的方向。 將其中 6 個非零的開關(guān)狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個空間電壓矢量，如圖43 所示。 現(xiàn)在以 U U2作用區(qū)間為例，根據(jù)電壓和時間乘積平衡原理，可以得到任意一個參考電壓矢量 Ur。 （ 46） 錯誤 !未找到引用源。 分別為零矢量 U U2的作用時間，零矢量可以是 錯誤 !未找到引用源。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大 大減小。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 28 扇區(qū)選擇 圖 47 判斷矢量所處扇區(qū) 根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。 ，則 B=1，否則B=0；當(dāng) 錯誤 !未找到引用源。 Y=錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 表 41 TX 和 TY賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI TX Z Y Z X X Y TY Y X X Z Y Z 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 29 計算矢量切換點 Tcm1， Tcm2， Tcm3 定義： 則在不同的扇區(qū)內(nèi) Tcm Tcm Tcm3 根據(jù)表 42 進(jìn)行賦值。 圖 410 計算 Ta、 Tb、 Tc 錯誤 !未找到引用源。轉(zhuǎn)速以直線上升，迅速達(dá)到給定值 400rad/s。首先，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流控制系統(tǒng)，由于永磁同步電機的許多優(yōu)點和矢量控制思想，所以由永磁同步電機構(gòu)成 的交流控制系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的控制性能；其次，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(yīng)用。通過仿真 結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。 通過本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設(shè)計理論，并針對矢量控制進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果進(jìn)一步證實了本論文研究的有效性。對于控制方法，本論文主要矢量控制入手，提出了相應(yīng)的永磁同步電機的控制穩(wěn)定性理論，提出更好的控制方法將是以后研究的重點。他的悉心指導(dǎo)和鼓勵使我克服了在研究中遇到的諸多困難，在本文即將付梓之際，我內(nèi)心充滿感激之情，在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的 答辯委員會 各位專家、教授！ 2020 年 5 月 25 日 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 36 參考文獻(xiàn) [1]. Du Qu Wei,Xiao Shu Luo,Bing Hong Wang,Jin Qing Fang,Robust adaptive dynamic surface control of chaos in permanent mag synchro。 最后，我愿把最真摯的謝 意送給我的家人，感謝他們自始至終生活上給我的關(guān)心和精神上的理解支持，是他們的無私奉獻(xiàn)讓我順利地完成我的學(xué)業(yè)。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 35 致 謝 本文的完成首先歸功于我的導(dǎo)師 —— X 教授。 未來研究方向和展望 21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識日益增強，使得永磁同步電機發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統(tǒng)，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，結(jié)構(gòu)型式將日趨多樣化，也將會贏更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應(yīng)用。 (2)根據(jù)永磁同步電機的控制原理，文章講述了永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型和交流永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和分類 。 通過分析永磁電機的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對 PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。 結(jié)束語 本文通過對電壓空間矢 量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，運用 Matlab/Simulink 軟件，構(gòu)建了永磁同步電機控制系統(tǒng)的模型，通過仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時，電機負(fù)載啟動，在 t= 時負(fù)載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時間為 [20]。對于 Tcm Tcm Tcm3 的計算， 可用 multiportswitch 來實現(xiàn) [19]。若 TX+TY＞ TS錯誤 !未找到引用源。 對于不同的扇區(qū) TX、 TY錯誤 !未找到引用源。取 N=A+2B+4C。 的關(guān)系，當(dāng) ?? ＞ 0 錯誤 !未找到引用源。坐標(biāo)變換矩陣的 Matlab 實現(xiàn)如圖 45 和圖 46 所示： 圖 45 d、 q— a、 b、 c 變換 圖 46 a、 b、 c－ 錯誤 !未找到引用源。 坐標(biāo)變換模塊 三相永磁同步電機矢量控制的基本思想是把交流電機當(dāng)成直流電機來控制，即模擬直流電機的控制特點進(jìn)行永磁同步電機的控制。 （ 48） Udc 錯誤 !未找到引用源。 和 U2錯誤 !未找到引用源。改變非零矢量的作用時間與總的作用時間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值。為使電機對稱工作，必須三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的三個器件同時導(dǎo)通，而相應(yīng)橋臂的另三個功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。 磁鏈和電流空間矢量、電壓平衡方程的矢量表示 錯誤 !未找到引用源。[16]。直接針對這個目標(biāo)，把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制 PWM 電壓，這樣的控制方法稱為“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM 控制”。本章在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，通過對 PMSM 本體、 d/q 坐標(biāo)系向 a/b/c 坐永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 23