【正文】 UeUeUe???? ??? ??? ??? （ 41） 三相合成的空間電壓矢量 U1可寫為 （ 42） 由于 錯誤 !未找到引用源。仿真結果證明了該系統(tǒng)模型的有效性。 下表列出了兩種系統(tǒng)的特點與性能的比較。由十磁動勢是線圈中電流和匝數(shù)的乘積，定子電流矢量可用磁動勢除以每相匝數(shù)獲得。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 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 的控制程序簡單，主電路開關頻率低，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，則控制程序較復雜，主電路開關頻率高，定子磁鏈接近恒定。 2. 結構特點 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)： 1) ASR 的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號； 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 19 2) 設置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。 、錯誤 !未找到引用源。 直接轉(zhuǎn)矩控制的目標是：通過選擇適當?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運動軌跡為圓形，同時實現(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機控制方案。 （ 318） 錯誤 !未找到引用源。 三相負載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量Park 矢量變換表達式為 錯誤 !未找到引用源。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔 60186。 種開關組合。 、 SA 、 SB 、 SB 、 SC 、 SC ）組成。 隨時間變化。 旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 錯誤 !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永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 12 圖 32 Clarke（ 3s/2s） 變換 各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關空間矢量均位于有關相的坐標軸上設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 ??? 軸上的投影都應相等，因此 錯誤 !未找到引用源。條件下，電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。 經(jīng)過 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 ?? 、 錯誤 !未找到引用源。 產(chǎn)生偏差 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 ； 3) 轉(zhuǎn)子速度 /位置反饋模塊將測量的轉(zhuǎn)子角速度 錯誤 !未找到引用源。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測算法進行測量； 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控制系統(tǒng)設計與仿真 9 在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計算都不方便。永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學模型為非線性、多變量，它含有 ? 與 id 錯誤 !未找到引用源。 圖 22 定子、轉(zhuǎn)子參考坐標系 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 8 3 永磁同步電機控制策略 任何電動機的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。 （ 23） 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 7 錯誤 !未找到引用源。圖 22 給出永磁同步電動機在 (d， q)旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機沒有電刷，簡化了結構，提高了可靠性 [11]。但是這種電機最大的優(yōu)勢就是交流電能量由直流提供，這樣就可以對電機進行精確的 控制，而且解決了電刷帶來的壽命問題。 永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。 第四章應用矢量控制在 Matlab 環(huán)境中對永磁同步電機進行建模和仿真。例如多電飛機和全電飛機是未來飛機的重要發(fā)展方向，多電飛機和全電飛機在歐美等國家和地區(qū)已經(jīng)開始研制 [4]，其中的關鍵技術之一就是用電力作動器取代目前廣泛應用的液壓作動器，而這種取代的基本條件是電力作動器的功率密度和動態(tài)性能能否達到液壓作動器的水平，目前的普通航空用電機還不能滿足該要求，因此必須研究和開發(fā)出性能更好的電機，為發(fā)展各種先進的航空設備和工業(yè)系統(tǒng)奠定基礎 [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 20 年代所出現(xiàn)的第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁的永磁電機 [3]，但當時所采用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，所制成的電機體積大，不久便被電勵磁電機所取代。 本文先 對永磁同步電機及其相關技術的發(fā)展過程、研究現(xiàn)狀和趨勢進行了一個比較全面的闡述 ，然后對永磁同步電機的結構、性能進行了簡要介紹 ，最后講述了幾種永磁同步電機控制系統(tǒng)常用的控制策略。 同時本文 在分析永磁同步電機數(shù)學模型的基礎上 ,借助于 Matlab強大的仿真建模能力 , 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)的分析與設計提供了有效的手段和工具。而 早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。 我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用 , 所以在開發(fā)高磁場永磁材 料方面我國具有得天獨厚的有利條件。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 3 論文主要研究內(nèi)容 永磁同步電機隨著其本身的特點，在國內(nèi)外引起了人們的廣泛關注，所以 其應用前景非?？捎^，并加上我國得天獨厚的最大稀土占有國的優(yōu)勢，永磁電機必會在我國形成一個應用高潮。 第五章是研究總結以及未來研究方向和展望。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內(nèi) 置式。 與傳統(tǒng)異步電機相比，永磁同步電機具有以下特點。 永磁同步電機數(shù)學模型 當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，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） 錯誤 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 錯誤 !未找到引用源。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差 90176。 或 iq 的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對 ? 和 id 、 iq 解耦。需借助復雜的坐標變換進行矢量控制，而且對電動機參數(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) 將電流讀取模塊測量的相電流 ia 和 錯誤 !未找到引用源。 參考轉(zhuǎn)速 錯誤 !未找到引用源。 與檢測到的轉(zhuǎn) 子角位置錯誤 !未找到引用源。 ， PI 調(diào)節(jié)器輸出設定值 錯誤 !未找到引用源。 ，從而進一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，然后重復上述過程，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘俊? （ 31） 考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應為 錯誤 !未找到引用源。 。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見， 錯誤 !未找到引用源。由于 錯誤 !未找到引用源。 i?Oq??qii?ds inqi ??s??dis i ndi ?c osqi ?()ssFi1?dUAS BS CSAS BS CS+永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 14 圖 34 PWM 逆變器模型 若規(guī)定三相負載的某一相與“ +”極接通時，該相的開關狀態(tài)為“ 1”態(tài)；反之，與“ ”極接通時，為“ 0”態(tài)。角度， 6 個工作電壓空間矢量的頂點構成正六邊形。 （ 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永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 16 對于狀態(tài)“ 1” Sabc=001 時；可知 錯誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組 錯誤 !未找到引用源。但因其需要復雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響 應矢量控制中的轉(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， 錯誤 !未找到引用源。 ；以及估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，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，這時要設計好 Ψ*s = f (?*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時的磁鏈給定值。這相當于對三相電流 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)特點與性能比較 性能與特點 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 連續(xù)控制，比較平滑 坐標變換 靜止坐標變換，較簡單 旋轉(zhuǎn)坐標變換，較復雜 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 無 有 永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真 22 影響 調(diào)速范圍 不夠?qū)? 比較寬 小結 這章 詳細講述了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制原理并對它們進行了簡單的比較。 本章介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理并給出了坐標變換模塊、 SVPWM 模塊以及整個 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型，給出了仿真模型結構圖和仿真結果。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯誤 !未找到引用源。 將其中 6 個非零的開關狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個空間電壓矢量，如圖43 所示。 （ 46） 錯誤 !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 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 圖 410 計算 Ta、 Tb、 Tc 錯誤 !未找到引用源。首先，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流控制系統(tǒng)，由于永磁同步電機的許多優(yōu)點和矢量控制思想，所以由永磁同步電機構成 的交流控制系統(tǒng)能夠達到很好的控制性能；其次，我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用。 通過本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設計理論，并針對矢量控制進行了仿真，仿真結果進一步證實了本論文研究的有效性。他的悉心指導和鼓勵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心和精神上的理解支持，是他們的無私奉獻讓我順利地完成我的學業(yè)。 未來研究方向和展望 21 世紀，科學技術飛速發(fā)展，高新技術不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識日益增強，使得永磁同步電機發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統(tǒng)，隨其技術的快速發(fā)展和日漸成熟，結構型式將日趨多樣化，也將會贏更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應用。 通過分析永磁電機的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對 PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進行仿真。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時，電機負載啟動，在 t= 時負載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時間為 [20]。若 TX+TY＞ TS錯誤 !未找到引用源。取 N=A+2B+4C。坐標變換矩陣的 Matlab 實現(xiàn)如圖 45 和圖 46 所示： 圖 45 d、 q— a、 b、 c 變換 圖 46 a、 b、 c－ 錯誤 !未找到引用源。 （ 48） Udc 錯誤 !未找到引用源。改變非零矢量的作用時間與總的作用時間的比值，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 錯誤 !未找到引用源。直接針對這個目標，把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制 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，