【正文】 在轉(zhuǎn)速給定值為 400rad/s 及負(fù)載突變的情況下，對(duì)該系統(tǒng) SIMULINK模型進(jìn)行仿真，得到轉(zhuǎn)矩和三相電流的曲線(xiàn)如圖 47 和圖 48 所示。電流控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。 利用 SIMULINK 構(gòu)建 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用 MATLAB/Simulink 與電氣傳動(dòng)仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)建立了分別基于電流滯環(huán)控制和三角載波比較跟蹤控制的 PMSM 系統(tǒng)矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為 PI 型；速度給定值與實(shí)際電角速度相比較后經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，輸出為交軸電流參考值，直軸電流給定值。圖 46 性能指標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （412）SsipCK)(G??兩個(gè)運(yùn)算放大器傳遞函數(shù)為： （413）sssinC CR)(E)( 21120??比較（1） 、 （2）得： （414） RK12?p （4i15）三運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)為： （4sss iinC CR)(E)(G2120???16）因此 PI 控制器參數(shù)與電路原件參數(shù)關(guān)系為： （4RK12p17） （4Cii?18）電路的優(yōu)點(diǎn)的 和 的值之間相互獨(dú)立；但不論哪種電路， 的值都Kpi Ki與電容值成倒數(shù)關(guān)系，有效的 PI 控制設(shè)計(jì)一般要求小的 值，因此我們必須i再次注意不符合實(shí)際的大電容值。因此， “施加扭矩”就成了一個(gè)關(guān)鍵的狀態(tài)量。則中間變換矩陣應(yīng)該是正交矩陣的部分行。120cosN332 ????iii CBA? （42）nn0?式中 和 分別是兩相繞組和三相繞組的有效匝數(shù)。這兩個(gè)變換都是定子側(cè)的電流旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)原則是，不論怎么變換其實(shí)都是一種遐想的坐標(biāo)系，都只有原始的三相繞組，通三相電流。永磁同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度在物理上是均勻的，但由于永磁材料的磁阻和鐵磁材料的磁阻不一樣，氣隙磁阻的分布并不均勻，通常 d 軸即磁極軸線(xiàn)的磁阻比 q 軸相鄰兩個(gè)磁極磁阻的中性線(xiàn)的磁阻大。磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而磨坊直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流調(diào)速達(dá)到并超出傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。如果且 ，則滯環(huán)控制器輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開(kāi)關(guān)器iaref?haref??i件 V1 導(dǎo)通，此時(shí)逆變器輸出正電壓，使實(shí)際電流增大。PMSM 系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)構(gòu)成的二環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴(lài)于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。為求得改善，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。PWM 控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電 。由于 軸固定在定子 A 相繞組軸線(xiàn)，故Vj?坐標(biāo)系亦為靜止坐標(biāo)系。而與繞組軸線(xiàn)重合的脈振磁場(chǎng)ψf?則產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。電角度，每相繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型能夠描述實(shí)際系統(tǒng)各物理量之間的關(guān)系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電機(jī)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用。(3)磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。在永磁同步電機(jī)中，用于勵(lì)磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁繞組，從而勵(lì)磁銅耗得以消除，轉(zhuǎn)子慣性也相應(yīng)的降低，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。 對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電流為正弦波。從永磁體安裝方式上，轉(zhuǎn)子分為表面粘貼式、表面插入式和內(nèi)置式，如圖 21 所示。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組介入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接入直流而形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用。為滿(mǎn)足不同的仿真要求并提高仿真速度還設(shè)有晶閘管簡(jiǎn)化模型；4）電機(jī)模塊庫(kù)：包括激磁裝置、勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電機(jī)等；5）連接模塊庫(kù)：提供組織電力電子仿真線(xiàn)路的各連接件，包括地、中性線(xiàn)和母線(xiàn)（公共點(diǎn)）等；6）測(cè)量模塊庫(kù)：包括電流測(cè)量和電壓測(cè)量和電抗的測(cè)量模塊等；7）附加電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)：包括均方根測(cè)算、有功與無(wú)功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器以及三相庫(kù)等； 在以上模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝成常用的較復(fù)雜的模塊，添加到所需的模塊中去。SIMULINK 可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線(xiàn)性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。1990 年，Math Works 軟件公司命名為 SIMULAB,1992 年正式將該軟件更名為 SIMULINK，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段 SIMULINK 的名稱(chēng)表明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：Simu(仿真)和 Link(連接)，即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。其工具箱有分為兩類(lèi)：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。6） MATLAB 的圖形功能強(qiáng)大。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專(zhuān)家編寫(xiě)，用戶(hù)不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f(shuō)，無(wú)論你從事工程方面的哪個(gè)學(xué)科，都能在 MATLAB 里找到合適的功能。Math Works 公司 1993 年推出了 版，1995 年推出 版（for ）1997 年推出 版。在當(dāng)今 30 多個(gè)數(shù)學(xué)科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類(lèi)。在當(dāng)時(shí)這兩個(gè)程序庫(kù)代表矩陣運(yùn)算的最高水平。當(dāng)前流行的 MATLAB 部函數(shù)的主包和三十幾種工具包（Toolbox） 。仿真技術(shù)目前仍然存在一些缺陷，例如建模方法尚不完善，研究同一個(gè)系統(tǒng)的同一個(gè)問(wèn)題可以建立出不同的模型，而且有些社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題尚無(wú)法建立準(zhǔn)確的模型進(jìn)行求解。近年來(lái)，在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，多家公司都推出了專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的芯片。隨后，1985 年，有德國(guó)魯爾大學(xué) 教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如 SVPWM、 DTC、SVMDTC 、MRAS 等方面都在實(shí)際中得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20 世紀(jì) 70 年代，永磁同步電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)高性能的電流環(huán)控制，對(duì)比了常規(guī)電流滯環(huán)控制和三角波載波比較方式的電流滯環(huán)控制。在 MATLAB 中搭建了兩種電流滯環(huán)控制方式的仿真模型，通過(guò)仿真得出采用常規(guī)電流滯環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響比較大，而采用三角載波比較方式的電流滯環(huán)控制容易獲得良好的控制效果。20 世紀(jì) 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的進(jìn)展，特別是剩磁高、矯頑力大而價(jià)格低廉的第三代新型永磁材料釹鐵硼（Nd Fe B）的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過(guò)分依賴(lài)于電機(jī)的參數(shù)等等，因此，對(duì)控制策略中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響這一問(wèn)題。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、電流環(huán)以及位置環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以高速、高精度的完成。進(jìn)入 90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的各個(gè)方面都取得了很大的發(fā)展。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。到 70 年代后期，身為美國(guó) New Mexico 大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任的 Cleve Moler,在給學(xué)生講授線(xiàn)性代數(shù)課程時(shí)，想教會(huì)學(xué)生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 FORTRAN 編寫(xiě)接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫(xiě) EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。一類(lèi)是數(shù)值計(jì)算軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss 等，這類(lèi)軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類(lèi)數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica、Maple 等，這類(lèi)軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。1993 年推出 版。一種語(yǔ)言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語(yǔ)言的特點(diǎn)，正如同 FORTRAN 和 C 等高級(jí)語(yǔ)言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱(chēng)作為第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來(lái)?？梢哉f(shuō)，用 MATLAB 進(jìn)行科技開(kāi)發(fā)是站在專(zhuān)家的肩膀上。在 FORTRAN 和 C 語(yǔ)言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。功能性工具箱主要用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。MATLAB 語(yǔ)言及其 SIMULINK 可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，使用 SIMULINK 可以迅速建立各種線(xiàn)形或非線(xiàn)性系統(tǒng)模型，用戶(hù)可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，而且仿真速度比使用 MATLAB語(yǔ)言更快。它由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。 本文主要任務(wù)本文立題為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究?jī)?nèi)容：（1） 建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；（2） 介紹永磁同步電機(jī)的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程；（3） 介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)；（4） 建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；（5） 對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： ，式中 為電源頻率； 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)Pf60nnss?fsPn數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。圖 21 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 其中圖 21(a)為表面粘貼式，圖 21(b)為表面插入式，圖 21(c)為內(nèi)置式。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢(shì)，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增大氣隙磁密，電機(jī)轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來(lái)高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。傳統(tǒng)的電梯拽引技術(shù)應(yīng)用了齒輪間接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料消耗較大、運(yùn)行效率低以及維護(hù)復(fù)雜、噪聲大等缺點(diǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)是各種電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向之一。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型認(rèn)識(shí)、分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。有所不同的是定子每相繞組內(nèi)部的磁鏈，普通三相交流感應(yīng)電機(jī)由定子三相電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；普通同步電機(jī)由定子三相繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和阻尼繞組電流共同產(chǎn)生；永磁同步電機(jī)由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到 A 相繞組由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電勢(shì)為： （215）θsinωψpff??AAe圖 22 圓形磁場(chǎng)與脈振磁場(chǎng)其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度 等于轉(zhuǎn)子位置角的微分：ω （216）pθ?同理有， （217）3)2πcos(ψf?B （218）ff?C由此，根據(jù)式（218）可以求出 B 相和 C 相繞組中由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為： （219）)3/2θsin(ωψf???eB （220）f?C三相繞組感應(yīng)電勢(shì)也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即： （221）)γθsin(ψfXXe??由式（221）可知，永磁磁場(chǎng)在定子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的幅值為，它不僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，還與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子電樞繞組匝鏈的ωf磁鏈成正比。? 永磁同步電機(jī) dq 坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其 d 軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)，q 軸逆時(shí)針超前圖 24 兩相靜止坐標(biāo)系d 軸 90176。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM 進(jìn)行編碼。1964 年 和 首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開(kāi)辟了新的局面。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音（在線(xiàn)性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的） ，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特性的有色噪音強(qiáng)度大大消弱。尤其的電流環(huán)，他是高性能 PMSM 系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)實(shí)際電流增大到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，V1 保持導(dǎo)通，使實(shí)際電流繼續(xù)增大直達(dá)到 ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，滯環(huán)控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷aref??iV1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng) V4。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。永磁同步電機(jī)模型如圖