【正文】 交流電時(shí)，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(dòng)勢(shì)。 (1) 定子電壓方程為： ??? fqi drdPu d ??? （ 21） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 np ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 26） 式中： J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差 90176。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制 是一種開(kāi)環(huán)控制，最先被應(yīng)用于異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。 或 iq 的乘積項(xiàng)，因此要得到精確的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對(duì) ? 和 id 、 iq 解耦。 它的基本思想是根據(jù)直流電機(jī)和交流電機(jī)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理上的相似性，經(jīng)過(guò)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(jī)控制方法對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分別控制，力圖改善異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性，使之具有和直流機(jī)相似的特點(diǎn)。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)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(cè)量的相電流 ia 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 參考轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。再經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與檢測(cè)到的轉(zhuǎn) 子角位置錯(cuò)誤 !未找到引用源。 經(jīng)過(guò) SVPWM 模塊調(diào)制為六路開(kāi)關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開(kāi)通與關(guān)斷。 ， PI 調(diào)節(jié)器輸出設(shè)定值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 不為 0，因?yàn)橹陛S電流給定值為 0，產(chǎn)生直軸電流 錯(cuò)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(guò)逆變器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)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(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)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(cuò)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(cuò)誤 !未找到引用源。 。 的長(zhǎng)短不變。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見(jiàn)， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 39） 坐標(biāo)系變換矩陣 錯(cuò)誤 !未找到引用源。由于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，該相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)為“ 1”態(tài)；反之，與“ ”極接通時(shí)，為“ 0”態(tài)。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。角度， 6 個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形。 —— 復(fù)系數(shù) 旋轉(zhuǎn)空間矢量 錯(cuò)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 16 對(duì)于狀態(tài)“ 1” Sabc=001 時(shí)；可知 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 /3； 3) 因 此六個(gè)電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成了正六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)； 4) 六個(gè)電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)； 5) 零電壓狀態(tài) 7 位于六邊形中心。 ：定子相繞組 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈 其中： 錯(cuò)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(dòng)機(jī)的機(jī)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(shí)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(cuò)誤 !未找到引用源。 ；磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號(hào) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ；以及估計(jì)器輸出的磁鏈扇區(qū)信號(hào)，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(hào)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(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)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(shí)要設(shè)計(jì)好 Ψ*s = f (?*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值。為了解決這些問(wèn)題，許多學(xué)者做過(guò)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(duì)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(diǎn)與性能比較 性能與特點(diǎn) 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(dòng) 連續(xù)控制，比較平滑 坐標(biāo)變換 靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 無(wú) 有 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)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(jī)能夠獲得和直流電機(jī)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(gè) 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(dòng)的電機(jī)定子三相繞組的軸線，它們?cè)诳臻g互差 120176。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯(cuò)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(yùn)動(dòng)的方向。 將其中 6 個(gè)非零的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個(gè)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(shí)間乘積平衡原理，可以得到任意一個(gè)參考電壓矢量 Ur。 （ 46） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 分別為零矢量 U U2的作用時(shí)間，零矢量可以是 錯(cuò)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 28 扇區(qū)選擇 圖 47 判斷矢量所處扇區(qū) 根據(jù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，則 B=1，否則B=0；當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 Y=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表 41 TX 和 TY賦值表 扇區(qū)號(hào) 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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 29 計(jì)算矢量切換點(diǎn) 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(jì)算 Ta、 Tb、 Tc 錯(cuò)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(jī)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(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)和矢量控制思想，所以由永磁同步電機(jī)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(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號(hào)中得到成功的應(yīng)用。通過(guò)仿真 結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性，也為實(shí)際伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。 通過(guò)本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設(shè)計(jì)理論，并針對(duì)矢量控制進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了本論文研究的有效性。對(duì)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(jī)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(diǎn)。他的悉心指導(dǎo)和鼓勵(lì)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(píng)閱論文和參加答辯的 答辯委員會(huì) 各位專家、教授！ 2020 年 5 月 25 日 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wú)私奉獻(xiàn)讓我順利地完成我的學(xué)業(yè)。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)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(shí)日益增強(qiáng)，使得永磁同步電機(jī)發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機(jī)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(huì)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(jī)的控制原理，文章講述了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和交流永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類 。 通過(guò)分析永磁電機(jī)的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對(duì) PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。 結(jié)束語(yǔ) 本文通過(guò)對(duì)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(jī)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用 Matlab/Simulink 軟件，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的模型，通過(guò)仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性，也為實(shí)際伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時(shí)，電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，在 t= 時(shí)負(fù)載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時(shí)間為 [20]。對(duì)于 Tcm Tcm Tcm3 的計(jì)算， 可用 multiportswitch 來(lái)實(shí)現(xiàn) [19]。若 TX+TY＞ TS錯(cuò)誤 !未找到引用源。 對(duì)于不同的扇區(qū) TX、 TY錯(cuò)誤 !未找到引用源。取 N=A+2B+4C。 的關(guān)系，當(dāng) ?? ＞ 0 錯(cuò)誤 !未找到引用源。坐標(biāo)變換矩陣的 Matlab 實(shí)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(cuò)誤 !未找到引用源。 坐標(biāo)變換模塊 三相永磁同步電機(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(lái)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。 （ 48） Udc 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 U2錯(cuò)誤 !未找到引用源。改變非零矢量的作用時(shí)間與總的作用時(shí)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(jī)對(duì)稱工作，必須三相同時(shí)供電，即在任一時(shí)刻一定有處于不同橋臂下的三個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通，而相應(yīng)橋臂的另三個(gè)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(cuò)誤 !未找到引用源。[16]。直接針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，把逆變器和異步電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)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(guò)對(duì) PMSM 本體、 d/q 坐標(biāo)系向 a/b/c 坐永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 23