【正文】 動(dòng)機(jī)需要比普通同步電動(dòng)機(jī)大得多的電負(fù)荷，即在正常的電負(fù)荷下，永磁同步電動(dòng)機(jī)的交直軸電樞反應(yīng)相對(duì)于普通同步電動(dòng)機(jī)微乎其微。目前直接轉(zhuǎn)矩控基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究20制在PMSM中應(yīng)用的研究多集中在其它控制策略與直接轉(zhuǎn)距的復(fù)合使用以及無傳感器控制等方面 。其中 式應(yīng)用最多，其突出優(yōu)點(diǎn)是沒有cos1?? dI電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會(huì)引起永磁體的去磁現(xiàn)象，且可以實(shí)現(xiàn)隱極式電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。(2)電流環(huán)、速度環(huán)PI控制器。因此，矢量控制既需要控制定子電流的幅值，又需要控制電流的相位。如果每個(gè)槽對(duì)應(yīng)于1個(gè)換向片，則每次參與換流的只是1個(gè)槽的繞組。多臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)在公共的變頻器上，統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)同時(shí)調(diào)節(jié)各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種系統(tǒng)雖然解決了啟動(dòng)問題，但轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未很好地解決，一旦其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失步，將影響其他電動(dòng)機(jī)正常工作。由上面的推導(dǎo)可以看出，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子 軸電流分d量和 軸電流分量。那么基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( )中的永磁同步電動(dòng)機(jī)dq?的定子磁鏈方程為： ()0ddrqqLI???????????????????其中： ——轉(zhuǎn)子磁鋼在釘子上的耦合磁鏈。dqVT?????????39。? I??但 ， 任然是幅值隨著正弦變化的物理量，為了用類似直流電機(jī)控制的方法對(duì)同步I??電機(jī)進(jìn)行控制，我們還需要把空間位置靜止但幅值變化的 ， 從（ ， ）坐標(biāo)系I?向空間位置旋轉(zhuǎn)但幅值恒定的（ ）坐標(biāo)系變換的電機(jī)模型。由此，我們可以得到由三相靜止繞組的電壓回路方程變化到兩相靜止繞組的電壓回路方程為： 0sin()0 cos rfsVIRPLMIL? ??? ???? ???? ??????? ?? ???? ??????（）其中： 為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度。因?yàn)?， ， 會(huì)在軸向上產(chǎn)生分量，可以把氣隙內(nèi)的磁場(chǎng)簡(jiǎn)化為UFVWF一個(gè)二維的平面（ ） ，所以 ， ， 就成為在同一個(gè)平面場(chǎng)內(nèi)的三個(gè)向量，它2RUVWF們的值分別為 ， ， 。)(?Mxy(2)不考慮磁飽和現(xiàn)象，即各相繞組的自感 、繞組之間的互感 與通)(?Lx)(My入繞組中的電流大小無關(guān)，忽略漏磁通的影響。Uuvw ， ， ——各相的線電流。兩種磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這樣的永磁稀土材料具有很高的剩余磁通密度和很大的矯頑力，加上它的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相仿，對(duì)于徑向結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)交軸和直軸磁路磁阻都很大，可以很大程度上的減少電樞反應(yīng)。雖然將智能控制用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)性能(如穩(wěn)定性和魯棒性)缺少客觀的理論預(yù)見性，且設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)需獲取大量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩：另外，交流傳動(dòng)智能控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，它的實(shí)現(xiàn)依賴于DSP，F(xiàn)PGA等電子控制器件的高速化。電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字化是現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。主要包括以下幾個(gè)方面：(1)詳細(xì)討論永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程、向量圖、轉(zhuǎn)矩等特性，并對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析：提出永磁同步電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制策略，為控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給出理論依據(jù)及現(xiàn)實(shí)的解決方法。為獲得高性能、高精度的執(zhí)行效果，需要使用變頻電源對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。矢量控制算法在高性能領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。SPWM在通用變頻器中越來越成熟，且在高壓變頻器領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位。2)自控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)包含永磁電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器、主回路和控制回路。1996年3月，芬蘭的通力(KONE)公司推出了以碟式永磁同步拽引機(jī)為核心的3000MonoSpac型電梯升降系統(tǒng)，為機(jī)房電梯開創(chuàng)了電梯無齒輪傳動(dòng)的新時(shí)代。德國(guó)西門子公司早在1996年便完成了1100KW，230轉(zhuǎn)／分永磁同步推進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，并于1997年進(jìn)行了實(shí)船運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。自上世紀(jì)九十年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料性能的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。英國(guó)學(xué)者 Merrill 最早提出了稱之為“Permasyn”的永磁交流電機(jī)設(shè)計(jì)方案。(3)在分析了TI公司的高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)TMS320LF2407A的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過其專用開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了基于該DSP的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，完成了控制器、功率變換單元以及位置檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路。誠 信 聲 明本人聲明：本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。(2)在分析了PMSM的工作原理及其運(yùn)行特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，深入研究了永磁同步電機(jī)的矢量控制理論，采用SVPWM矢量控制技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上建立PMSM數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了采用速度和電流雙閉環(huán)的矢量控制策略。直到上世紀(jì)七十年代末、八十年代初，隨著永磁材料的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)才以其體積小、功率密度高、效率和功率因數(shù)高等顯著的優(yōu)點(diǎn)引起了電機(jī)設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究人員的廣泛關(guān)注和重視?？梢灶A(yù)測(cè)，釹鐵硼永磁材料有可能在相當(dāng)大程度上取代某些永磁材料，成為永磁同步電動(dòng)機(jī)首選的永磁材料。永磁同步電動(dòng)機(jī)在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中也得到了充分的應(yīng)用。專為電梯設(shè)計(jì)的稀土永磁同步無齒拽引機(jī)的成功研制，為綠色電梯的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。這種系統(tǒng)雖然解決了啟動(dòng)問題，但轉(zhuǎn)子振蕩和失步問題并未得到很好的解決，一旦其中一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失步，將影響其他電動(dòng)機(jī)正常工作，因此這種調(diào)速方法用途有限。SPWM的變形有很多種，例如：梯形波與三角波相交的方法，馬鞍波與三角波相交的方法(三次諧波注入法)等。(4)矢量控制FOC算法。 課題研究的背景及本文的主要研究?jī)?nèi)容在直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、交流同步電機(jī)三大電機(jī)形式中，永磁同步電動(dòng)機(jī)因其優(yōu)良的性能和多樣的結(jié)構(gòu)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、日常生活、航空航天和國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在本課題中對(duì)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制器進(jìn)行了研究，采用SPWM控制方法，并結(jié)合美國(guó)TI公司的DSP芯片TMS320F2407A設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟件。(3)微處理器的發(fā)展促進(jìn)了電力電子系統(tǒng)中數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，即采用軟件技術(shù)，提供了更大的靈活性和更好的性能。目前智能控制在控制系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下可以自由旋轉(zhuǎn)的部分，采用磁性材料組成，如釹鐵硼等，不再需要額外的直流勵(lì)磁電路。當(dāng)定子通以三相對(duì)稱的正弦波交流電時(shí)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。 UIWw?VI 三相集中繞組分布三相繞組的電壓回路方程如下： ()????????????????????? wvupIRssUwvu0基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究9式中： ， ， ——各相繞組兩端的電壓。(1)氣隙分布均勻，磁回路與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)，即各相繞組的自感 、繞組之)(?Lx間的互感 與轉(zhuǎn)子的位置無關(guān)。每相繞組在氣隙中產(chǎn)生的單位磁勢(shì)(磁勢(shì)方向)記為：， ， 。? 等效關(guān)系為： ()?????????????????? WVUINwFvuINF32???式中： ——兩相繞組 ， 的匝數(shù) 2N ——三相繞組 U，V,W 的匝數(shù)3根據(jù)（）式可以得到電流的變化矩陣： ?????????????????????? WVUITINI230123??（）滿足功率不變時(shí)應(yīng)有： 32?N因此得到從U，V，W坐標(biāo)軸向 ， 坐標(biāo)軸的變換矩陣T為：?? 12303?????????基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究12（）永磁電機(jī)的電壓變換關(guān)系與磁動(dòng)勢(shì)變化關(guān)系是一致的。若想要控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩就必須要控制 ， 的電流頻率、幅值和相位。dqII????????39。做以下假設(shè)：電動(dòng)機(jī)是線性的、參數(shù)不隨溫度等外界環(huán)境因素變化、忽略磁滯、渦流損耗、轉(zhuǎn)子無阻尼繞組。同時(shí)也可以得到轉(zhuǎn)矩的方程式為： ()()[()]edqrqdqdTPIPILI??????其中： 為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)。外同步運(yùn)行常為開環(huán)控制，多用在小容量多電機(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。直流電機(jī)采用機(jī)械換向器進(jìn)行換向，且每次換向只有1個(gè)換向片上的繞組電流換向。矢量控制通過磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯?lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性。永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)原理框圖如圖3．1所示，由圖可以得知永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)以下四部分組成：(1)位置和速度檢測(cè)模塊。在永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制中，常用的控制模式有直軸電流 模式、功率因數(shù)0dI?式、轉(zhuǎn)矩線性模式和恒磁通模式。直接轉(zhuǎn)矩控制理論研究已取得很大進(jìn)展，但它在永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用方面技術(shù)還不夠成熟。因此，交直軸磁路的等效氣隙都很大，交直軸同步電抗較普通同步電動(dòng)機(jī)小很多?？梢娔芊駥?shí)時(shí)準(zhǔn)確的產(chǎn)生六路PWM對(duì)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)控制是很關(guān)鍵的。分別表示逆變器的三相上橋臂的開關(guān)狀態(tài)。一個(gè)正弦周期內(nèi)發(fā)出的合成矢量越多，意味著開關(guān)頻率越高．以第三扇區(qū)為例，用最近的兩個(gè)相鄰有效矢量 ， 。U??refU??2）計(jì)算 ， ， 和 ，XYZ1T2， ——不同扇區(qū)內(nèi)相鄰向量的作用時(shí)間。在突加負(fù)載時(shí)不希望有超調(diào)或超調(diào)越小越好，為此可以把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。代入數(shù)據(jù)可以求得 和 的數(shù)值。目前，國(guó)內(nèi)外在異步電機(jī)的建模與控制已基本成熟，而對(duì)永磁同步電機(jī)的控制和建模則有大量的工作需要做。電氣系統(tǒng)模塊庫包括以下六個(gè)子模塊庫組成： (1)電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等。在以上模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝出常用的更為復(fù)雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。[9]基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究30Permannent MagnetsychanMachineOidABCTmmUaUbUBUAUCSubsystem3UsdUsqIn3UaUbSubsystem2in1im1idiqSubsystem1iaibinimSubsystemStepCSpeedScope4Scope3Scope2Scope1In1Out1PI2In1Out1PI1In1Out1PIKrGain1 KrGainDemuxAdd圖 永磁同步電機(jī)矢量控制雙閉環(huán)仿真框圖基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究311)速度 PI 控制模塊 速度PI仿真模型2)電流 PI 控制模塊 電流Pl仿真模型3)PWM 逆變器模塊 可控電壓源仿真模型基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究32 PWM逆變器仿真模型4)坐標(biāo)變換模塊 坐標(biāo)變換( )仿真模型/dq?? 坐標(biāo)變換( )仿真模型/abc??基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究33 仿真結(jié)果及分析為驗(yàn)證永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文對(duì)電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變以及電機(jī)運(yùn)行時(shí)速度給定突變等情況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)模塊化建模思想，將整個(gè)控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊。(4)電機(jī)模塊庫：包括激磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。SIMULINK 可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。因此，如何建立有效的 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型成為電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)人員迫切需要解決的關(guān)鍵問題。 1isk??t 1JsuK1smRT?sKqi??qu 1T????圖 具有 PI 電流控制器的結(jié)構(gòu)圖 速度環(huán) PI 控制器的設(shè)計(jì)速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力，抑制速度波動(dòng)。， 賦值后，還要對(duì)其進(jìn)行飽和判斷：1T2若 ，則 ， 保持原值不變?1T2若 ,則 ， 。由等式兩邊實(shí)部和虛部相等得： 43(cosin)2refdTTU???6iref046T隨著參考電壓空間矢量 的長(zhǎng)度增加，輸出電壓的基電壓幅值也線性增加，refU， 也線性加大， 逐漸減小，但是，要使合成矢量在線性區(qū)內(nèi)就必須滿足下列等4T60T式： 46T??為使波形對(duì)稱，把每個(gè)矢量的作用時(shí)間都一分為二，同時(shí)把零矢量時(shí)間等分給兩個(gè)零矢量 和 。23dU眾所周知，對(duì)稱的三相正弦變量按()式合成，將得到一個(gè)幅度固定的勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量?？臻g矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，電流波形畸變減少，而且與常規(guī)的SPWM技術(shù)相比直流電壓利用率有很大的提高，并且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。弱磁控制可實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)能輸出恒定轉(zhuǎn)矩，高速時(shí)能輸出恒定功率，有較寬的調(diào)速范圍。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永磁體