【正文】 在兩年的學習生活和工作中，還得到了我們 XX 學院許多領導和老師的熱情關心和幫助，在此深表感謝。雖然這是種基本的控制策永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 34 略，但為永磁同步電機的發(fā)展和應用打下了良好的基礎，為研究更優(yōu)越的控制系統(tǒng)奠定基石。因此，研究和發(fā)展高性能永磁同步電機控制系統(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。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 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，對模型進行了仿真實驗。 賦值后，要對其進行飽和判斷。 ＜ 0，則 C=1； 否則 C=0。 矢量控制中用到的變換有：將三相平面坐標系向兩相平面直角坐標系的轉換（ Clarke 變換）和將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉直角坐標系的變換（ Park 變換）。 （ 47） 錯誤 !未找到引用源。 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，讓電機的磁鏈端點“走走停?！保@樣可改變磁鏈運行速度，使磁鏈軌跡近似為一個圓形，從而實現(xiàn)恒磁通變頻調速。 （ 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空間矢量，它的幅值是每相電壓值的 倍，其旋轉的角速度等于正弦電壓量的角頻率。 電壓空間矢量脈寬調制原理 電壓空間矢量 電機輸入三相正弦電壓的最終目的是在空間產生圓形旋轉磁場，從而產生恒定的電磁轉矩。在第四章將對永磁同步電機矢量控制仿真，而這一章節(jié)的內容則為第四章內容奠定基礎。除此之外，異步電動機的其它二相變量 也表示成空間矢量 ，磁鏈矢量包括定子磁鏈矢量、氣隙磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量。 6. DTC 系統(tǒng)存在的問題 1) 由于采用砰 砰控制，實際轉矩必然在上下限內脈動，而不是完全恒定的。 3. 控制特點 與 VC 系統(tǒng)一樣，它也是分別控制電動機的轉速和磁鏈，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生電壓的 SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉矩和磁鏈分量，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器的結構。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 18 圖 37 直接轉矩控制系統(tǒng)的基本原理框圖 定子磁鏈控制 直接轉矩控制系統(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)性能的交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)。 、 錯誤 !未找到引用源。針對矢量控制的這一缺點，德國學者 Depenbrock 于上世紀 80 年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案，即直接轉矩控制 (DTC)，在此之后 越來越多的學者投入到永磁同步電機直接轉矩控制的研究。 ：定子相繞組電感 錯誤 !未找到引用源。 （ 315） 則 : 錯誤 !未找到引用源。 圖 36 6 個工作電壓空間矢量的頂點構成的正六邊形 選定定子坐標系中的 ? 與 Park 矢量復平面的實軸 ??tXa 、 ??tXb 、 ??tXc 其三相物理量 Park 的矢量 錯誤 !未找到引用源。則有 8 種可能的開關組合。 與 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 d、 q 軸和矢量 錯誤 !未找到引用源。 （ 32） 可得 錯誤 !未找到引用源。不足之處在于能夠輸出的最大轉矩較小。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 11 矢量控制的控制方式 1. 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。 相結合進行反 Park 變換，變換為兩相靜止坐標系的電壓 錯誤 !未找到引用源。 行比較，并通過 PI 調節(jié)器產生交軸參考電流 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。 ，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位置和轉速信號re f?r?d r efi永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 10 將其從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系 錯誤 !未找到引用源。 矢量控制的優(yōu)點在于調速范圍寬，動態(tài)性能較好。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線性特性。因此可以獨立調節(jié)；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。 為轉子磁鏈。 （ 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。由三相交流電產生的旋轉電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切 割定子繞組，并在定子繞組中產生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速旋轉。 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)。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 4 2 永磁同步電機系統(tǒng) 永磁式同步電機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高， 和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。 所以本文主要講述了幾種永磁同步電機的控制方式，并重點分析了矢量控制和直接轉矩控制。又由于稀土永磁磁極，可以獲得較高的氣隙磁密。永磁同步電機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速 到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步。 此文借助這一手段在詳細分析了永磁同步電機矢量控制的機理，并提出了一套相應的矢量控制方案后，建立了仿真和試驗平臺，進行了仿真分析和實驗研究。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 的進步，永磁同步電機將越來越多地替代傳統(tǒng)電機，應用前景非常的樂觀， 永磁電機及其驅動控制器設計也成了電機領域研究的熱點課題， 因而對永磁同步電機的研究是非常有意義的。 永磁同步電機的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀 永磁電機是采用永磁體代替通電線圈勵磁的一種電動機。 隨著價格低廉的釹鐵 硼 (NdFeB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機得到了很大的發(fā)展，世界各國 (以德國和日本為首 )掀起了一股研制和生產永磁同步電動機及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等小功率應用場合，永磁同步電動機伺服系永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 2 統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢， 加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。 隨著我 國航空工業(yè)的快速發(fā)展，普通電機難以滿足系統(tǒng)的要求。 第三章著重介紹了永磁同步電機控制策略，包括恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制，并比較了矢量控制和直接轉矩控制的優(yōu)缺點。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機 (PMSM)調速系統(tǒng)或調速永磁同步電動機 ；而由梯形波 (方波 )永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機 (BLDCM)調速系統(tǒng) [7]。 磁鋼 定子 圖 21 凸裝式正弦波永磁同步電機結構圖 永磁同步電機的工作原理和特點 永磁同步電機實際工作是一種交流電機，其定子運行是三相相差的交流電，而轉子則是永磁體。 4． 應用范圍廣、可靠性高 ， 在醫(yī)療器械、化工、輕紡、儀器儀表等領域均獲得應用。 在分析同步 電動機的數(shù)學模型時，常采用兩相同步旋轉 (d， q)坐標系和兩相靜止(α， β)坐標系。 (2) 定子磁鏈方程為： 錯誤 !未找到引用源。 ，選取 id 、 iq 及電動機機械角速度 ? 為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動機的狀態(tài)方程式為： ??????????????????????????????????????????????????JT LLu qLu di qi dJBLfn pLfn pLR sn pn pLR si qi d/////0//0/?????? （ 27） 由式 (27)可見，三相永磁同步電動機是一個多變量系統(tǒng)，而且 id 、 iq 、 ? 之間存在非線性耦合關系，要想實現(xiàn)對三相永磁同步電機的高性能控制，是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題。 在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調速系統(tǒng)中，如風機、水泵，但因其依據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型。矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終的實施是對 id 、 iq 的控制。通過精密電阻或電流傳感器測量定子電流； 3) 轉子速度 /位置反饋模塊。 ?rel 結合，經(jīng)過 Park 變換從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系 id 和 iq 錯誤 !未找到引用源。 ； 5) 電壓 錯誤 !未找到引用源。 變化時 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 控制 控制交、直軸電流分量，保持 PMSM 的功率因數(shù)為 1，在 錯誤 !未找到引用源。 ：三相繞組每相繞組匝數(shù) 錯誤 !未找到引用源。 （ 37） 2. Park（ 2s/2r） 變換 兩個交流電流 i? 、 i? 和兩個直流電流 id 、 iq ，產生同樣的以同步轉速 錯誤 !未找到引用源。 軸與 d 軸的夾角 錯誤 !未永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 13 找到引用源。 （ 311） 3. 電壓空間矢量 由三組六個開關（ 錯誤 !未找到引用源。 之間互為反向，即一個接通，一個斷開，所以三組開關有 錯誤 !未找到引用源。 aubucu0t?t?0023dU13dU( 0 1 1 )sut?( 0 0 1 )su ( 1 0 1 )su ( 1 0 0 )su ( 1 1 0 )su ( 0 1 0 )su永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 15 圖 35 逆變器各量對應關系圖 把逆變器的 7 個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內，形成 7 個離散的電壓空間矢量。 若 錯誤 !未找到 引用源。 （ 317） 錯誤 !未找到引用源。 （ 320） 直接轉矩控制 直接轉矩控制技術是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標系下計算并控制交流電機的轉矩，借助于雙位模擬調節(jié)器產生信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高性能控制。 隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制、非線性控制、變結構控制的直接轉矩控制系統(tǒng)，使直接轉矩控制技術得到進一步改善和提高。開關表根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。 4) 在轉矩內環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當于一種擾動作用，因而受到轉矩內環(huán)的抑制，從而改造了轉速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。 5. 電壓空間矢量和逆變器的開關狀態(tài)的選擇 根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰 砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時間。 2. 矢量、磁鏈矢量 定子的二個相電流產生相應的二相磁動勢矢量，定子磁動勢是真實的矢量，在電動機的實際空間中，它們的極性能容易地被確定。 DTC 系統(tǒng)則實行 Te 與 Ψs 砰 砰控制，避開了 旋轉坐標變換，簡化了控制結構；控制定子磁鏈而不是轉子磁鏈，不受轉子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產生轉矩脈動，低速性能較差，調速范圍受到限制。本章在 Matlab/Simu