【正文】 ed technologies, and finally about several permanent mag synchronous motor control system monly used in control strategies. In the analysis of permanent mag synchronous motor mathematical model based on the help of Matlab39。尤其是近年來，隨著永磁材料的迅速發(fā)展和電力電子和控制技術(shù) 的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)將越來越多地替代傳統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)用前景非常的樂觀， 永磁電機(jī)及其驅(qū)動控制器設(shè)計也成了電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點課題， 因而對永磁同步電機(jī)的研究是非常有意義的。隨著高性能永磁材料的發(fā)展和價格的不斷下降，永磁電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。 此文借助這一手段在詳細(xì)分析了永磁同步電機(jī)矢量控制的機(jī)理，并提出了一套相應(yīng)的矢量控制方案后，建立了仿真和試驗平臺，進(jìn)行了仿真分析和實驗研究。為了提高 PMSM 的控制性能，國內(nèi)外研究人員提出了許多非線性控制方法，主要有：反步法控制、反饋線性化控制、滑?？刂?、智能控制、自適應(yīng)控制和自抗擾控 制等，這些非線性控制方法改善了 PMSM 系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)魯棒性。永磁同步電機(jī)的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速 到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點。又由于稀土永磁磁極，可以獲得較高的氣隙磁密。 永磁同步電機(jī)的研究意義 正如前面幾節(jié)所述，永磁同步電動機(jī) (PMSM)具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、效率高等優(yōu)點，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來，隨著永磁材料的迅速發(fā)展，電力電子和控制技術(shù)的進(jìn)步，稀土永磁同步電機(jī)將越來越多地替代傳統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)用前景非常的樂觀，因而對永磁同步電機(jī)的研究是非常有意義的。 所以本文主要講述了幾種永磁同步電機(jī)的控制方式，并重點分析了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。 第二章著重闡述了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，包括其結(jié)構(gòu)、分類、特點和工作原理，以及永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 4 2 永磁同步電機(jī)系統(tǒng) 永磁式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高， 和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波 [6]。在表面式永磁同步電動機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。 本節(jié)中采用的電機(jī)為凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，定子繞組永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 5 一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為兩對，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n=60f／ p， f 為電流頻率， P 為極對數(shù) [8]。 1． 高效率、高功率因數(shù)、節(jié)能用永磁體代替電勵磁，不需要無功勵磁電流 ， 可以顯著提高功率因數(shù)。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 6 3． 體積小、重量輕隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用， PMSM 的功率密度大大提高，與同容量異步電機(jī)相比，其體積和重量有較大的減少。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切 割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；另一方面以電磁力拖動轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。為了便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型時，假設(shè)以下參數(shù)： ① 忽略電動機(jī)的鐵心飽和；②不計電機(jī)中的渦流和磁滯損耗； ③ 定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波；④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度 [12]。 （ 22） 式中： r 為定子繞組電阻； p 為微分算子， p=d/dt ； id 、 iq 為定子電流； ud 、 uq為定子電壓； ?d 、 ?q 錯誤 !未找到引用源。為電動機(jī)極對數(shù)。 為轉(zhuǎn)子磁鏈。 若電動機(jī)為隱極電動機(jī)，則 錯誤 !未找到引用源。因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。一旦速度給定后，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓 Uout 進(jìn)行控制，使電動機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機(jī)的非線性特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置 (頻率和相位 )的控制。 矢量控制的優(yōu)點在于調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能較好。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率； 2) 電流讀取模塊。 ，經(jīng)過 Clark 變換PI3 P ha seI nv e r t e rSVP WM PIPIP WS M ?? ?? ? ?,dq,dq ? ? ?,a b cr?dcU位置和轉(zhuǎn)速信號re f?r?d r efi永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 10 將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系 錯誤 !未找到引用源。 與轉(zhuǎn)子位置 錯誤 !未找到引用源。 行比較，并通過 PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ids? ； 4) 交、直軸參考電流 ids? 、 iqs? 與實際反饋的交、直軸電流 ids 、 iqs 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 相結(jié)合進(jìn)行反 Park 變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)系的電壓 錯誤 !未找到引用源。 當(dāng) 錯誤 !未找到 引用源。 和實際交軸電流比較 ,錯誤 !未找到引用源。 ； 以上兩個偏差電流 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 11 矢量控制的控制方式 1. 錯誤 !未找到引用源。 2. 錯誤 !未找到引用源。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。 矢量控制的 坐標(biāo)變換 1. Clarke（ 3s/2s） 變換 錯誤 !未找到引用源。 （ 32） 可得 錯誤 !未找到引用源。 （ 36） 錯誤 !未找到引用源。 d、 q 軸和矢量 錯誤 !未找到引用源。 a 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 （ 310） 錯誤 !未找到引用源。 與 錯誤 !未找到引用源。 與 錯誤 !未找到引用源。則有 8 種可能的開關(guān)組合。 。 圖 36 6 個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成的正六邊形 選定定子坐標(biāo)系中的 ? 與 Park 矢量復(fù)平面的實軸 ??tXa 、 ??tXb 、 ??tXc 其三相物理量 Park 的矢量 錯誤 !未找到引用源。 的某個時刻在某軸線 a、 b、 c 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。 （ 315） 則 : 錯誤 !未找到引用源。 矢量控制的 基本方程 SMPMSM 的電壓和磁鏈方程： 錯誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組電感 錯誤 !未找到引用源。 磁鏈轉(zhuǎn)矩方程 : 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 17 （ 319） 錯誤 !未找到引用源。針對矢量控制的這一缺點，德國學(xué)者 Depenbrock 于上世紀(jì) 80 年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)，在此之后 越來越多的學(xué)者投入到永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究。在得到電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行 DTC。 、 錯誤 !未找到引用源。 。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 18 圖 37 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理框圖 定子磁鏈控制 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。 3. 控制特點 與 VC 系統(tǒng)一樣，它也是分別控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC 系統(tǒng)與 VC 系統(tǒng)不同的 特點是： 1) 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰 砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的 SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。 4. 控制規(guī)律和反饋模型 除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰 砰控制外 ， DTC 系統(tǒng)的核心問題就是： 1) 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型； 2) 如何根據(jù)兩個砰 砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的 開關(guān)狀態(tài)。 6. DTC 系統(tǒng)存在的問題 1) 由于采用砰 砰控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動，而不是完全恒定的。 空間矢量控制 1. 空間矢量 在 節(jié)的第三條中已經(jīng)做了詳細(xì)介紹，這里不在重復(fù)說明。除此之外，異步電動機(jī)的其它二相變量 也表示成空間矢量 ，磁鏈?zhǔn)噶堪ǘㄗ哟沛準(zhǔn)噶?、氣隙磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶俊? VC 系統(tǒng)強(qiáng)調(diào) Te 與 Ψr的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按 Ψr 定向受電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。在第四章將對永磁同步電機(jī)矢量控制仿真，而這一章節(jié)的內(nèi)容則為第四章內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)（ PMSM）是一個復(fù)雜耦合的非線性系統(tǒng)。 電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理 電壓空間矢量 電機(jī)輸入三相正弦電壓的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。三相定子相電壓 UA、 UB、 UC 分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量 UA、 UB、 UC，它們 的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律變化，時間相位互差120176。 （ 43） 我們可以看到三相電壓空間矢量的合成空間矢量是一個旋轉(zhuǎn)空間矢量，它的幅值是每相電壓值的 倍，其旋轉(zhuǎn)的角速度等于正弦電壓量的角頻率。 在調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)由三相 PWM 逆變器供電，如圖 42 所示。 圖 43 基本空間電壓矢量 零矢量的作用 在非零矢量作用的同時，插入零矢量的作用，讓電機(jī)的磁鏈端點“走走停停”，這樣可改變磁鏈運(yùn)行速度，使磁鏈軌跡近似為一個圓形，從而實現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 26 圖 44 U1錯誤 !未找到引用源。 （ 47） 錯誤 !未找到引用源。 或 U1。 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）。 和 錯誤 !未找到引用源。 ＜ 0，則 C=1； 否則 C=0。 Z=錯誤 !未找到引用源。 賦值后，要對其進(jìn)行飽和判斷。 表 42 切換點 Tcm Tcm Tcm3 賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI Tcm1 Tb Ta Ta Tc Tc Tb Tcm2 Ta Tc Tb Tb Ta Tc Tcm3 Tc Tb Tc Ta Tb Ta 在 Matlab 的 Simulink 環(huán)境下的實現(xiàn)如圖 4圖 4圖 4 圖 411 所示。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 31 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 圖 411 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 仿真結(jié)果 為了驗證所建模型仿真模型的正確性和有效性，對模型進(jìn)行了仿真實驗。在 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 2N?m突變?yōu)?8N?m，轉(zhuǎn)速有微小的震蕩后回到給定值，定子電流在 發(fā)生變化。因此，研究和發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)來滿足現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的要求具有重要的實用價值。綜合前面章節(jié)的內(nèi)容，本文的主要成果體現(xiàn)在以下三個方面： (1)通過閱讀大量國內(nèi)外高性能稀土永磁電機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)，較為全面的介紹了國內(nèi)外永磁電機(jī)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，并簡要介紹了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)常用的幾種控制技術(shù)，其中重點講述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)，為本文的研究工作奠定了基礎(chǔ)。雖然這是種基本的控制策永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 34 略，但為永磁同步電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，為研究更優(yōu)越的控制系統(tǒng)奠定基石。 總之，在永磁同步電機(jī)矢量控制中，提出一種高 精度的混合控制方法并利用更先進(jìn)的理論也是今后研究的一個重點。 在兩年的學(xué)習(xí)生活和工作中，還得到了我們 XX 學(xué)院許多領(lǐng)導(dǎo)和老師的熱情關(guān)心和幫助，在此深