【文章內(nèi)容簡介】 具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control、toolbox 、signl processing toolbox、mumnication toolbox 等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進行高、精、尖的研究。9） 源程序的開發(fā)性。開放性也許是 MATLAB 最受人們歡迎的特點。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。1990 年，Math Works 軟件公司命名為 SIMULAB,1992 年正式將該軟件更名為 SIMULINK，使得仿真軟件進入了模型化圖形組態(tài)階段 SIMULINK 的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個主要功能：Simu(仿真)和 Link(連接)，即該軟件可以利用鼠標在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真和分析。MATLAB 語言及其 SIMULINK 可視化仿真平臺在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，使用 SIMULINK 可以迅速建立各種線形或非線性系統(tǒng)模型，用戶可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動態(tài)變化，而且仿真速度比使用 MATLAB語言更快。MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真環(huán)境，它能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的環(huán)境集成，且可以根據(jù)設(shè)計及使用要求，對系統(tǒng)進行修改和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)工作的性能，實現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目的。在此環(huán)境下，用戶可以點擊拖動鼠標的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對系統(tǒng)和電路的仿真。SIMULINK 與 MATLAB 語言的主要區(qū)別在于使用戶把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。SIMULINK 提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型（ 文件進行存取） ，進而進行仿真與分析。 MATLAB 仿真工具箱簡介MATLAB/SIMULINK 是 MATHWORKS 公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)計算的工具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境SIMULINK。SIMULINK 可以對通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。用戶進行仿真時很少需要程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進行仿真和分析研究。下面就本論文工作中使用的仿真工具 作簡單介紹。SIMULINK 仿真工具箱包括了專用于電力電子、電氣傳動學(xué)科進行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫（SIMPOWER SYSTEM） 。運行 SIMULINK 以后，打開SIMPOWER SYSTEM，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫的各個子模塊。也可以在MATLAB 的命令窗口，直接鍵入 POWERLIB 以調(diào)用電氣系統(tǒng)仿真基本模塊。電氣系統(tǒng)模塊庫主要包括以下七個子模塊：1）電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等；2）基本元件庫：包括串聯(lián) RLC 負載、串聯(lián) RCL 支路、并聯(lián) RCL 負載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N 相分布參數(shù)線路、單相 π 相集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等；3）電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO 、理想開關(guān)和一個多功能橋等。為滿足不同的仿真要求并提高仿真速度還設(shè)有晶閘管簡化模型；4）電機模塊庫：包括激磁裝置、勵磁裝置、水輪機及其調(diào)節(jié)器、異步電動機、同步電機及其簡化模型和永磁同步電機等；5）連接模塊庫：提供組織電力電子仿真線路的各連接件，包括地、中性線和母線（公共點）等；6）測量模塊庫：包括電流測量和電壓測量和電抗的測量模塊等；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、可編程定時器、同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器以及三相庫等； 在以上模塊庫的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要，可以組合封裝成常用的較復(fù)雜的模塊，添加到所需的模塊中去。 本文主要任務(wù)本文立題為永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真，進行了一系列的工作，主要涉及以下的研究內(nèi)容：（1） 建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實際應(yīng)用意義；（2） 介紹永磁同步電機的分類、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學(xué)模型及運動方程；（3） 介紹永磁同步電機矢量控制的理論基礎(chǔ)；（4） 建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；（5） 對仿真結(jié)果的進行分析，得出永磁同步電機的性質(zhì)特點。第二章 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機的概述 同步電機的基本工作原理 同步電動機是一種交流電動機，其主要特點是電動機轉(zhuǎn)速與電動機定子電流頻率以及電動勢的極對數(shù)存在著嚴格不變的關(guān)系。普通同步電動機有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動機定子有定子鐵心、定子繞組和機殼組成。電動機轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種結(jié)構(gòu)形式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形且其氣息均勻，而凸極式轉(zhuǎn)子的磁激明顯凸出且氣息不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。一般而言，當同步電動機轉(zhuǎn)速較小時，可采用結(jié)構(gòu)簡單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動機的勵磁繞組套在轉(zhuǎn)子磁極鐵芯上，而經(jīng)由電刷和集電環(huán)引入的勵磁電流應(yīng)能使轉(zhuǎn)子磁激的記性呈現(xiàn) N，S 極交替排列。 同步電動機的工作原理，就是電動機定子的旋轉(zhuǎn)磁場以磁場拉力拖著電動機轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動機定子三相繞組介入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與電動機轉(zhuǎn)子勵磁繞組接入直流而形成的轉(zhuǎn)子磁場相互作用。同步電動機的轉(zhuǎn)速表達式為： ，式中 為電源頻率； 為電動機的極對Pf60nnss?fsPn數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。s 永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)及其分類（一）基本結(jié)構(gòu)：與傳統(tǒng)電機一致，永磁同步電機由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y型連接的對稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。如果在三相空間對稱的定子繞組中通入三相時間上也對稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機的氣隙中會產(chǎn)生一個在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場，其轉(zhuǎn)速為 ，式中 為電源頻率；Pf60nnss?fs為電動機的極對數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。Pns 永磁同步電機的轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。日前，永磁同步電機常用的永磁材料是釹鐵硼合金（Nd Fe B）和釤鈷合金（SmCo5，SmCo17） 。從永磁體安裝方式上，轉(zhuǎn)子分為表面粘貼式、表面插入式和內(nèi)置式，如圖 21 所示。圖 21 永磁電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 其中圖 21(a)為表面粘貼式，圖 21(b)為表面插入式，圖 21(c)為內(nèi)置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導(dǎo)率近似等于真空磁導(dǎo)率，對于圖 21(a)所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交軸、直軸電感相等，即 =Ld,表現(xiàn)出隱極性質(zhì)。而對其他結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Lq ，表現(xiàn)出凸極電機的性質(zhì)。前兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常呈現(xiàn)瓦片形，d并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉(zhuǎn)子直徑，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量。若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可以獲得低電感，有利于電機動態(tài)性能的改善。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常為條狀，位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，機械強度高，磁路氣隙小，提供的磁通方向與轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運行場合。 對于永磁同步電機，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機具有恒力矩輸出，電機應(yīng)具有正弦波反電勢，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。通過合理的設(shè)計，表面式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可以使電機實現(xiàn)正弦波反電勢。（二）分 類： 永磁同步電機的分類方法很多。按轉(zhuǎn)子上有無起動繞組，可分為異步起動永磁同步電動機和永磁同步電動機（無起動繞組的電動機） ；根據(jù)永磁鐵的形狀的不同，可分為表面式和嵌入式；根據(jù)感應(yīng)電動勢的不同，將永磁同步電機氛圍正弦波永磁同步電機和梯形波永磁同步電機，正弦波永磁同步電機稱為永磁同步電機；按工作磁場方向不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電驅(qū)繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；根據(jù)極對數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機和多機永磁同步電機；因為在控制上更接近于直流電機的控制，梯形波永磁同步電機稱為直流無刷電機。 由于永磁同步電機中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機效率會增加。永磁同步電動機不存在相間換流時的沖擊電流，所以永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈動遠低于永磁無刷直流電動機。 永磁同步電機的特點與應(yīng)用 現(xiàn)在永磁同步電機的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機 功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。在永磁同步電機中，用于勵磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵磁繞組，從而勵磁銅耗得以消除，轉(zhuǎn)子慣性也相應(yīng)的降低，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅固。與此同時，永磁同步發(fā)動機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增大氣隙磁密，電機轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。這些原因使其具有了普通電機所不具備的顯著特點，即：輕型化、小尺寸、高性能化和高效節(jié)能。雖然永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有如下共同的特點：(1)體積小、質(zhì)量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機的功率密度得到很大的提高，與同容量的異步電機相比，體積和質(zhì)量都有明顯的減小，使其適合應(yīng)用在許多特殊場合。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機與感應(yīng)電機相比，不需要勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子銅耗。而且永磁同步電機在 25%120%額定負載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動態(tài)響應(yīng)快。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機的動態(tài)響應(yīng)能力。(4)可靠性高。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機械換向裝置，成為無刷電機，這不但減少了機械和電氣損耗，而且還不會產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機機械結(jié)構(gòu)簡單牢固、運行可靠。(5)具有嚴格的轉(zhuǎn)速同步性和比較寬的調(diào)速范圍。對于要求多臺電動機同步運行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點，變頻電源可實現(xiàn)開環(huán)控制，且調(diào)速控制方便，并在所有頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運行。(6)永磁同步電動機的缺點是失去了勵磁調(diào)節(jié)的靈活性；可能會出現(xiàn)退磁效應(yīng)；釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)較高，造成其磁性能和熱穩(wěn)定性較差；由于材料中含有大量的釹和鐵，容易銹蝕等。正是由于永磁同步電機這些優(yōu)點，國內(nèi)許多領(lǐng)域用的特殊電機、高性能電機都采用永磁同步電機方案目前節(jié)能降耗已成為我國的基本國策，推廣應(yīng)用永磁同步電機可以促進電機系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進節(jié)能降耗目標實現(xiàn)。永磁同步電機在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電梯拽引技術(shù)應(yīng)用了齒輪間接驅(qū)動系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動系統(tǒng)存在，使得整個驅(qū)動系統(tǒng)材料消耗較大、運行效率低以及維護復(fù)雜、噪聲大等缺點。因此相比有齒輪驅(qū)動系統(tǒng)，采用永磁同步電機直接無齒輪驅(qū)動的電梯系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保方面有著突出的優(yōu)點。國內(nèi)外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動。提高了其運行性能，通力公司開發(fā)了 ECODISO 永磁盤式無齒拽引機，應(yīng)用于機房電梯。永磁同步電機在船舶電力推進；領(lǐng)域的應(yīng)用。由于永磁同步電機效率高，輕量化和高性能化等特點，因此得到了船舶綜合電力推進系統(tǒng)供應(yīng)商青睞，比如船舶電力推進系統(tǒng)三大供應(yīng)商之一的西門子就開發(fā)出了以永磁同步電機為SPP 推進系統(tǒng)。效率較高的永磁同步電機是 SPP 系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機在混合動力汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電動機是各種電動車驅(qū)動電機的發(fā)展方向之一。日本 1965 年就開始研制電動車，于 1967 年成立了日本電動車協(xié)會。1996 年，豐田汽車公司研制的電動車 RAV4 就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅(qū)動電機，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機可以達到最大功率 50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。歐洲許多發(fā)達國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅(qū)動電機的選擇上，不同國家各有側(cè)重，英國、法國偏重于永磁無刷直流電機，德國偏重于開關(guān)磁阻電機。綜上，永磁電機得到了非常廣泛的應(yīng)用，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域。永磁同步電機已成為電機工業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型能夠描述實際系統(tǒng)各物理量之間的關(guān)系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型認識、分析電機的運動規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對永磁同步電機進行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機的定子與普通勵磁同步電機的定子一樣都是三相對稱繞組。通常按照電動機慣例規(guī)定各物理量的正方向。以三相星形 180176。的通電模式為例來分析 PMSM 的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定：(1)磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換向過程和電樞反映的影響；(3)三相繞組對稱，永久磁銅的磁場沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；(5)驅(qū)動二極管和續(xù)流二極管為理想元件；(6)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的磁鏈