【正文】 通過這些功能模塊的有機整合，就可在 MATLAB／SIMUUNK 中搭建出永磁步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制。(6)測量模塊庫：包括電流測量和電壓測量模塊。用戶進行仿真時很少需要寫程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行仿真和分析研究 。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、而向結構圖編程以及高度可視化等特點，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)器設計的基礎上，控制器采用 PI 控制的速度環(huán)結構如圖 所示。1cm23cmT表2 切換點賦值表 ， ，1c2mT3c扇區(qū)號 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，通過與定時器1cT2計數(shù)寄存器的值進行比較來產(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。設直流側重點的口作為參考點，則上管導通時輸出電壓為 ，下管導通2dU時輸出電壓為 。因此對永磁同步電動機進行弱磁控制并且拓寬弱磁范圍有著重要的意義。永磁同步電動機弱磁困難的根本原因在于磁路結構的特殊性。直接轉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算復雜性，系統(tǒng)控制結構簡單，控制思路新穎，因此從提出之初就受到了人們的廣泛關注。最后f ??通過SVPWM模塊輸出六路控制信號驅(qū)動逆變器工作，輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入電動機定子。通過矢量控制使電機運行在最佳狀態(tài)。直流電機本身具有良好的解耦性，可以分別控制其電樞電流和勵磁電流達到控制電機轉矩的目的。從原理上，這種方法類似于直流電機改變電樞電壓的調(diào)速控制方法，但是又與直流電機稍有差別。基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究17第 3 章 永磁同步電機矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 永磁同步電機的控制策略永磁同步電機的主要控制策略有：外同步控制、自同步控制與弱磁控制 。在認為旋轉坐標系的旋轉角頻率與轉子旋轉角頻率一致，并且當 軸與轉子主磁d通方向一致時，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轉子的電壓回路方程式： ()0d ds nq qrnsVIRPLL?????? ?????? ????? ?? ??????? ??由于事實上有： ， ，并且 和 ，所以上面的方程式()與1rfMI?dq??前面的方程式()相同。然而，事實上，我們也可以d?通過直接引入旋轉坐標系( )來得到永磁同步電機定向后的數(shù)學模型，并可進行一q下對比。T ()39。（3）從某種意義上來看，我們可以認為三相繞組向兩相繞組系統(tǒng)的變換關系就是一種阻抗變換關系。 ， 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 ， 。以三相電機為例，說明將三相坐標簡化為兩相坐標。uvw ? 為各自繞組的自感， 為各相繞組之間的互感。 永磁同步電機在靜止坐標系( )上的模型V永磁同步電動機三相集中繞組分別為 U，V，W，各相繞組的中心線在與轉子軸垂直的平面上，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勢。[5]永磁同步電動機的定子是指電動機在運行狀態(tài)下靜止不動的部分，其與異步電動機定子結構相似，主要是由硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機殼及端蓋部分組成。(4)智能控制技術的發(fā)展是學科發(fā)展的一個新階段。(2)我國是世界第一稀土大國，稀土的總儲量約占全球稀土資源的80％。對最新出現(xiàn)的電氣傳動研究方向，如：自適應控制技術、人工智能的控制技術及無速度傳感器技術與應用同國際先進水平還有較大差距。對于大的變頻器廠家來說，目前只有ABB宣傳做出DTC產(chǎn)品，其產(chǎn)品的響應速度只有5ms，這是矢量控制遠遠達不到的。(3)電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術SVPWM。如果永磁電機的相數(shù)等于槽數(shù)，則其等同于一臺直流電機。外同步運行常用于開環(huán)控制，多用在紡織工業(yè)的小容量多電機拖動系統(tǒng)中，這種場合要求多臺電動機嚴格同步運行。永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)不需要勵磁裝置，具有重量輕、效率高、可靠性高的優(yōu)點。此外，永磁材料的高能積、小尺寸、輕量化等特點，給永磁電機帶來一系列突出優(yōu)點：(1)電機電磁轉矩波動小、轉速(3)體積小、結構簡單、重量輕、可靠性高?？勺鳛橛来磐诫姍C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 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究2本和充足的材料來源等原因，引起了各主要工業(yè)發(fā)達國家的重視，并進行了大量的研究和應用開發(fā)工作。早在十九世紀二十年代出現(xiàn)的世界上第一臺電機，就是由永磁體產(chǎn)生勵磁磁場的永磁電機。3 月 13 日——3 月 25 日：畢業(yè)實習、撰寫實習報告3 月 27 日——5 月 30 日：畢業(yè)設計、4 月中旬畢業(yè)設計中期抽查6 月 1 日——6 月 7 日：撰寫畢業(yè)設計說明書（論文）6 月 8 日——6 月 10 日：修改、裝訂畢業(yè)設計說明書（論文），并將電子文檔上傳FTP。2）掌握永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)。(4)本文在研究MATLAB/SIMULINK的基礎上，建立了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進行了控制仿真研究，仿真結果表明，該控制系統(tǒng)響應速度快，超調(diào)量小，抗干擾性能強。此外，英國曼徹斯特大學的 教授對永磁同步電機變頻運行時參數(shù)及性能的分析，波蘭學者P．M．Petczwski 對永磁同步電機最優(yōu)模型位置跟蹤控制系統(tǒng)的研究，意大利學者Alfio Consoli 對永磁同步電機等效電路的分析均各具新穎性和獨到之處。由于我國稀土資源蘊藏量占世界 85％以上，因而在開發(fā)高磁場永磁材料一方面具有得天獨厚的有利條件。德國、法國和瑞士等國對永磁電機及其控制系統(tǒng)在艦艇電力推進中的應用進行了大量的研究工作，中國船舶重工集團公司武漢船舶推進裝置研究所也對此進行了預研。 永磁同步電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢對永磁同步電動機的控制方法的研究始于七十年代，與當時在調(diào)速應用中占主導地位的直流電動機相比，永磁同步電動機由于具有強耦合、非線性及多變量的特性，為獲得較好的調(diào)速控制性能，需要采用復雜的控制算法，其調(diào)速控制系統(tǒng)復雜而昂貴。這種方法在原理上類似于直流電機改變電樞電壓的調(diào)速方法，但是又與直流電機稍有差別。這些技術的特點是采用多電平技術，用低耐壓功率器件來輸出高壓。目前，采用此種算法的調(diào)速控制器越來越普遍。目前國內(nèi)對永磁同步電動機控制系統(tǒng)的研究進行了很多，但主要還存在以下不足之處 ：[3](1)國內(nèi)對永磁同步電動機的研究工作主要側重于電動機本體的研究，對其調(diào)速控制系統(tǒng)的研究工作較少。(3)設計并實現(xiàn)基于DSP的控制系統(tǒng)軟件，包括系統(tǒng)初始化、轉子定位程序、AD轉換程序、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，從而達到與模擬控制器可比的數(shù)值，抗負載擾動的能力也得到加強。這些電磁約束對了解同步電機的原理、分析其運動規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎。它們的根本不同在于轉子磁極所在位置，凸極式是將永磁鐵安裝在轉子軸的表面，因為永磁材料的磁導率很接近空氣磁導率，所以在交軸( 軸)和直q軸( 軸)上的電感基本相同。因此對三相永磁同步伺服電機的控制也和對三相異步電動機的控制相似，采用矢量控制。? ——微分算子（ ） 。轉子磁鏈在各相繞組中的交鏈分別為： ?????????????????)34cos(2)cs(??MIfrwvuMIf為轉子磁鏈的幅值，對于給定永磁同步電動機來說該值一般為常數(shù)。 與 中的??FkS??2 ?? 1S2每一個元都具有一一對應的關系。rt????r，sR???32L??? 另有， ，132ffMII??UVWIT????????UVWT????????則轉矩方程： eI????????（）式中：，1cos()fMI????1sin()fI???通過對于三相坐標系向兩相坐標系的變換關系，我們可以得到如下的結論：（1）電壓回路方程變量個數(shù)減少了，給分析問題帶來了很大的方便。 軸的旋轉角頻率為 , 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(包括磁勢方向) , 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 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究15 ， ——永磁同步電動機的 ， 軸電流。在基速以下恒轉速運行區(qū)中，采用轉子磁鏈定向的永磁同步電機定子電流矢量位于 軸，無 軸分量，即定子電流全qd部用來產(chǎn)生轉矩，此時永磁同步電動機的電壓方程可寫為： ()0sdqrd qq rrsRPLVIL?????????? ??????? ????? ??其中： I電磁轉矩方程為： erqTI??基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究16由于 ，所以以上得到的轉矩方程與上面介紹的控制 ，電機的轉矩1rfMI?? 0qI?方程 是一致的。 永磁同步電機自同步控制策略1)永磁同步電動機自控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速，又稱無刷直流型調(diào)速，整個系統(tǒng)主要由電動機本體，位置檢測環(huán)節(jié)以及驅(qū)動器三大部分組成。 ．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，永磁無刷伺服電動機激磁磁場每相繞組的反電勢和輸入電流波形為正弦波，與一般交流同步電動機的概念相同。(4)SVPWM模塊和逆變模塊。本系統(tǒng)將使用矢量控制策略。因為當電壓達到極限值時，為了使電機能以更高的轉速運行，必須維持電機內(nèi)部的反電動勢等于額定狀態(tài)時的大小，而反電動勢與轉速和氣隙磁通的乘積成正比，因此必須使轉速與氣隙磁通的乘積保持不變，也就是要使氣隙磁通隨轉速增大而減小，即所謂的弱磁控制。而提高永磁同步電機的弱磁能力，主要通過改善電機結構設計和改進控制方法兩種途徑。空間矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM波不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機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必須實時追蹤轉子磁場，并且兩磁場實時保持正交以實現(xiàn)永磁電機交流伺服系統(tǒng)的矢量控制。其它六個矢量稱為有效矢量，有效矢量長度均為。4T60在此： 42(10)3dUj??基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究236213()dUj??cosinrefrefj?把上式代入(3．2)得： 46213()(csi)32ddrefTUjUj????零矢量只是補足 ， 外的時間，它對矢量的合成不產(chǎn)生影響。1T2表 1 ， 賦值表T2扇區(qū)號 I II III IV V VI1TZYZ?XY?2XZ上表可以在向量圖中得到驗證。在超調(diào)量 ?%?5%時，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 應用領域的不斷拓寬，對電機控制系統(tǒng)的設計要求也越來越高，既要考慮成本低廉、控制算法合理，又需兼顧控制性能好、開發(fā)周期短等特點。它具有強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、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，在分析了永磁同步電機數(shù)學模型的基礎上，給出了永磁同步電機的建模方法。 ．(2)基本元件模塊庫：包括串聯(lián) RCL 負載、并聯(lián) RCL 負載、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。本文運用 MATLAB/IMULINK 建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進行了控制仿真研究，為進一步的實際研究奠定理論基礎。?1nsk??12Ts?tK1JS???? ?1T??qi 采用PI速度控制的結構圖基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究28第 4 章 系統(tǒng)仿真模型隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀上永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電機(PMSM)得以迅速推廣應用。電流環(huán)采用PI控制。1T， 值的計算可歸納為下面三個值的計算。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，他們分別對應逆變器的八個開關模式。下面就講述空間矢量脈寬調(diào)制原理及實現(xiàn)。由此引起的后果是：建立同樣大小的電樞反應氣隙磁場，永磁同步電