【正文】 相集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等；3）電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO 、理想開關和一個多功能橋等。普通同步電動機有定子和轉子兩大部分組成，電動機定子有定子鐵心、定子繞組和機殼組成。 同步電動機的工作原理，就是電動機定子的旋轉磁場以磁場拉力拖著電動機轉子的同步地旋轉。與傳統(tǒng)同步電機定子結構基本相同，永磁同步電機定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y型連接的對稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機殼及端蓋等部分組成。日前，永磁同步電機常用的永磁材料是釹鐵硼合金（Nd Fe B）和釤鈷合金（SmCo5，SmCo17） 。而對其他結構，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Lq ，表現(xiàn)出凸極電機的性質。由于此種轉子磁路結構具有不對稱性，產(chǎn)生的磁阻轉矩有利于提高電機的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運行場合。（二）分 類： 永磁同步電機的分類方法很多。 永磁同步電機的特點與應用 現(xiàn)在永磁同步電機的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機 功率范圍，且延伸至大功率領域。雖然永磁同步電動機轉子結構差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有如下共同的特點：(1)體積小、質量輕。而且永磁同步電機在 25%120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機械換向裝置，成為無刷電機，這不但減少了機械和電氣損耗，而且還不會產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機機械結構簡單牢固、運行可靠。正是由于永磁同步電機這些優(yōu)點，國內許多領域用的特殊電機、高性能電機都采用永磁同步電機方案目前節(jié)能降耗已成為我國的基本國策，推廣應用永磁同步電機可以促進電機系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進節(jié)能降耗目標實現(xiàn)。國內外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉矩脈動。效率較高的永磁同步電機是 SPP 系統(tǒng)的效率得到明顯提高。1996 年，豐田汽車公司研制的電動車 RAV4 就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅動電機，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機可以達到最大功率 50KW，最高轉速 1300r/min。永磁同步電機已成為電機工業(yè)技術的主要發(fā)展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。通常按照電動機慣例規(guī)定各物理量的正方向。轉子磁鏈在各相繞組中的磁鏈分別為： （21）????????????)32πcos(θψfCBA 電壓平衡方程三相永磁同步電機的定子繞組和普通三相交流感應電機或同步電機的定子繞組很相似的，三相繞組空間分布，軸線互差 120176。由此得到定子電壓方程式： （22）pψRsAAiu?? （23）BB （24）CCi其中： ， ， 三相繞組電壓；uAB 每相繞組電阻；Rs ， ， 三相繞組相電流；iABC , , 三相繞組匝鏈的磁鏈；ψ 微分算子。由于圓形旋轉磁場對于空間任意一點確定的 位置仍然表現(xiàn)為脈動的磁場，而且任意時α刻圓形旋轉磁場的空間分布仍然具有正弦規(guī)律，因此由式（213）可以看出，對于每一相定子電樞來說，繞組軸線的空間位置角 是確定的，轉子圓形旋轉θ磁場相當于是兩個正交的脈振磁場的疊加，如圖所示：該圓形旋轉磁場從定子上觀測，相當于一個同 A 相繞組垂直按照正弦波規(guī)律變化的脈振磁場 的疊ψf?A加，即有： （213）cosθψf?A （214）inff?與 A 相繞組軸線正交的脈振磁場 在 A 相繞組中匝鏈等于 0，因此f?在 A 相繞組中產(chǎn)生的感應電勢也是等于 0。 磁同步電機 ABC 坐標下數(shù)學模型三相永磁同步電機的定子中有三相繞組，其繞組軸線分別為 A、B 、C,且彼此相差 120176?？臻g電角度，如圖 24，圖中 為αV??、矢量在 坐標系的投影。第三章 永磁同步電機控制系統(tǒng)工作原理 PWM（PULSEWIDTH MODULATION）技術脈寬調制（PMSM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，從測量、通信到功率控制與變換等許多領域中被廣泛應用。電壓或電流是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。在接收端，通過適當?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。由于 PWM 可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。在 70 年代開始至 80 年代初，由于但是大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管，載波頻率一般最高不超過 5KHz，電機繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關注。電流環(huán)是 PMSM 系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應速度、改善控制性能的關鍵。滯環(huán)控制響應速度快，主要用在模擬控制中；電壓控制的理論基礎是空間矢量PWM 控制，提高了逆變器的電壓輸出能力，保持恒定的開關頻率，適合數(shù)字控制。因而電流環(huán)的動態(tài)響應特性直接關系到矢量控制策略的實現(xiàn)，研究同步電動機矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。電流環(huán)滯控制電流波形示意圖如圖 41 所示。圖 31 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型圖 32 PI 轉速調節(jié)器圖 33 PWM 逆變器圖 34 dq 向 abc 轉換模塊 PMSM 控制系統(tǒng)的運行原理電機調速的控制性能，可以歸結為主要是對電機轉矩的控制。在這些理論研究成果的基礎上，1971 年德國西門子公司的 等發(fā)表的論文《感應電機磁場定向的控制原理》和美國 與 申請的專利《感應電機定子電壓的坐標變換控制》 ，經(jīng)過各國學者和工程師的研究、實踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普通應用的交流電機磁場定向控制系統(tǒng)，也成矢量控制系統(tǒng)。由于收到功率開關元件、永磁材料和驅動控制技術發(fā)展水平的制約，永磁同步電機最初都采用矩形波形式，在原理和控制方式上基本與直流電機系統(tǒng)類似，習慣稱為永磁同步電機。永磁同步電機的轉子勵磁永久磁鐵提供。永磁同步電機的電氣部分和機械部分都用二階狀態(tài)方程表示，并且模型假定定子磁通是爭先分布的，因此產(chǎn)生的感應電動勢也是正弦的。Tm第四章 永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真設計 DQ 坐標系與 ABC 三相坐標系轉換在交流電機中三相對稱繞組通過三相對稱電流可以在電機氣隙中產(chǎn)生空間旋轉的磁場，在功率不變的條件下，按磁動勢相等原則，三相對稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉磁場可以用兩相對稱繞組來等效，三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系的變換原則建立了磁動勢不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動勢之間的關系。為什么非要交換呢，因為要對電機進行控制（速度控制） ，使電機按照我們的意圖去運轉，必須控制加到電機轉子上的轉矩，而轉矩與三相電流之間的直接對應關系是沒法直接寫出來的，只有通過變換，才可以清楚地找出這個對應關系。120cos(N176。后來發(fā)現(xiàn)其實 就不存在，因此，N必須把這兩個匝數(shù)放在矩陣內部。希望中間變換矩陣具有這一性質。變換為： （46）???????????????????? iiCiiKii BABA2301N230??利用 ，即 得 （47）CT1??EE???????????????3K02N3得 ,可以去掉沒有用處的第三行21,3N2?KClarke…..變換： …………… （48）??????????????iii CBA230132??這就是 clarke 正變換，它唯一確定了從三相到兩相之間為使磁場相同，電流值的變換。大家知道：轉子連同負載是一個慣性環(huán)節(jié)，如果能夠控制施加給轉子的扭矩，則可以隨意控制電機的轉速。 PI 調節(jié)器正確選取 PI 調節(jié)器的比例增益和積分增益，直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。圖 45 PI 調節(jié)器控制原理流程圖線性系統(tǒng)的性能指標決定于系統(tǒng)本身的特性，而與輸入信號的大小無關，同一個線性系統(tǒng)對不同幅值階躍輸入的瞬態(tài)響應間的區(qū)別，僅在于幅值成比例地變化，響應時間完全相同，單位階躍輸入瞬態(tài)響應特性曲線，其中各參數(shù)含義如下：(1)延遲時間 ，相應曲線第一次達到穩(wěn)定值的一半所需的時間；td(2)上升時間 ，相應曲線從穩(wěn)態(tài)值的 10%上升到 90%~100%所需的時間；r(3)峰值時間 ，相應曲線到達第一個峰值所需的時間；tp(4)最大超調量 ，從 1 開始計算相應曲線的最大超調值；M(5)調整時間 ，在相應曲線的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的百分數(shù)作為一個允許ts范圍，相應曲線第一次到達并保持在這一允許誤差范圍所需的時間；(6)靜差 ，指動態(tài)過程終了時，被調參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，可ΔXs正可負，靜差用 表示，數(shù)值大小由生產(chǎn)過程所要求的精度來確定，如果=0，為無差調節(jié)，如果 0，為有差調節(jié)，靜差屬于調整精度的一個s s重要指標。因此，原始系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以得以改善，即如果響應的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)，PI 控制將會減小到 0?，F(xiàn)在的問題就是選擇合適的值才能夠得到滿意的瞬態(tài)響應。采用電力系統(tǒng)模型庫，可建立 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型。因此，若能對電流實行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制獲得更好的性能。根據(jù)電流偏差的符號相應地直接輸出+155V，然后采用可控電壓源模塊將此僅有數(shù)學意義的 SIMULINK 信號轉化為具有電氣意義的電壓信號，送入PMSM 的定子遭阻輸入 ABC 連接三相電壓，輸入端接入機械轉矩信號。Te 仿真結果該系統(tǒng)的電流限幅值設為 30A，系統(tǒng)空載啟動，在 時突然加負載轉矩 。圖 410 為系統(tǒng)在開環(huán)情況時，負載突變對轉速的影響，可以看到這時的轉速無法滿足系統(tǒng)。仿真結果表明：系統(tǒng)輸出能夠較快地跟隨輸入，具有較好的穩(wěn)定性，同時也表明該系統(tǒng)具有較強的抗干擾性和魯棒性。PMSM 輸出為矢量。當環(huán)寬 2h 選的較大時，可降低開關頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關頻率增大了，這是一對矛盾的因素。轉速調節(jié)器輸出量 dp/abc 坐標變換，得到 abc 三相定子電流的給定，作為電流調節(jié)器（PWM 逆變器）的輸入。經(jīng) dq/abc 坐標變換得到三相電流給定值，相電流給定信號與相電流反饋信號相比較，經(jīng)過電流調節(jié)器的調節(jié)和PWM 產(chǎn)生電路控制逆變器的 PWM 型號，從而控制電機的三相電流。但因為系統(tǒng)是三階的，它可能臂二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)形更差，甚至如果和 的值選擇不當系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。校正系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為： （4)2()K()(G(s)2??niPnPC SSωS???19）顯然 PI 控制器的作用為：1 在前向通道傳遞函數(shù) 處增加了一個零點。對于偏差Kpi信號，如果只調節(jié) ，雖然調節(jié)系統(tǒng)響應速度快，沒有滯后現(xiàn)象，但有靜差；Kp如果只調節(jié) ，雖然調節(jié)系統(tǒng)響應速度慢，有滯后現(xiàn)象，但沒有靜差；因此，i對于比例增益 和積分增益 ，一般都采用組合使用。從物理模型來講，驅動器只能調控三相電壓（或說電流） ，通過檢測也只能檢測出每個相的電流。這個好理解，直接寫出就可以。因為轉換矩陣不是方陣，不能求逆。這樣做是通過確定匝數(shù)比，使得在兩種坐標系下電流矢量相等則磁動勢矢量也相等，這樣就避開了匝數(shù)的干擾。23 （43）????????iiiCBA21N2? （4?ii CB3023?4）矩陣形式是： （4??????????????iii CBA2301N23??5）因為要確定 和 ,必須想個辦法。??變換的原則：兩者的磁場（磁動勢）完全等效，磁動勢等于電流與匝數(shù)的乘積。變換的目的是從中找出另外一個與電機轉矩有直接關系的“狀態(tài)量”——轉矩電流，來控制轉矩。電機方程如下：電路方程為： )*()*()( PLiRidriqdqdt ??? Lrpu qridqt ?????)(1??iipTe5.? 式中， 為 軸電成； 為定子繞組電阻； 為 軸Ldq、 、 Riqd、 、電流分量； 為 軸電壓分量； 為轉子角速度； 為極對數(shù)；u、 、 r?p為電磁轉矩。永磁同步電機模型如圖，有四個輸入端，一個輸出端，其中 A，B ，C 鏈接三相電壓，輸入端 TM 接入機械轉矩信號。交流電機是一個非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。這一原理的基本出發(fā)點是考慮到交流電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準確地控制電磁轉矩。而交流電機的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉矩與磁場是復雜耦合的，不能簡單地實現(xiàn)解耦控制，所以交流電機的轉矩控制長期以來成為電機調速領域的難題。當實際電流增大到與給定電流相等時，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，V1 保持導通，使實際電流繼續(xù)增大直達到 ，使滯環(huán)翻轉，滯環(huán)控制器輸出負電平，關斷aref??iV1，并經(jīng)延時后驅動 V4。圖 41 具有電流滯環(huán)的 A 相控制原理圖圖 42 電流滯環(huán)跟蹤控制電流波形示意圖滯環(huán)控制器是環(huán)寬為 2h，將給定電流與輸出電流經(jīng)行比較，電流偏差超過 h?時，經(jīng)滯環(huán)控制器控制逆變器 A 相上（或下）橋臂的功率器件動作。尤其的電流環(huán)，他是高性能 PMSM 系統(tǒng)構成的根本，其動態(tài)響應特性直