【正文】 ..............5 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ...........................6 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................6 PMSM 在 0?? 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................8 PMSM 在 dq0 坐標(biāo)系下的磁鏈和電 壓方程 .................9 永磁同步電機的控制策略 ..................................11 本章小節(jié) ................................................12 第三章 永磁同步電機矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ........ 14 引言 ....................................................14 永磁同步電動機的矢量控制 ................................14 IV 空間矢量脈寬調(diào)制概念 ....................................15 SVPWM 模塊的建立 .........................................17 本章小結(jié) ................................................23 第四章 基于 Matlab 的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ... 24 引言 ....................................................24 MATLAB 軟件的介紹 ........................................24 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)整體模型的建立 .......................25 仿真參數(shù)調(diào)試及結(jié)果分析 ...................................28 本章小結(jié) .................................................29 第五章 總結(jié)與展望 ................................... 30 ......................................... 30 參考文獻 ............................................ 31 致謝 ................................................ 33 1 第一章緒論 研究背景及意義 研究背景 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機控制理論的發(fā)展 ， 交 流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運行等良好的技術(shù)性能 ， 交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。 以往 研究永磁同步電機的 做法是在硬件上搭建一個平臺 進行模擬 ， 但是這樣在做實驗中難免會造成一些損失 ， 而 且硬件上的反饋會比較長研究周期長 。 永磁 同步電機是具有非線性、強耦合性、時變性的系統(tǒng) ， 在運行過程中 會 受到負(fù)載擾動等 多 因素影響。 關(guān)鍵字：永磁同步電機 ， 空間矢量調(diào)制 ， MATLAB 仿真 ， 數(shù)學(xué)模型 。 這實 質(zhì)上是一種整體分析方法 ， 但是 在此模型基礎(chǔ)上修改控制算法或添加、刪除閉環(huán) 會 顯得極不方便 。 永磁同步 電動機控制存在的 硬件 問題得以逐步解決。該課題主要是為了在研究永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)時搭 建好一個仿真的平臺 ， 能夠在研究過程中及時的實現(xiàn)研究要 2 求的控制策略進行相關(guān)的條件給予模擬 ， 以代替以往只能在實際硬件中進行調(diào)試實驗的研究。 2020 年之后 ， 隨著中國變成世界工廠 ， 制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來越大的市場空間 ， 國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。如貝加萊 (Bamp?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線 ， 結(jié)合市場需求的變化 ， 可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢 ： 1．高效率化 ：主要包括電機本身的高效率比如永磁材料性能的改進和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計 ， 也包括驅(qū)動系統(tǒng)的高效率化 ， 包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化 ， 加減速運動的優(yōu)化 ， 再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等?？梢允褂秒姍C本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng) ， 也可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。比如：關(guān)注電流的升高 ， 負(fù)載變化時評估尖峰電流 ， 外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器 ， 以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕 [3]。 第三章 永磁同步電機矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ： 主要 講解關(guān)于 PMSM 的核心空間矢量 脈寬 調(diào)制（ SVPWM）的仿真模型的建立 ， 要用的工具有 MATLAB軟件 ， 了解 SVPWM 的概念以及建立 SVPWM 模塊。永磁同步電動機轉(zhuǎn)子通常使用永磁體 ， 無電勵磁電動機的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和勵磁損耗問題 ， 運行的效率和功率因數(shù)都較高 ， 因而此類永磁同步電機在數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng) 領(lǐng)域中 逐漸成為了主流 [5]。和普通同步電機一樣 ， 永磁同步電動機由定子 ， 轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實心的 ， 也可以用疊片疊壓而成。 轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子定子 圖 21 永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 6 根據(jù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)的不同 ， 永磁同步電動機分為單極電動機和多極電動機兩大類。但由于無刷直流電機原理上存在固有缺陷 ， 使得其轉(zhuǎn)矩脈動較大 ， 鐵心附加損耗較大 ， 因此只適用于一般精度及性能要求的場合；而交流永磁同步電機作為一種特殊的同步電動機 ， 它能夠克服無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的不足 ， 具有優(yōu)良的控制性能 ， 在交流驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。 而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極 間 有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料 ， 故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 。一般永磁同步電機多采用這種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。由于定子和轉(zhuǎn)子之間存在相對運動 ， 使得這種電磁耦合關(guān)系十分復(fù)雜 ， 給電機的分析和控制帶來了困難。 定子繞組的自感系數(shù) AAL , ,BB CCLL和互感系數(shù) XYM 均為 e? 的函數(shù) ， 且互感系數(shù)滿足關(guān)系 AB BAMM? 、 BC CBMM? 、 CA ACMM? 。如圖 22 所示。 永磁同步電機的控制策略 永磁同步發(fā)電機 調(diào)速系統(tǒng) 常用的矢量控制策略有 [13]： （ 1） d 0I ? 控制； （ 2）最大轉(zhuǎn)矩電流比控制： （ 3）單位功率因數(shù)控制； （ 4） 最小損耗控制等。將代入永磁同步電機 轉(zhuǎn)矩方程有： sT f sqpi?? （ ） 因為電機的所有電流都用來產(chǎn)生電磁力矩 ， 控制效率較高。不足之處是沒有考慮電機效率和功率因數(shù)等問題。在矢量控制系統(tǒng)中 ， 通過對永磁同步電機的直 軸 電流和交流電流控制就能控制電機的轉(zhuǎn)矩 ， 而電機的交直軸電流可以有不同的組合方式 ， 這就有了永磁同步電機的不同 的 矢量控制。矢量控制的原理和方法同樣可以應(yīng)用于三相永磁同步電動機 PMSM。為使電動機在高速區(qū)能以恒功率方式運行 ， 還可以單獨調(diào)節(jié)勵磁 ，進行弱磁控制。我們將此稱為“角度控制”。同步電動機按照磁鏈定向控制的方法分類可以分為四種控制方案 ： 轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制 ， 定子磁鏈定向控制 ，氣隙磁鏈定向控制和阻尼磁鏈定向控制。電磁轉(zhuǎn)矩僅僅依靠交軸電流與 qi ， 從而實現(xiàn)了力矩表達式中的交、直軸電流解 耦 ， 達到了矢量控制的目的。 (3) 0 90??? 方式。在恒功率運行區(qū) ， 通過調(diào)整和控制 ? 角可以提高輸出轉(zhuǎn)矩和擴大速度范圍。設(shè) PWM 的周期為 T， 在 T 內(nèi) 4U 導(dǎo)通時間為 4T ， 6U 導(dǎo)通時間為 6T ， 0U 或 7U ， 導(dǎo)通時間為 0T ， 可得： 4 4 6 6 00*outU T U T U T T? ? ? 同時將 outU 分解為 ??? 平面上的兩個空間矢量 U? 和 U? ， 并考慮到功率不變條件下坐標(biāo)變換雖然有變換前后兩個系統(tǒng)功率不變的優(yōu)點 ， 但 由于三相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)的繞組匝數(shù)不等 ， 應(yīng)用空間矢量計算時應(yīng)把它在各相坐標(biāo)軸上的投影再乘于 23。開關(guān)順序為： Uo(000)，U4(100)， U6(110)， U7(111)， U6(110)， U4(100)， Uo(000)。 電壓空間矢量 SVPWM 波形產(chǎn)生模塊：以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 0?? 下的電壓分量 U? 和 U? 作為輸入 ， 通過扇區(qū)判斷、作用時間計算、過調(diào)制判斷、矢量切換時間點計算、各相占空比分配等功能模塊輸出 PWM 波形 ，輸 出 PWM 脈沖來控制三相逆變器晶體管功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或者斷開狀態(tài)向外供電 ， 從而實現(xiàn)三相交流永磁同步電機的電壓空間矢量 調(diào) 制 [23]。 表 32 扇區(qū)與非零矢量作用時間的對應(yīng)關(guān)系 扇區(qū)號 1 2 3 4 5 6 xt Z Z X X Y Y yt X Y Y Z Z X 20 在一般不發(fā)生過調(diào)制的情況下 ， 有x y PWMt t T??，3 co s(6 )dcr UU ??? ?， rU 最大值是 /3DCV ， 它是 6 個基本矢量形成的正六邊形的內(nèi)切圓。其模型實現(xiàn)如下： T1T2 2T21T1S w i t ch 1S w i t chS u b t r a ctM u l t i p o r tS w i t ch 1M u l t i p o r tS w i t ch1G a i n 21G a i n 11G a i nf ( u )F 1f ( u )F 5Ts4Z3 Y2X1 N 圖 35 xyz/t1t2 仿真模塊圖 （三） 計算開關(guān)作用時間 令 0 1244T T T TT? ????， 12baTTT??， 22cbTTT??， 則 N 與開關(guān)作用時間 c1mT ，2cmT ， 3cmT 。模型如圖 35 所示。 MATLAB 軟件的介紹 MATLAB 是功能強大的科學(xué)及工程計算軟件 ， 它不但具有以矩陣計算為基礎(chǔ)的強大數(shù)學(xué)計算和分析功能 ， 而且還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設(shè)計能力。 為了創(chuàng)建大型系統(tǒng) ， Simulink 提供了 系統(tǒng)分層次排列的功能 ， 類似于系統(tǒng)的設(shè)計。 Simulink 的輸出結(jié)果可以以變量的形式保存起來 ， 并輸入到 MATLAB中以便完成進一步的分析。 模 型 的 搭 建 和 定 義+修 正模 型 的 分 析顯 示 圖 41 Simulink 的工作框圖 永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)整體模型的建立 在 的 Simulink 環(huán)境下．利用 SimPowerSystems(簡稱 PSB)中豐富的模塊庫．通過分析 PMSM 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上．提出了建立控制系統(tǒng)仿真模型的方法。該控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成 ：主電路部 分 (包括三相交流電源、二極管不控整流電路、逆變電源模塊 )。 電流環(huán)為 PI 控制器 ， 系統(tǒng)中檢測電機的相電流 ai ， bi ， 位置信號 e? ， 和轉(zhuǎn)速 ? 。 參照交流電機的解耦思想 ， 將三相永磁同步電機的三相定子繞組坐標(biāo)系(ABC)， 等效變換為兩相靜止坐標(biāo)系 ( 0?? ) ， 再經(jīng)過 Park 變換變換為 dq 坐標(biāo)系 ，使得其 d 軸和永磁轉(zhuǎn)子 N 極同向 ， 所以就可以像直流電機那樣 ， 通過調(diào)節(jié)直流量qi 來控制轉(zhuǎn)矩 ， 從而實現(xiàn)永磁同步電機的解耦 。 29 0 0 . 0 5 0 . 1 0 . 1 5 0 . 20510152025303540t/sTe（N.m） 圖 49 轉(zhuǎn)矩波形 通過圖可以看出轉(zhuǎn)矩的波形在 突加 2 .Nm負(fù)載時有明顯的跳變 ， 跳 變時間 只有 秒左右 ， 控制效果較好 。 30 第五章 總結(jié) 與展望 全文總結(jié) MATLAB 技術(shù)年得到了迅猛的發(fā)展 ， 它可以用于語言處理、圖像處理、高速控制、數(shù)字通訊等多種領(lǐng)域。 在本課題的研究與開發(fā)過程中 ， 主 要完成了一下工作： (1) 在查閱了國內(nèi)外有關(guān) PMSM 的工作原理及其運行特點的有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 ， 采用 SVPWM 矢量控制技術(shù) ， 在此基礎(chǔ)上建立 PMSM 數(shù)學(xué)模型。 31 參考文獻 [1] 李驥 ， 宋仲康。基于 DSP 的永磁同步電機新型矢量控制技術(shù)研究 [D]。 [4] 葉軍軍 。 基于 MATLAB 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真研究 [E]。江南 大 學(xué) ， 2020。 [8] 王巍。自動化與應(yīng)用 ， 2020。 [10] 銀英君 ， 林榮文。 永磁同步電機電壓空間矢量控制仿真研究