【正文】 [10] 銀英君 ， 林榮文。 基于 MATLAB 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真研究 [E]。 在本課題的研究與開發(fā)過程中 ， 主 要完成了一下工作： (1) 在查閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān) PMSM 的工作原理及其運(yùn)行特點(diǎn)的有關(guān)資料的基礎(chǔ)上 ， 采用 SVPWM 矢量控制技術(shù) ， 在此基礎(chǔ)上建立 PMSM 數(shù)學(xué)模型。 電流環(huán)為 PI 控制器 ， 系統(tǒng)中檢測(cè)電機(jī)的相電流 ai ， bi ， 位置信號(hào) e? ， 和轉(zhuǎn)速 ? 。 為了創(chuàng)建大型系統(tǒng) ， Simulink 提供了 系統(tǒng)分層次排列的功能 ， 類似于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 表 32 扇區(qū)與非零矢量作用時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 扇區(qū)號(hào) 1 2 3 4 5 6 xt Z Z X X Y Y yt X Y Y Z Z X 20 在一般不發(fā)生過調(diào)制的情況下 ， 有x y PWMt t T??，3 co s(6 )dcr UU ??? ?， rU 最大值是 /3DCV ， 它是 6 個(gè)基本矢量形成的正六邊形的內(nèi)切圓。在恒功率運(yùn)行區(qū) ， 通過調(diào)整和控制 ? 角可以提高輸出轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大速度范圍。我們將此稱為“角度控制”。不足之處是沒有考慮電機(jī)效率和功率因數(shù)等問題。 定子繞組的自感系數(shù) AAL , ,BB CCLL和互感系數(shù) XYM 均為 e? 的函數(shù) ， 且互感系數(shù)滿足關(guān)系 AB BAMM? 、 BC CBMM? 、 CA ACMM? 。但由于無刷直流電機(jī)原理上存在固有缺陷 ， 使得其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大 ， 鐵心附加損耗較大 ， 因此只適用于一般精度及性能要求的場(chǎng)合；而交流永磁同步電機(jī)作為一種特殊的同步電動(dòng)機(jī) ， 它能夠克服無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不足 ， 具有優(yōu)良的控制性能 ， 在交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通常使用永磁體 ， 無電勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和勵(lì)磁損耗問題 ， 運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都較高 ， 因而此類永磁同步電機(jī)在數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng) 領(lǐng)域中 逐漸成為了主流 [5]?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線 ， 結(jié)合市場(chǎng)需求的變化 ， 可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢(shì) ： 1．高效率化 ：主要包括電機(jī)本身的高效率比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 也包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率化 ， 包括逆變器驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化 ， 加減速運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化 ， 再生制動(dòng)和能量反饋以及更好的冷卻方式等。 永磁同步 電動(dòng)機(jī)控制存在的 硬件 問題得以逐步解決。 以往 研究永磁同步電機(jī)的 做法是在硬件上搭建一個(gè)平臺(tái) 進(jìn)行模擬 ， 但是這樣在做實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)造成一些損失 ， 而 且硬件上的反饋會(huì)比較長(zhǎng)研究周期長(zhǎng) 。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀 我國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代開始跟蹤開發(fā)交流伺服技術(shù) ， 主要研究力量集中在高等院校和科研單位 ， 以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng) 用方向 。 5． 智能化 ：現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能 ，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測(cè)定和自動(dòng)增益調(diào)整功能 ， 有的可以自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的參數(shù) ， 自動(dòng)測(cè)定編碼器零位 ， 有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。定子由定子鐵心 (由沖有槽孔的硅鋼片 受 壓而成 )、定子繞組 (在鐵 芯槽 中 嵌入 三相電樞繞組 )構(gòu)成。 表面式永磁同步電機(jī)定子與 轉(zhuǎn)子之間磁路分布均勻 ， 基本上與轉(zhuǎn)子位置無關(guān) 。 10 S ab?q d?Ncoe?e? 圖 22 靜止與同步坐標(biāo)系 定子靜止兩相 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)到轉(zhuǎn)子 dq0 坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換為 00dq pa rkfff T fff???? ???? ????? ???? ?????? （ ） 其中 park 變換陣為 c os si n 0si n c os 00 0 1eepa rk e eT???????????? （ ） 由此 ， 可得三相永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子 dq0 坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程和電壓方程為 0000 0 10 0 10 0 0dddq q q fsiLLiL i????? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ????? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? （ ） 00 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 0 0 0d d d ddqq q q q e d q e fsu i i iLLu r i L p i L iLu i i i? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? （ ） 11 式中 ， e? 一轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。本章對(duì)用于永磁同步電機(jī)矢量控制 和空間矢量的調(diào)制 （ SVPWM） 技術(shù)深入研究并 建立 了 SVPWM 模塊 [17]。根據(jù) ? 角 (定子電流 si 相對(duì) r? 的空間角度 )的控制范圍 ， 矢量控制有三種形式。從圖 31 我們可以得到： 4 4 6 6662 c os 6032 si n 603U T U U U TU T U T??? ?????? ??? 由 上 式就可以求得： 17 4632( ) /222/dcdcT U U T UT U T U???? ??????? SVPWM 調(diào)制模式采用連續(xù)開關(guān)調(diào)制模式。之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 33 所示 ， 該模型如圖 36 所示。 Simulink 可以仿真線性或非線性系統(tǒng) ， 并能夠創(chuàng)建連續(xù)時(shí)間 ， 離散時(shí)間或二者的混合的系統(tǒng)。 （ 1） 坐標(biāo)變換 模塊 u b e t auaubuc2u b e t a1u a i f aS u b t r a ct 1 K G a i n 1 K G a i nA d d 1A d d3uc2ub1ua uaI f a 圖 43 /abc?? 的 仿真 圖 27 u a i f au b e t aposuduq2O u t 21O u t 1s i nT r i g o n o m e t r i cF u n ct i o n 1co sT r i g o n o m e t r i cF u n ct i o nS u b t r a ct 1P r o d u ct 3P r o d u ct 2P r o d u ct 1P r o d u ctA d d 13I n 32I n 21I n 1 圖 44 /dq?? 的 仿真模塊 圖 idiqposi d i f ai b e t a2O u t 21O u t 1co sT r i g o n o m e t r i cF u n ct i o n 1s i nT r i g o n o m e t r i cF u n ct i o nS u b t r a ct 1P r o d u ct 3P r o d u ct 2P r o d u ct 1P r o d u ctA d d 13I n 32I n 21I n 1 圖 45 /dq?? 的 仿真模塊 圖 i a i f ai b e t aiaibiC3O u t 32O u t 21O u t 1S u b t r a ct K G a i n 1 K G a i nA d d2I n 31I n 2 圖 46 /abc?? 仿真模塊 圖 根據(jù) PMSM 整體框圖及各個(gè)小模塊我們可以構(gòu)建出永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體模型如下： 28 i q *C o n t i n u o u sp o w e r g u i0i d * = 0300W m *gABC+U n i ve r s a l B r i d g etT o W o r k s p a ce 3zT o W o r k s p a ce 2yT o W o r k s p a ce 1TU aif aU bet aPW MS V P W MTmmABCP e r m a n e n t M a g n e tS y n c h r o n o u s M a c h i n e 1t heiaif aibet aidiqP a r kUqUdt heU aif aU bet aI P A R K4G a i n 24G a i nPID i s cr e t eP I C o n t r o l l e r 2PID i s cr e t eP I C o n t r o l l e r 1PID i s cr e t eP I C o n t r o l l e rDC p i / 2C o n s t a n t 4icibiaiaif aibet aC l a r kA d d 2A d d 1A d d R ot or angle t het am (rad) R ot or s peed w m (rad/ s ) R ot or s peed w m (rad/ s ) St at or c urrent is _c (A) St at or c urrent is _b (A) St at or c urrent is _a (A) 圖 46 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體仿真圖 仿真參數(shù)調(diào)試及結(jié)果分析 仿真中的相關(guān)參數(shù)為：定子電阻 R=? ， dL =， qL =， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J= 10 .kg m?? ， 極對(duì)數(shù) pn =2?；?DSP 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究 [D]。 [7] 高仕紅 。 廣州 ， 廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 ， 2020。 基于 Simulink 的 PMSM 矢量控制系統(tǒng)仿真研究 [J]。 機(jī)床與液壓 ， 2020。 本章小結(jié) 本章首先講解了 Matlab 中關(guān)于 Simulink 建立模塊的相關(guān)知識(shí) ， 然后分析并建立 了 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整體模型 ， 在模型的基礎(chǔ)上 進(jìn)行 了 相關(guān)參數(shù)設(shè)定 ，最后 對(duì)得出的仿真結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的分析與總結(jié)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖 42 所示?；谇懊鎺渍路治龅腜MSM 的數(shù)學(xué)模型 ， 及空間矢量脈寬調(diào)制的基礎(chǔ)上 ， 借助于 Matlab 強(qiáng)大的仿真建模能力 ， 在 Matlab/Simulink 中 我們可以 建立永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。 SVPWM 模塊的建立 在 SVPWM 技術(shù)中 ， 首先要確定合成電壓矢量所處的扇區(qū) ， 再次要計(jì)算出基本矢量的作用時(shí)間和開關(guān)時(shí)間。 在這種方式下 sin 0dsii ???， cos 0qsii ???， 定子電樞繞組電流存在直流分量 ， 且該直流分量對(duì)永磁體的勵(lì)磁磁場(chǎng)有去磁作用 ， 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)工作在基速以上時(shí) ， 可以在該方式控制下實(shí)現(xiàn)弱磁升速控制。因此，當(dāng)勵(lì)磁不變時(shí)，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩間存在線性關(guān)系， 通過單獨(dú)調(diào)節(jié)電樞電流可以直接控制轉(zhuǎn)矩。 d 0I ? 電流控制旨在將永磁同步電機(jī) d 軸電流控制為零 ， 是永磁同步電機(jī)最常用的控制策略。 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 本文所研究的對(duì)象為表面式 PMSM， 它與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣有 7 A， B， C 三相對(duì)稱繞組 ， 轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體 ， 定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場(chǎng)存在電磁耦合關(guān)系。為了減少電動(dòng)機(jī)的雜散損耗 ，定子繞組通常采用星形接法 [6]。 第二章 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 ： 分析建立 了 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的 ， 具體的細(xì)分到 PMSM 在三種不同坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程以及它們之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 ， 并簡(jiǎn)單了