【正文】 因?yàn)樵?， 的選取上具有任意性，為了統(tǒng)一和簡便起見，選取一組相互垂直?F?的坐標(biāo)軸( ))表示 空間。三??相繞組和兩相繞組在空間氣隙產(chǎn)生的磁動(dòng)勢是完全等效的，并且由矩陣方程式(2．5)可以看到該磁勢為一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁勢，旋轉(zhuǎn)角速度為電源電流(電壓)的角頻率。4Ndq?由式(2．10)可以得到靜止坐標(biāo)系 與與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 中的電流變抉關(guān)系：?d? ()42cos()sin()incoqIIttN??????????????????? ?? ???? ?滿足功率不變時(shí)應(yīng)有： 421N?由此我們可以得到電流的變換矩陣 ：39。0dI?qI以上是通過對于從兩相靜止坐標(biāo)系 向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( )的變換來推導(dǎo))???dq?完成了永磁同步電機(jī)在( )坐標(biāo)系中的電壓回路方程。d與前面的從兩相靜止坐標(biāo) ， 變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) ， 一樣，直接寫出電壓回??路方程也要有一定的條件。(2) 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)dq軸上的繞組中，分別通入直流電流 , 同樣可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁dIq勢，并由電流 , 空間互差90度，其合成矢量旋轉(zhuǎn)角頻率與永磁同步電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)角dIq頻率一致。控制電路根據(jù)檢測到的位置信號，觸發(fā)主電路的開關(guān)元件，使定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁勢與轉(zhuǎn)子磁場的夾角保持為 ，從而保證展大的90?輸出轉(zhuǎn)矩。2)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制矢量控制最早是在1971年由Blashke等人針對異步電動(dòng)機(jī)提出的，其基本思想源于基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究18對直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。但是，正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)則完全不同，首先他的反電勢和相電流頻率由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，正弦波相電流是由電路強(qiáng)制產(chǎn)生的。 。其特點(diǎn)是采用空問電壓矢量分析方法，定子磁場定向，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，借助離散兩點(diǎn)式控制調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號，對逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，獲得轉(zhuǎn)矩的快速性和準(zhǔn)確性。其弱磁控制是利用直軸電樞反應(yīng)使電機(jī)氣隙磁場減弱，從而達(dá)到等效于減弱磁場的效果。較強(qiáng)的弱磁性能能夠在逆變器容量不變的情況下提高系統(tǒng)性能：或者說在保持系統(tǒng)性能不變的前提下降低電機(jī)的最大功率，從而降低逆變器的容量。下圖是三相電力逆變器。反過來，一個(gè)這樣的空間矢量在三相空間A，B，C軸上的投影是三相對稱的正弦變量，且矢量的模長等于各相正弦量的峰值。產(chǎn)生的開關(guān)序列為：0U7 0U4674U0。1212??21T??T為PWM波周期3）計(jì)算電壓空間矢量切換點(diǎn) ， ，1cm23cm定義： 46()aT?? 12b? c則在不同的扇區(qū)內(nèi) ， ， 根據(jù)下表進(jìn)行賦值。電流環(huán)的傳遞函數(shù)為： ()21()wsTsK??電流環(huán)的截止頻率一般較低。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能有效地驗(yàn)證控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，特別是在采用電力半導(dǎo)體器件對電機(jī)進(jìn)行交流調(diào)速的分析研究中，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已成為重要研究手段。SIMULINK 由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分組成。(5)連接模塊庫：包括地和中性點(diǎn)和母線(公共點(diǎn))等。其中主要包括：速度 PID 控制器模塊、電流 PID 控制器模塊、PWM 實(shí)現(xiàn)模塊、坐標(biāo)變換模塊的仿真模型。永磁同步電機(jī)矢量控制雙閉環(huán)仿真框圖如圖 所示 。(7)附加電氣系統(tǒng)模塊庫：包括均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、同步脈沖發(fā)生器以及三相庫等。[8]SIMULINK 仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電氣傳動(dòng)學(xué)科進(jìn)行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫(Power system Blockset)。矢量控制系統(tǒng)具有可連續(xù)控制、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，且在簡化矢量變換控制系統(tǒng)方面已獲滿意的結(jié)果，為此矢量變換控制系統(tǒng)仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要方向之一。將速度環(huán)校正成典型 II 型系統(tǒng)，傳遞函數(shù)為： ()(1)()2nkKswsJT???根據(jù)典型 II 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的公式為： ()nh??基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究27 ()12nthJkTK???取 h=5。 PI 控制器的設(shè)計(jì) 電流環(huán) PI 控制器的設(shè)計(jì)電流環(huán)的主要作用是：實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，保持電流在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中不出現(xiàn)基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究26過度超調(diào)。則(3．2)式可以表示為： 0046 7()()2ref TT???基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究24 SVPWM信號圖 空間矢量脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)根據(jù)以上的電壓空間矢量調(diào)制原理，SVPWM信號的實(shí)時(shí)調(diào)制計(jì)算步驟歸納如下：判斷合成矢量 所處扇區(qū)refU通過分析 和 的關(guān)系，可得到如下的規(guī)律：?? 0,則A=1，否則A=0；? 0,則B=1，否則B=0；3? 0,則C=1，否則C=0；???扇區(qū)為：N=A+2B+4C.和 分別是合成矢量 的 軸和 軸的分量。為獲得旋轉(zhuǎn)的電壓空間矢量，只有利用各矢量的作用時(shí)間的不同來等效的合成所需要的矢量。2dU? 三相電力逆變器由Park變換定義的電壓空間矢量為： （）22()3rabcUu??? 式中：23je??? ， ， 。3．2 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了改變注入電機(jī)定子電流的頻率和幅值，控制設(shè)備需要實(shí)時(shí)的產(chǎn)生六路PWM脈沖去控制逆變器的通斷。盡管永磁同步電動(dòng)機(jī)有多種多樣的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，但無論是并聯(lián)永磁磁路轉(zhuǎn)子還是串聯(lián)永磁磁路轉(zhuǎn)子，永磁體總是串聯(lián)在直流磁路中，并占去交軸磁路的部分空間。直接轉(zhuǎn)矩控制最初是針對異步電動(dòng)機(jī)提出的，是建立在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率控制基礎(chǔ)上的，因此不能在永磁同步電動(dòng)機(jī)上直接加以利用，1997年、成功實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)基本直接轉(zhuǎn)距控制。一般說來，電機(jī)控制策略是通過綜合考慮電機(jī)轉(zhuǎn)矩和電流之間的線性度、控制過程中電機(jī)端電壓的允許變化程度、功率因數(shù)和電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)等因素來確定的。這是通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子相對定子的絕對位置，由伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。矢量控制的最終目的是改善電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍需落實(shí)到對定子電流的控制上。自式變頻調(diào)速的永磁電機(jī)換向電勢比直流電機(jī)的換向電勢要大很多。[6] 永磁同步電機(jī)外同步控制策略外同步是指永磁同步電動(dòng)機(jī)用獨(dú)立的變頻電源供電，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格地跟隨電源頻率而變化，也稱之為他控式變頻調(diào)速。即 10d ds nrfq qnsVIRPMILL????? ?????? ?????? ?? ??????????假設(shè)得到證明。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具有正弦波的反電動(dòng)勢波形，其定子電壓、定子電流也應(yīng)該為正弦波。cos()sin()incottT???????????????根據(jù)(2．12)的變化矩陣可以得到如下的變化關(guān)系：； ；39。從轉(zhuǎn)矩方程式(2．9)可以看出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電流 ， 以及I??有關(guān)。如果 ， 分別代表 ，???0?je3xj? ?軸上的集中繞組產(chǎn)生的磁勢的方向，那么三相繞組在氣隙中產(chǎn)生的總磁勢 就可以由兩相繞組 ， 來等效產(chǎn)生。三相電機(jī)的集中繞組 U，V，W 的軸線在與轉(zhuǎn)子垂直的平面分布如圖 所示，軸線之間相互差 120 度。)(Lx)(?xy 如果下面的條件可以滿足，那么電壓回路方程就可以得到簡化。需要說明的在表達(dá)坐標(biāo)系的時(shí)候，一般用 U，V，W 來表示，而不用 A，B，C，但這與后面章節(jié)的 A，B，C 來表示三相參數(shù)表示方法具有等效性。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。對其三相對稱的繞組通入三相對稱的空間電流就可以得到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓形空間磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速被稱為同步轉(zhuǎn)速 ，其中， 為定子電流頻率， 為電60/nfp?? fp動(dòng)機(jī)的極對數(shù)。利用智能控制的非線性，變結(jié)構(gòu)，自尋優(yōu)等各種功能來克服控制系統(tǒng)中變參數(shù)與非線性等不利因素，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。目前稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應(yīng)用，同時(shí)多種民用稀土永磁同步電機(jī)正在逐步走向規(guī)?；a(chǎn)，所以對稀土永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的發(fā)展都具有非常重大的戰(zhàn)略價(jià)值。鑒于以上背景，本人提出設(shè)計(jì)基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)這一課題?？偟膩碚f，DTC的優(yōu)勢是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但在低速時(shí)其穩(wěn)定性能不如矢量控制。SVPWM具有電流諧波少、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，而且相對于常規(guī)的SPWM直流電壓利用率能提高約15％(三次諧波注入法也可以提高直流電壓利用率約15％)，所以SVPWM前途十分廣闊。現(xiàn)代變頻調(diào)速的控制算法有很多，主流的算法主要有以下幾種：(1)正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM。多臺(tái)永磁同步電動(dòng)機(jī)并聯(lián)在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號調(diào)節(jié)各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。風(fēng)輪機(jī)可以和永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，省去了其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速箱，減少發(fā)電機(jī)的維護(hù)工作并且基于 DSP 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究3降低了系統(tǒng)噪聲。平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、過載能力強(qiáng)：(2)低損耗、高效率、節(jié)約能源：因而，永磁電機(jī)應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。到了九十年代初期，釹鐵硼永磁材料已經(jīng)占據(jù)了世界永磁材料市場的5096左右。但當(dāng)時(shí)所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久便被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。 6 月 11 日——6 月 12 日：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯目 錄摘 要 .....................................................................IABSTRACT.................................................................II第１章 概述 ..............................................................1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況及應(yīng)用前景 ..................................1 永磁同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展概況...........................................1 永磁同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)及應(yīng)用.........................................2 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 ..............................3 課題研究的背景及本文的主要研究內(nèi)容 ...................................4 本課題的研究意義 .....................................................5第 2 章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 ..................................7 永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) ................................................7 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ............................................8 永磁同步電機(jī)在靜止坐標(biāo)系( UVW)上的模型..........................8 永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系( ???)上的模型方程 ................10 永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( dq)上的數(shù)學(xué)模型 .....................12第 3 章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ...........................16 永磁同步電機(jī)的控制策略 .............................................16 永磁同步電機(jī)外同步控制策略 ......................................16 永磁同步電機(jī)自同步控制策略......................................16 永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁控制........................................193．2 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM) ...........................................19 空間矢量脈寬調(diào)制原理............................................19 空間矢量脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)............................................22 PI 控制器的設(shè)計(jì) .....................................................24 電流環(huán) PI 控制器的設(shè)計(jì)...........................................24 速度環(huán) PI 控制器的設(shè)計(jì)...........................................25第 4 章 系統(tǒng)仿真模型 ..................................................