【正文】 通過(guò)這些功能模塊的有機(jī)整合，就可在 MATLAB／SIMUUNK 中搭建出永磁步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制。(6)測(cè)量模塊庫(kù)：包括電流測(cè)量和電壓測(cè)量模塊。用戶進(jìn)行仿真時(shí)很少需要寫程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究 。MATLAB/IMULINK 是一種優(yōu)秀的系統(tǒng)仿真土具軟件，它具有模塊化、可封裝、可重載、而向結(jié)構(gòu)圖編程以及高度可視化等特點(diǎn)，可大大捉高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。因此電流環(huán)傳遞函數(shù)可降階近似為： ()1()2ss?在上述電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，控制器采用 PI 控制的速度環(huán)結(jié)構(gòu)如圖 所示。1cm23cmT表2 切換點(diǎn)賦值表 ， ，1c2mT3c扇區(qū)號(hào) I II III IV V VI1cmTbaTaccbT2abbTac3cmcbcaba， ， ，在基于的控制系統(tǒng)中，作為全比較寄存器的值，通過(guò)與定時(shí)器1cT2計(jì)數(shù)寄存器的值進(jìn)行比較來(lái)產(chǎn)生PWM。這樣即可以提高直流電壓的利用率，又可以降低逆變器輸出的諧波含量。由于變換器的實(shí)際所能產(chǎn)生的矢量(有效矢量和零矢量)有限，不可能輸出角度連續(xù)變化的空間矢量。設(shè)直流側(cè)重點(diǎn)的口作為參考點(diǎn)，則上管導(dǎo)通時(shí)輸出電壓為 ，下管導(dǎo)通2dU時(shí)輸出電壓為 。因此對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁困難的根本原因在于磁路結(jié)構(gòu)的特殊性。直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了矢量控制中解耦思想，很大程度上克服了矢量變換控制中的計(jì)算復(fù)雜性，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制思路新穎，因此從提出之初就受到了人們的廣泛關(guān)注。最后f ??通過(guò)SVPWM模塊輸出六路控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器工作，輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入電動(dòng)機(jī)定子。通過(guò)矢量控制使電機(jī)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。直流電機(jī)本身具有良好的解耦性，可以分別控制其電樞電流和勵(lì)磁電流達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。從原理上，這種方法類似于直流電機(jī)改變電樞電壓的調(diào)速控制方法，但是又與直流電機(jī)稍有差別?；?DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究17第 3 章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 永磁同步電機(jī)的控制策略永磁同步電機(jī)的主要控制策略有：外同步控制、自同步控制與弱磁控制 。在認(rèn)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率一致，并且當(dāng) 軸與轉(zhuǎn)子主磁d通方向一致時(shí)，將(2．18)的定子磁鏈方程式代入(2．19)的定子電壓方程式就得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓回路方程式： ()0d ds nq qrnsVIRPLL?????? ?????? ????? ?? ??????? ??由于事實(shí)上有： ， ，并且 和 ，所以上面的方程式()與1rfMI?dq??前面的方程式()相同。然而，事實(shí)上，我們也可以d?通過(guò)直接引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( )來(lái)得到永磁同步電機(jī)定向后的數(shù)學(xué)模型，并可進(jìn)行一q下對(duì)比。T ()39。（3）從某種意義上來(lái)看，我們可以認(rèn)為三相繞組向兩相繞組系統(tǒng)的變換關(guān)系就是一種阻抗變換關(guān)系。 ， 的具體選取如圖 23，即 與 相重合，?2S?F? ?FU超前于 90 度，且 ， 的值分別為 ， 。以三相電機(jī)為例，說(shuō)明將三相坐標(biāo)簡(jiǎn)化為兩相坐標(biāo)。uvw ? 為各自繞組的自感， 為各相繞組之間的互感。 永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系( )上的模型V永磁同步電動(dòng)機(jī)三相集中繞組分別為 U，V，W，各相繞組的中心線在與轉(zhuǎn)子軸垂直的平面上，如圖 所示。定子電樞采用短距分布式繞組，能最大限度地消除諧波磁動(dòng)勢(shì)。[5]永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下靜止不動(dòng)的部分，其與異步電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)相似，主要是由硅鋼片、三相對(duì)稱的繞組、固定鐵心的機(jī)殼及端蓋部分組成。(4)智能控制技術(shù)的發(fā)展是學(xué)科發(fā)展的一個(gè)新階段。(2)我國(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土的總儲(chǔ)量約占全球稀土資源的80％。對(duì)最新出現(xiàn)的電氣傳動(dòng)研究方向，如：自適應(yīng)控制技術(shù)、人工智能的控制技術(shù)及無(wú)速度傳感器技術(shù)與應(yīng)用同國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距。對(duì)于大的變頻器廠家來(lái)說(shuō)，目前只有ABB宣傳做出DTC產(chǎn)品，其產(chǎn)品的響應(yīng)速度只有5ms，這是矢量控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。(3)電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)SVPWM。如果永磁電機(jī)的相數(shù)等于槽數(shù)，則其等同于一臺(tái)直流電機(jī)。外同步運(yùn)行常用于開(kāi)環(huán)控制，多用在紡織工業(yè)的小容量多電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)中，這種場(chǎng)合要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)嚴(yán)格同步運(yùn)行。永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不需要?jiǎng)?lì)磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。此外，永磁材料的高能積、小尺寸、輕量化等特點(diǎn)，給永磁電機(jī)帶來(lái)一系列突出優(yōu)點(diǎn)：(1)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、轉(zhuǎn)速(3)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高?？勺鳛橛来磐诫姍C(jī)的永磁材料有AlNiCo，Ceramic，Rare Earth，F(xiàn)errites．NdFeB，Barium和Strontium等鐵磁性材料，1983年問(wèn)世的釹鐵硼(NdFeB)永磁材料，由于其優(yōu)異的磁特性、低廉的成基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究2本和充足的材料來(lái)源等原因，引起了各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，并進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。早在十九世紀(jì)二十年代出現(xiàn)的世界上第一臺(tái)電機(jī)，就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的永磁電機(jī)。3 月 13 日——3 月 25 日：畢業(yè)實(shí)習(xí)、撰寫實(shí)習(xí)報(bào)告3 月 27 日——5 月 30 日：畢業(yè)設(shè)計(jì)、4 月中旬畢業(yè)設(shè)計(jì)中期抽查6 月 1 日——6 月 7 日：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文）6 月 8 日——6 月 10 日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文），并將電子文檔上傳FTP。2）掌握永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)。(4)本文在研究MATLAB/SIMULINK的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了控制仿真研究，仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，抗干擾性能強(qiáng)。此外，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的 教授對(duì)永磁同步電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)參數(shù)及性能的分析，波蘭學(xué)者P．M．Petczwski 對(duì)永磁同步電機(jī)最優(yōu)模型位置跟蹤控制系統(tǒng)的研究，意大利學(xué)者Alfio Consoli 對(duì)永磁同步電機(jī)等效電路的分析均各具新穎性和獨(dú)到之處。由于我國(guó)稀土資源蘊(yùn)藏量占世界 85％以上，因而在開(kāi)發(fā)高磁場(chǎng)永磁材料一方面具有得天獨(dú)厚的有利條件。德國(guó)、法國(guó)和瑞士等國(guó)對(duì)永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)在艦艇電力推進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司武漢船舶推進(jìn)裝置研究所也對(duì)此進(jìn)行了預(yù)研。 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法的研究始于七十年代，與當(dāng)時(shí)在調(diào)速應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的直流電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于具有強(qiáng)耦合、非線性及多變量的特性，為獲得較好的調(diào)速控制性能，需要采用復(fù)雜的控制算法，其調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴。這種方法在原理上類似于直流電機(jī)改變電樞電壓的調(diào)速方法，但是又與直流電機(jī)稍有差別。這些技術(shù)的特點(diǎn)是采用多電平技術(shù)，用低耐壓功率器件來(lái)輸出高壓。目前，采用此種算法的調(diào)速控制器越來(lái)越普遍。目前國(guó)內(nèi)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行了很多，但主要還存在以下不足之處 ：[3](1)國(guó)內(nèi)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究工作主要側(cè)重于電動(dòng)機(jī)本體的研究，對(duì)其調(diào)速控制系統(tǒng)的研究工作較少。(3)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于DSP的控制系統(tǒng)軟件，包括系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子定位程序、AD轉(zhuǎn)換程序、PWM波產(chǎn)生等算法程序。新型微處理器的執(zhí)行速度有助于增加采樣速度、帶寬，從而達(dá)到與模擬控制器可比的數(shù)值，抗負(fù)載擾動(dòng)的能力也得到加強(qiáng)。這些電磁約束對(duì)了解同步電機(jī)的原理、分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎(chǔ)。它們的根本不同在于轉(zhuǎn)子磁極所在位置，凸極式是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率很接近空氣磁導(dǎo)率，所以在交軸( 軸)和直q軸( 軸)上的電感基本相同。因此對(duì)三相永磁同步伺服電機(jī)的控制也和對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制相似，采用矢量控制。? ——微分算子（ ） 。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈分別為： ?????????????????)34cos(2)cs(??MIfrwvuMIf為轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，對(duì)于給定永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)該值一般為常數(shù)。 與 中的??FkS??2 ?? 1S2每一個(gè)元都具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。rt????r，sR???32L??? 另有， ，132ffMII??UVWIT????????UVWT????????則轉(zhuǎn)矩方程： eI????????（）式中：，1cos()fMI????1sin()fI???通過(guò)對(duì)于三相坐標(biāo)系向兩相坐標(biāo)系的變換關(guān)系，我們可以得到如下的結(jié)論：（1）電壓回路方程變量個(gè)數(shù)減少了，給分析問(wèn)題帶來(lái)了很大的方便。 軸的旋轉(zhuǎn)角頻率為 , 軸與 軸的初始位置角為 ,所以在dq?0???軸上的集中繞組產(chǎn)生的單位磁勢(shì)(包括磁勢(shì)方向) , 定義為 ，dq? dFq0()jte????。rt???r所以我們還可以得到： ()1sin[()]cod ds n rnrfq qnsVIRPL tIL??????? ????? ????? ? ???? ??? ? ?? ??? ???其中， 為 軸與轉(zhuǎn)子主磁通線之間的初始位置角度。dLq d基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究15 ， ——永磁同步電動(dòng)機(jī)的 ， 軸電流。在基速以下恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)中，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電機(jī)定子電流矢量位于 軸，無(wú) 軸分量，即定子電流全qd部用來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程可寫為： ()0sdqrd qq rrsRPLVIL?????????? ??????? ????? ??其中： I電磁轉(zhuǎn)矩方程為： erqTI??基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究16由于 ，所以以上得到的轉(zhuǎn)矩方程與上面介紹的控制 ，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩1rfMI?? 0qI?方程 是一致的。 永磁同步電機(jī)自同步控制策略1)永磁同步電動(dòng)機(jī)自控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速，又稱無(wú)刷直流型調(diào)速，整個(gè)系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)本體，位置檢測(cè)環(huán)節(jié)以及驅(qū)動(dòng)器三大部分組成。 ．自控式變頻調(diào)速控制可以分為電流源型和電壓源型兩種策略。在這種控制策略下，永磁無(wú)刷伺服電動(dòng)機(jī)激磁磁場(chǎng)每相繞組的反電勢(shì)和輸入電流波形為正弦波，與一般交流同步電動(dòng)機(jī)的概念相同。(4)SVPWM模塊和逆變模塊。本系統(tǒng)將使用矢量控制策略。因?yàn)楫?dāng)電壓達(dá)到極限值時(shí)，為了使電機(jī)能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，必須維持電機(jī)內(nèi)部的反電動(dòng)勢(shì)等于額定狀態(tài)時(shí)的大小，而反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速和氣隙磁通的乘積成正比，因此必須使轉(zhuǎn)速與氣隙磁通的乘積保持不變，也就是要使氣隙磁通隨轉(zhuǎn)速增大而減小，即所謂的弱磁控制。而提高永磁同步電機(jī)的弱磁能力，主要通過(guò)改善電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)控制方法兩種途徑。空間矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM波不同，它是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得圓形理想磁鏈圓，使逆變器注入定子的電流形成的磁場(chǎng)必須實(shí)時(shí)追蹤轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，并且兩磁場(chǎng)實(shí)時(shí)保持正交以實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的矢量控制。其它六個(gè)矢量稱為有效矢量，有效矢量長(zhǎng)度均為。4T60在此： 42(10)3dUj??基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究236213()dUj??cosinrefrefj?把上式代入(3．2)得： 46213()(csi)32ddrefTUjUj????零矢量只是補(bǔ)足 ， 外的時(shí)間，它對(duì)矢量的合成不產(chǎn)生影響。1T2表 1 ， 賦值表T2扇區(qū)號(hào) I II III IV V VI1TZYZ?XY?2XZ上表可以在向量圖中得到驗(yàn)證。在超調(diào)量 ?%?5%時(shí)，可取阻尼比 ?，KT=，因此 12?,從而得到 2tsisK,代入數(shù)值即可求得 tk， i?。隨著 PMSM 應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高，既要考慮成本低廉、控制算法合理，又需兼顧控制性能好、開(kāi)發(fā)周期短等特點(diǎn)。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、簡(jiǎn)便的繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境 SIMULINK。為滿足小同的仿真要求并提高仿真速度還有晶閘管簡(jiǎn)化模型。其中，速度環(huán)、電流環(huán)都采用傳統(tǒng) PID 控制。本文仿真中用到的永磁同步。 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真在 MATLAB／SIMULINK 環(huán)境下，利用其模塊庫(kù)，在分析了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，給出了永磁同步電機(jī)的建模方法。 ．(2)基本元件模塊庫(kù)：包括串聯(lián) RCL 負(fù)載、并聯(lián) RCL 負(fù)載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器，N 相分布參數(shù)線路、單相二型集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等。本文運(yùn)用 MATLAB/IMULINK 建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了控制仿真研究，為進(jìn)一步的實(shí)際研究奠定理論基礎(chǔ)。?1nsk??12Ts?tK1JS???? ?1T??qi 采用PI速度控制的結(jié)構(gòu)圖基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究28第 4 章 系統(tǒng)仿真模型隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機(jī)控制理論和稀上永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)(PMSM)得以迅速推廣應(yīng)用。電流環(huán)采用PI控制。1T， 值的計(jì)算可歸納為下面三個(gè)值的計(jì)算。和零矢量合成參考矢量 ，等效矢量按伏秒平衡原則合成。 aubc按()式定義的電壓空間矢量，他們分別對(duì)應(yīng)逆變器的八個(gè)開(kāi)關(guān)模式。下面就講述空間矢量脈寬調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)。由此引起的后果是：建立同樣大小的電樞反應(yīng)氣隙磁場(chǎng)，永磁同步電