【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)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(zhuān)家編寫(xiě)的，所以用戶(hù)無(wú)需編寫(xiě)自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。9） 源程序的開(kāi)發(fā)性。開(kāi)放性也許是 MATLAB 最受人們歡迎的特點(diǎn)。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(hù)可通過(guò)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(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段 SIMULINK 的名稱(chēng)表明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：Simu(仿真)和 Link(連接)，即該軟件可以利用鼠標(biāo)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(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。MATLAB 語(yǔ)言及其 SIMULINK 可視化仿真平臺(tái)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(hù)可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，而且仿真速度比使用 MATLAB語(yǔ)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(dòng)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(jì)及使用要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)工作的性能，實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的目的。在此環(huán)境下，用戶(hù)可以點(diǎn)擊拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對(duì)系統(tǒng)和電路的仿真。SIMULINK 與 MATLAB 語(yǔ)言的主要區(qū)別在于使用戶(hù)把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語(yǔ)言的編程上。SIMULINK 提供了一些按功能分類(lèi)的基本的系統(tǒng)模塊，用戶(hù)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(shí)現(xiàn)的，通過(guò)對(duì)這些基本的調(diào)用，再將它們連接起來(lái)就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型（ 文件進(jìn)行存取） ，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。 MATLAB 仿真工具箱簡(jiǎn)介MATLAB/SIMULINK 是 MATHWORKS 公司開(kāi)發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的工具軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境SIMULINK。SIMULINK 可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。用戶(hù)進(jìn)行仿真時(shí)很少需要程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)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(jìn)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(jiǎn)單介紹。SIMULINK 仿真工具箱包括了專(zhuān)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(kù)（SIMPOWER SYSTEM） 。運(yùn)行 SIMULINK 以后，打開(kāi)SIMPOWER SYSTEM，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)的各個(gè)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(kù)主要包括以下七個(gè)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(kù)：包括串聯(lián) RLC 負(fù)載、串聯(lián) RCL 支路、并聯(lián) RCL 負(fù)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(kù)：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO 、理想開(kāi)關(guān)和一個(gè)多功能橋等。為滿(mǎn)足不同的仿真要求并提高仿真速度還設(shè)有晶閘管簡(jiǎn)化模型；4）電機(jī)模塊庫(kù)：包括激磁裝置、勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電機(jī)等；5）連接模塊庫(kù)：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(diǎn)）等；6）測(cè)量模塊庫(kù)：包括電流測(cè)量和電壓測(cè)量和電抗的測(cè)量模塊等；7）附加電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)：包括均方根測(cè)算、有功與無(wú)功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器以及三相庫(kù)等； 在以上模塊庫(kù)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(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究?jī)?nèi)容：（1） 建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；（2） 介紹永磁同步電機(jī)的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程；（3） 介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)；（4） 建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；（5） 對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。第二章 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)的概述 同步電機(jī)的基本工作原理 同步電動(dòng)機(jī)是一種交流電動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)定子電流頻率以及電動(dòng)勢(shì)的極對(duì)數(shù)存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。普通同步電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動(dòng)機(jī)定子有定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。電動(dòng)機(jī)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(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)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(lì)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(dòng)機(jī)的工作原理，就是電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁場(chǎng)拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組介入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接入直流而形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： ，式中 為電源頻率； 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)Pf60nnss?fsPn數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。s 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其分類(lèi)（一）基本結(jié)構(gòu)：與傳統(tǒng)電機(jī)一致，永磁同步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y型連接的對(duì)稱(chēng)分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。如果在三相空間對(duì)稱(chēng)的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱(chēng)的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為 ，式中 為電源頻率；Pf60nnss?fs為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。Pns 永磁同步電機(jī)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(jī)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(jī)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(duì)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(duì)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(jī)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(dòng)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(jī)動(dòng)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(jī)械強(qiáng)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(duì)稱(chēng)性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合。 對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢(shì)，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，表面式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦波反電勢(shì)。（二）分 類(lèi)： 永磁同步電機(jī)的分類(lèi)方法很多。按轉(zhuǎn)子上有無(wú)起動(dòng)繞組，可分為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)（無(wú)起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī)） ；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(dòng)勢(shì)的不同，將永磁同步電機(jī)氛圍正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，正弦波永磁同步電機(jī)稱(chēng)為永磁同步電機(jī)；按工作磁場(chǎng)方向不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)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(duì)數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機(jī)和多機(jī)永磁同步電機(jī)；因?yàn)樵诳刂粕细咏谥绷麟姍C(jī)的控制，梯形波永磁同步電機(jī)稱(chēng)為直流無(wú)刷電機(jī)。 由于永磁同步電機(jī)中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機(jī)效率會(huì)增加。永磁同步電動(dòng)機(jī)不存在相間換流時(shí)的沖擊電流，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)低于永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用 現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī) 功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。在永磁同步電機(jī)中，用于勵(lì)磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁繞組，從而勵(lì)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(jiān)固。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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(jī)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(jī)所不具備的顯著特點(diǎn)，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(dòng)機(jī)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(jī)具有如下共同的特點(diǎn)：(1)體積小、質(zhì)量輕。近些年來(lái)，隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大的提高，與同容量的異步電機(jī)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(chǎng)合。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，不需要?jiǎng)?lì)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(jī)在 25%120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來(lái)高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。(4)可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無(wú)刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)械和電氣損耗，而且還不會(huì)產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、運(yùn)行可靠。(5)具有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速同步性和比較寬的調(diào)速范圍。對(duì)于要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，變頻電源可實(shí)現(xiàn)開(kāi)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(yùn)行。(6)永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是失去了勵(lì)磁調(diào)節(jié)的靈活性；可能會(huì)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(jī)這些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)許多領(lǐng)域用的特殊電機(jī)、高性能電機(jī)都采用永磁同步電機(jī)方案目前節(jié)能降耗已成為我國(guó)的基本國(guó)策，推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)可以促進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)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(dòng)系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料消耗較大、運(yùn)行效率低以及維護(hù)復(fù)雜、噪聲大等缺點(diǎn)。因此相比有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)直接無(wú)齒輪驅(qū)動(dòng)的電梯系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外紛紛開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)無(wú)齒輪永磁同步電梯拽引機(jī)，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機(jī)，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。提高了其運(yùn)行性能，通力公司開(kāi)發(fā)了 ECODISO 永磁盤(pán)式無(wú)齒拽引機(jī)，應(yīng)用于機(jī)房電梯。永磁同步電機(jī)在船舶電力推進(jìn)；領(lǐng)域的應(yīng)用。由于永磁同步電機(jī)效率高，輕量化和高性能化等特點(diǎn)，因此得到了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商青睞，比如船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)三大供應(yīng)商之一的西門(mén)子就開(kāi)發(fā)出了以永磁同步電機(jī)為SPP 推進(jìn)系統(tǒng)。效率較高的永磁同步電機(jī)是 SPP 系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)是各種電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向之一。日本 1965 年就開(kāi)始研制電動(dòng)車(chē)，于 1967 年成立了日本電動(dòng)車(chē)協(xié)會(huì)。1996 年，豐田汽車(chē)公司研制的電動(dòng)車(chē) RAV4 就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機(jī)可以達(dá)到最大功率 50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。歐洲許多發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開(kāi)始了對(duì)電動(dòng)車(chē)的研究。在電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上，不同國(guó)家各有側(cè)重，英國(guó)、法國(guó)偏重于永磁無(wú)刷直流電機(jī)，德國(guó)偏重于開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。綜上，永磁電機(jī)得到了非常廣泛的應(yīng)用，遍及航空航天、國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)已成為電機(jī)工業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，在未來(lái)也必將發(fā)揮更為重要的作用。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型能夠描述實(shí)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(jī)的數(shù)學(xué)模型認(rèn)識(shí)、分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)的定子與普通勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣都是三相對(duì)稱(chēng)繞組。通常按照電動(dòng)機(jī)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(lái)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(jī)電感不受電流變化影響，不計(jì)渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換向過(guò)程和電樞反映的影響；(3)三相繞組對(duì)稱(chēng)，永久磁銅的磁場(chǎng)沿氣隙周?chē)曳植迹?4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；(5)驅(qū)動(dòng)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