【正文】 UeUeUe???? ??? ??? ??? （ 41） 三相合成的空間電壓矢量 U1可寫為 （ 42） 由于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)模型的有效性。 下表列出了兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)與性能的比較。由十磁動(dòng)勢(shì)是線圈中電流和匝數(shù)的乘積，定子電流矢量可用磁動(dòng)勢(shì)除以每相匝數(shù)獲得。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 20 1) 六邊形的磁鏈軌跡控制： 如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器 的控制程序簡(jiǎn)單，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大； 2) 圓形磁鏈軌跡控制： 如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。 2. 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)： 1) ASR 的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)； 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 19 2) 設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。 、錯(cuò)誤 !未找到引用源。 直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)是：通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制，其基本原理如圖 37 所示。 矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動(dòng)機(jī)控制方案。 （ 318） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量Park 矢量變換表達(dá)式為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。每?jī)蓚€(gè)工作電壓空間矢量在空間的位置相隔 60186。 種開關(guān)組合。 、 SA 、 SB 、 SB 、 SC 、 SC ）組成。 隨時(shí)間變化。 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：兩相繞組每相繞組匝數(shù) 60?60?O ACB??2Ni?3 BNi2Ni?3 CNi永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 12 圖 32 Clarke（ 3s/2s） 變換 各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 ??? 軸上的投影都應(yīng)相等，因此 錯(cuò)誤 !未找到引用源。條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。 經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器及反 Park 變換后為 SVPWM 調(diào)制算法提供兩相電壓 ?? 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 產(chǎn)生偏差 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 3) 轉(zhuǎn)子速度 /位置反饋模塊將測(cè)量的轉(zhuǎn)子角速度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來(lái)準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無(wú)傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)量； 4) PID 控制模塊； 5) Clark、 Park 及 Reverse Park 變換模塊。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 9 在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便。永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為非線性、多變量，它含有 ? 與 id 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 22 定子、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 8 3 永磁同步電機(jī)控制策略 任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。 （ 23） 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 7 錯(cuò)誤 !未找到引用源。圖 22 給出永磁同步電動(dòng)機(jī)在 (d， q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性 [11]。但是這種電機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)就是交流電能量由直流提供，這樣就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的 控制，而且解決了電刷帶來(lái)的壽命問(wèn)題。 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。 第四章應(yīng)用矢量控制在 Matlab 環(huán)境中對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模和仿真。例如多電飛機(jī)和全電飛機(jī)是未來(lái)飛機(jī)的重要發(fā)展方向，多電飛機(jī)和全電飛機(jī)在歐美等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開始研制 [4]，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是用電力作動(dòng)器取代目前廣泛應(yīng)用的液壓作動(dòng)器，而這種取代的基本條件是電力作動(dòng)器的功率密度和動(dòng)態(tài)性能能否達(dá)到液壓作動(dòng)器的水平，目前的普通航空用電機(jī)還不能滿足該要求，因此必須研究和開發(fā)出性能更好的電機(jī)，為發(fā)展各種先進(jìn)的航空設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ) [5]。正向高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化和微型化方面發(fā)展。其起源很早，在 19 世紀(jì) 20 年代所出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁的永磁電機(jī) [3]，但當(dāng)時(shí)所采用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，所制成的電機(jī)體積大，不久便被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。 本文先 對(duì)永磁同步電機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了一個(gè)比較全面的闡述 ，然后對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹 ，最后講述了幾種永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制策略。 同時(shí)本文 在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 ,借助于 Matlab強(qiáng)大的仿真建模能力 , 在 Matlab/Simulink中建立了 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型 ,為 PMSM 控 制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了有效的手段和工具。而 早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。 我國(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號(hào)中得到成功的應(yīng)用 , 所以在開發(fā)高磁場(chǎng)永磁材 料方面我國(guó)具有得天獨(dú)厚的有利條件。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 3 論文主要研究?jī)?nèi)容 永磁同步電機(jī)隨著其本身的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外引起了人們的廣泛關(guān)注，所以 其應(yīng)用前景非?？捎^，并加上我國(guó)得天獨(dú)厚的最大稀土占有國(guó)的優(yōu)勢(shì)，永磁電機(jī)必會(huì)在我國(guó)形成一個(gè)應(yīng)用高潮。 第五章是研究總結(jié)以及未來(lái)研究方向和展望。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi) 置式。 與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有以下特點(diǎn)。 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電時(shí)，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。 (1) 定子電壓方程為： ??? fqi drdPu d ??? （ 21） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差 90176。 或 iq 的乘積項(xiàng)，因此要得到精確的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對(duì) ? 和 id 、 iq 解耦。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。 圖 31 矢量控制原理圖 1) 將電流讀取模塊測(cè)量的相電流 ia 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 參考轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與檢測(cè)到的轉(zhuǎn) 子角位置錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， PI 調(diào)節(jié)器輸出設(shè)定值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過(guò)逆變器來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。 （ 31） 考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。由于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 i?Oq??qii?ds inqi ??s??dis i ndi ?c osqi ?()ssFi1?dUAS BS CSAS BS CS+永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 14 圖 34 PWM 逆變器模型 若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“ +”極接通時(shí)，該相的開關(guān)狀態(tài)為“ 1”態(tài)；反之，與“ ”極接通時(shí)，為“ 0”態(tài)。角度， 6 個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形。 （ 314） ( 1 0 0 )su( 1 1 0 )su( 0 1 0 )su( 0 1 1 )su( 0 0 1 )su ( 1 0 1 )su( 0 0 0 )su( 1 1 1 )su??abca?b?c?12 34567永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 16 對(duì)于狀態(tài)“ 1” Sabc=001 時(shí)；可知 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組 錯(cuò)誤 !未找到引用源。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響 應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。在圖 37 中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ；以及估計(jì)器輸出的磁鏈扇區(qū)信號(hào)，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字給 Sa、 Sb、 Sc 變器。 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器： 用滯環(huán)控制器取代通常的 PI 調(diào)節(jié)器。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時(shí)要設(shè)計(jì)好 Ψ*s = f (?*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值。這相當(dāng)于對(duì)三相電流 ia、 ib、 ic施加 Park 變換。 表 32 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點(diǎn)與性能比較 性能與特點(diǎn) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈 轉(zhuǎn)子磁鏈 轉(zhuǎn)矩控制 砰 砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 連續(xù)控制，比較平滑 坐標(biāo)變換 靜止坐標(biāo)變換，較簡(jiǎn)單 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 無(wú) 有 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 22 影響 調(diào)速范圍 不夠?qū)? 比較寬 小結(jié) 這章 詳細(xì)講述了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制原理并對(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)單的比較。 本章介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理并給出了坐標(biāo)變換模塊、 SVPWM 模塊以及整個(gè) PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型，給出了仿真模型結(jié)構(gòu)圖和仿真結(jié)果。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 將其中 6 個(gè)非零的開關(guān)狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個(gè)空間電壓矢量，如圖43 所示。 （ 46） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大 大減小。 ，則 B=1，否則B=0；當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 410 計(jì)算 Ta、 Tb、 Tc 錯(cuò)誤 !未找到引用源。首先，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流控制系統(tǒng)，由于永磁同步電機(jī)的許多優(yōu)點(diǎn)和矢量控制思想，所以由永磁同步電機(jī)構(gòu)成 的交流控制系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的控制性能；其次，我國(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號(hào)中得到成功的應(yīng)用。 通過(guò)本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設(shè)計(jì)理論，并針對(duì)矢量控制進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了本論文研究的有效性。他的悉心指導(dǎo)和鼓勵(lì)使我克服了在研究中遇到的諸多困難，在本文即將付梓之際，我內(nèi)心充滿感激之情，在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 最后，我愿把最真摯的謝 意送給我的家人，感謝他們自始至終生活上給我的關(guān)心和精神上的理解支持，是他們的無(wú)私奉獻(xiàn)讓我順利地完成我的學(xué)業(yè)。 未來(lái)研究方向和展望 21 世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，使得永磁同步電機(jī)發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機(jī)及其伺服系統(tǒng)，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，結(jié)構(gòu)型式將日趨多樣化，也將會(huì)贏更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應(yīng)用。 通過(guò)分析永磁電機(jī)的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對(duì) PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時(shí)，電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，在 t= 時(shí)負(fù)載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時(shí)間為 [20]。若 TX+TY＞ TS錯(cuò)誤 !未找到引用源。取 N=A+2B+4C。坐標(biāo)變換矩陣的 Matlab 實(shí)現(xiàn)如圖 45 和圖 46 所示： 圖 45 d、 q— a、 b、 c 變換 圖 46 a、 b、 c－ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 48） Udc 錯(cuò)誤 !未找到引用源。改變非零矢量的作用時(shí)間與總的作用時(shí)間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值。 磁鏈和電流空間矢量、電壓平衡方程的矢量表示 錯(cuò)誤 !未找到引用源。直接針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，把逆變器和異步電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制 PWM 電壓，這樣的控制方法稱為“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，