【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 未找到引用源。 為轉(zhuǎn)子角速度 (? =錯(cuò)誤 !未找到引用源。 np ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 (2) 定子磁鏈方程為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 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。 （ 24） 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為轉(zhuǎn)子磁鏈。 (3) 電磁轉(zhuǎn)矩為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 25） (4)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 26） 式中： J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 若電動(dòng)機(jī)為隱極電動(dòng)機(jī)，則 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，選取 id 、 iq 及電動(dòng)機(jī)機(jī)械角速度 ? 為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程式為： ??????????????????????????????????????????????????JT LLu qLu di qi dJBLfn pLfn pLR sn pn pLR si qi d/////0//0/?????? （ 27） 由式 (27)可見，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量系統(tǒng)，而且 id 、 iq 、 ? 之間存在非線性耦合關(guān)系，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步電機(jī)的高性能控制，是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的課題。 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。直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差 90176。，因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制等方案 。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制 是一種開環(huán)控制，最先被應(yīng)用于異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。一旦速度給定后，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓 Uout 進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 在一些動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡(jiǎn)單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，如風(fēng)機(jī)、水泵，但因其依據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動(dòng)態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。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。 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。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動(dòng)機(jī)的非線性特性。 矢量控制 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。 矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，自 1971 年德國西門子公司F． Blaschke 提出矢量控制原理， 該控制方案就倍受矚目，已經(jīng)作為一種基本的原理和方法被普遍地采用 [13]。 它的基本思想是根據(jù)直流電機(jī)和交流電機(jī)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理上的相似性，經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)變換或坐標(biāo)變換，使二者的電路方程發(fā)生聯(lián)系，然后用模擬直流電機(jī)控制方法對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分別控制，力圖改善異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性，使之具有和直流機(jī)相似的特點(diǎn)。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對(duì)定子電流幅值和空間位置 (頻率和相位 )的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對(duì) id 、 iq 的控制。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。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。 矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能較好。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會(huì)受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能和魯棒性 。 矢量控制的組成和 原理 1) SVPWM 模塊。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率； 2) 電流讀取模塊。通過精密電阻或電流傳感器測(cè)量定子電流； 3) 轉(zhuǎn)子速度 /位置反饋模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測(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。 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。 ，經(jīng)過 Clark 變換PI3 P ha seI nv e r t e rSVP WM PIPIP WS M ?? ?? ? ?,dq,dq ? ? ?,a b cr?dcU位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)re f?r?d r efi永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 10 將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 2) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與轉(zhuǎn)子位置 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ?rel 結(jié)合，經(jīng)過 Park 變換從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 id 和 iq 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。 參考轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 行比較，并通過 PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ids? ； 4) 交、直軸參考電流 ids? 、 iqs? 與實(shí)際反饋的交、直軸電流 ids 、 iqs 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 進(jìn)行比較，取直軸參考電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為 0。再經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 5) 電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 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。 相結(jié)合進(jìn)行反 Park 變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)系的電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 ； 6) 電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 經(jīng)過 SVPWM 模塊調(diào)制為六路開關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷。 當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到 引用源。 變化時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 產(chǎn)生偏差 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。 和實(shí)際交軸電流比較 ,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 得到偏差 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，用來調(diào)節(jié)實(shí)際交軸電流； 如果直軸電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 不為 0，因?yàn)橹陛S電流給定值為 0，產(chǎn)生直軸電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 以上兩個(gè)偏差電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 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(cuò)誤 !未找到引用源。 ，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 11 矢量控制的控制方式 1. 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù) 控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。 2. 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 控制 控制交、直軸電流分量，保持 PMSM 的功率因數(shù)為 1，在 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)?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。 3. 最大轉(zhuǎn)矩 /電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。它是凸極 PMSM 用的較多的一種電流控制策略。當(dāng) 輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。 矢量控制的 坐標(biāo)變換 1. Clarke（ 3s/2s） 變換 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：三相繞組每相繞組匝數(shù) 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。 （ 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。 （ 32） 可得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 33） 坐標(biāo)系變換矩陣： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 34） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 35） 如果三相繞組是 Y 形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 于是 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 36） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 37） 2. Park（ 2s/2r） 變換 兩個(gè)交流電流 i? 、 i? 和兩個(gè)直流電流 id 、 iq ，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 d、 q 軸和矢量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 都以轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 旋轉(zhuǎn)，分量錯(cuò)誤 !未找到引用源。 的長短不變。 a 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 軸與 d 軸的夾角 錯(cuò)誤 !未永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 13 找到引用源。 隨時(shí)間變化。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 之間存在下列關(guān)系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 38） 寫成矩陣的形式，得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 39） 坐標(biāo)系變換矩陣 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 310） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 311） 3. 電壓空間矢量 由三組六個(gè)開關(guān)（ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 SA 、 SB 、 SB 、 SC 、 SC ）組成。由于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 之間互為反向，即一個(gè)接通，一個(gè)斷開，所以三組開關(guān)有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 種開關(guān)組合。 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)。則有 8 種可能的開關(guān)組合。 表 31 8 種可 能的開關(guān)組合 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 逆變器 7 種不同的電壓狀態(tài)： 電壓狀態(tài)“ 1”至“ 6” 零電壓關(guān)狀態(tài)“ 0”和“ 7” 逆變器的輸出電壓 ??tUs 用空間電壓矢量來表示，依次表示為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 312） 逆變器非零電壓矢量輸出時(shí)的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖、電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以 6 個(gè)狀態(tài)為一個(gè)周期，相電壓