【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(guān)和一個(gè)多功能橋等。普通同步電動機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動機(jī)定子有定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。 同步電動機(jī)的工作原理，就是電動機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場以磁場拉力拖著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)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(jī)殼及端蓋等部分組成。日前，永磁同步電機(jī)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(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Lq ，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場合。（二）分 類： 永磁同步電機(jī)的分類方法很多。 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用 現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī) 功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。雖然永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有如下共同的特點(diǎn)：(1)體積小、質(zhì)量輕。而且永磁同步電機(jī)在 25%120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。與直流電動機(jī)和電勵(lì)磁同步電動機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)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(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單牢固、運(yùn)行可靠。正是由于永磁同步電機(jī)這些優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)許多領(lǐng)域用的特殊電機(jī)、高性能電機(jī)都采用永磁同步電機(jī)方案目前節(jié)能降耗已成為我國的基本國策，推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)可以促進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。國內(nèi)外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機(jī)，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機(jī)，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動。效率較高的永磁同步電機(jī)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(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機(jī)可以達(dá)到最大功率 50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。永磁同步電機(jī)已成為電機(jī)工業(yè)技術(shù)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(jī)慣例規(guī)定各物理量的正方向。轉(zhuǎn)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(jī)的定子繞組和普通三相交流感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)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(zhuǎn)磁場對于空間任意一點(diǎn)確定的 位置仍然表現(xiàn)為脈動的磁場，而且任意時(shí)α刻圓形旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子圓形旋轉(zhuǎn)θ磁場相當(dāng)于是兩個(gè)正交的脈振磁場的疊加，如圖所示：該圓形旋轉(zhuǎn)磁場從定子上觀測，相當(dāng)于一個(gè)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(yīng)電勢也是等于 0。 磁同步電機(jī) ABC 坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型三相永磁同步電機(jī)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(biāo)系的投影。第三章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理 PWM（PULSEWIDTH MODULATION）技術(shù)脈寬調(diào)制（PMSM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，從測量、通信到功率控制與變換等許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。電壓或電流是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)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(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。由于 PWM 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。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(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過 5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。電流環(huán)是 PMSM 系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快，主要用在模擬控制中；電壓控制的理論基礎(chǔ)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(guān)頻率，適合數(shù)字控制。因而電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動機(jī)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖 33 PWM 逆變器圖 34 dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊 PMSM 控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上，1971 年德國西門子公司的 等發(fā)表的論文《感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理》和美國 與 申請的專利《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》 ，經(jīng)過各國學(xué)者和工程師的研究、實(shí)踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普通應(yīng)用的交流電機(jī)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(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動控制技術(shù)發(fā)展水平的制約，永磁同步電機(jī)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(jī)系統(tǒng)類似，習(xí)慣稱為永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁永久磁鐵提供。永磁同步電機(jī)的電氣部分和機(jī)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(yīng)電動勢也是正弦的。Tm第四章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) DQ 坐標(biāo)系與 ABC 三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在交流電機(jī)中三相對稱繞組通過三相對稱電流可以在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場可以用兩相對稱繞組來等效，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)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(guān)系。為什么非要交換呢，因?yàn)橐獙﹄姍C(jī)進(jìn)行控制（速度控制） ，使電機(jī)按照我們的意圖去運(yùn)轉(zhuǎn)，必須控制加到電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩與三相電流之間的直接對應(yīng)關(guān)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(gè)對應(yīng)關(guān)系。120cos(N176。后來發(fā)現(xiàn)其實(shí) 就不存在，因此，N必須把這兩個(gè)匝數(shù)放在矩陣內(nèi)部。希望中間變換矩陣具有這一性質(zhì)。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(zhuǎn)子連同負(fù)載是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，如果能夠控制施加給轉(zhuǎn)子的扭矩，則可以隨意控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PI 調(diào)節(jié)器正確選取 PI 調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。圖 45 PI 調(diào)節(jié)器控制原理流程圖線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)決定于系統(tǒng)本身的特性，而與輸入信號的大小無關(guān)，同一個(gè)線性系統(tǒng)對不同幅值階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)間的區(qū)別，僅在于幅值成比例地變化，響應(yīng)時(shí)間完全相同，單位階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線，其中各參數(shù)含義如下：(1)延遲時(shí)間 ，相應(yīng)曲線第一次達(dá)到穩(wěn)定值的一半所需的時(shí)間；td(2)上升時(shí)間 ，相應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的 10%上升到 90%~100%所需的時(shí)間；r(3)峰值時(shí)間 ，相應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；tp(4)最大超調(diào)量 ，從 1 開始計(jì)算相應(yīng)曲線的最大超調(diào)值；M(5)調(diào)整時(shí)間 ，在相應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)作為一個(gè)允許ts范圍，相應(yīng)曲線第一次到達(dá)并保持在這一允許誤差范圍所需的時(shí)間；(6)靜差 ，指動態(tài)過程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，可ΔXs正可負(fù)，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(diào)節(jié)，如果 0，為有差調(diào)節(jié)，靜差屬于調(diào)整精度的一個(gè)s s重要指標(biāo)。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(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)，PI 控制將會減小到 0。現(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(yīng)。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(shí)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(yīng)地直接輸出+155V，然后采用可控電壓源模塊將此僅有數(shù)學(xué)意義的 SIMULINK 信號轉(zhuǎn)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(jī)械轉(zhuǎn)矩信號。Te 仿真結(jié)果該系統(tǒng)的電流限幅值設(shè)為 30A，系統(tǒng)空載啟動，在 時(shí)突然加負(fù)載轉(zhuǎn)矩 。圖 410 為系統(tǒng)在開環(huán)情況時(shí)，負(fù)載突變對轉(zhuǎn)速的影響，可以看到這時(shí)的轉(zhuǎn)速無法滿足系統(tǒng)。仿真結(jié)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(shí)也表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性。PMSM 輸出為矢量。當(dāng)環(huán)寬 2h 選的較大時(shí)，可降低開關(guān)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(guān)頻率增大了，這是一對矛盾的因素。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出量 dp/abc 坐標(biāo)變換，得到 abc 三相定子電流的給定，作為電流調(diào)節(jié)器（PWM 逆變器）的輸入。經(jīng) dq/abc 坐標(biāo)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(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和PWM 產(chǎn)生電路控制逆變器的 PWM 型號，從而控制電機(jī)的三相電流。但因?yàn)橄到y(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(dāng)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(gè)零點(diǎn)。對于偏差Kpi信號，如果只調(diào)節(jié) ，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，沒有滯后現(xiàn)象，但有靜差；Kp如果只調(diào)節(jié) ，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)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(qū)動器只能調(diào)控三相電壓（或說電流） ，通過檢測也只能檢測出每個(gè)相的電流。這個(gè)好理解，直接寫出就可以。因?yàn)檗D(zhuǎn)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(biāo)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?yàn)橐_定 和 ,必須想個(gè)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(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系的“狀態(tài)量”——轉(zhuǎn)矩電流，來控制轉(zhuǎn)矩。電機(jī)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(zhuǎn)子角速度； 為極對數(shù)；u、 、 r?p為電磁轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)模型如圖，有四個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其中 A，B ，C 鏈接三相電壓，輸入端 TM 接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號。交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場是復(fù)雜耦合的，不能簡單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。當(dāng)實(shí)際電流增大到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，V1 保持導(dǎo)通，使實(shí)際電流繼續(xù)增大直達(dá)到 ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，滯環(huán)控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷aref??iV1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)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(shí)，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(gòu)成的根本，其動態(tài)響應(yīng)特性直