【文章內(nèi)容簡介】 （29）（3） 轉(zhuǎn)矩方程 （210） 旋轉(zhuǎn)坐標系（d,q坐標系）上的模型永磁同步電機是由電磁式同步電動機發(fā)展而來，它用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷，而定子與電磁式同步電機基本相同仍要求輸入三相對稱正弦電流?，F(xiàn)對其在d,q坐標系的數(shù)學模型描述如下：（1） 電壓方程 （211）其中：為d,q軸上的電壓分量； 為d,q軸上的電流分量； 為d,q坐標系旋轉(zhuǎn)角頻率； 為永磁體在d,q軸上的磁鏈；(2) 磁鏈方程 （212）其中: 為永磁體在d,q軸上的磁鏈； L為d,q坐標系上的等效電樞電感； 為d,q軸上的電流分量； 為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；(3) 電磁轉(zhuǎn)矩方程 （213）其中：為輸出電磁轉(zhuǎn)矩； 為磁極對數(shù)； 本章小結(jié)本章對永磁同步電機的結(jié)構(gòu)、類型以及工作原理進行了介紹，并在坐標變換的基礎(chǔ)上，對其在各個坐標下的數(shù)學模型進行了建立，為下文的控制系統(tǒng)的建立與相關(guān)模型的仿真提供了基礎(chǔ)。3 永磁同步電機的控制系統(tǒng)永磁同步電機有許多種控制方式，由于控制系統(tǒng)需要通過精確的轉(zhuǎn)子位置和速度信號的反饋對控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)與控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和速度信號的獲得可把控制系統(tǒng)分為有傳感器控制和無傳感器控制。而根據(jù)控制轉(zhuǎn)矩的方式來分又可以分為矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制。 有傳感器控制與無傳感器控制有傳感器控制精度高，控制算法簡單，通過硬件方式來獲得轉(zhuǎn)子位置和速度的信息，如增量式編碼器，絕對式編碼器，光電編碼器，其中光電編碼器是將角位移轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)字代碼，集傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換于一體的數(shù)字式測角儀，可直接與計算機相連，抗干擾能力強，具有很高的測速精度和測速范圍。無傳感器控制則可以不依賴于電機參數(shù)和負載干擾，在高速段控制中已獲得良好的控制性能[10]。高性能的系統(tǒng)控制需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的閉環(huán)控制，所需的轉(zhuǎn)速反饋信號來自和電動機轉(zhuǎn)軸相連的光電碼盤、旋轉(zhuǎn)變壓器等位置速度傳感器。然而，這些設(shè)備的加入就帶來了一些問題：增加了系統(tǒng)成本，高溫、潮濕、振動、粉塵、腐蝕性等環(huán)境都會對傳感器造成一定的影響，從而制約了系統(tǒng)在非理想環(huán)境中的使用，而在某些特殊場合根本不允許或許很難安裝傳感器，因為傳感器需要進行專門維護。除此之外，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中還要考慮到抑制外界干擾對速度傳感器所造成的影響，這樣就進一步增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。而無傳感器技術(shù)可以有效的解決這些問題，其關(guān)鍵的因素就是位置轉(zhuǎn)速信息的獲得，如何借助所測量的電動機的電壓和電流信號估計電動機的轉(zhuǎn)速和位置，就是無傳感器技術(shù)的關(guān)鍵因素。獲得電動機速度的方法主要有：基于電機模型的估計，基于控制理論的估計，調(diào)整模型進行速度辨識，利用齒諧波信號進行轉(zhuǎn)速辨識，利用漏感脈動檢測和飽和凸極檢測。而獲得轉(zhuǎn)子位置信息的方法主要有基于轉(zhuǎn)子凸極效應(yīng)的估計和基于諧波信號的估計[11]。 矢量控制 概述1971年，德國科學家Blaschke和Hasse提出了交流電動機的矢量理論，運用矢量控制可以使交流調(diào)速得到直流調(diào)速同樣優(yōu)良的控制性能。其基本思想是在普通的三相交流電動機上模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律與方法，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后對勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量進行調(diào)節(jié)。通過這種方法，交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制相類似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。雖然矢量控制的目的是能夠提高轉(zhuǎn)矩控制的性能，但最終實施仍然是落實到對定子電流的控制上。由于在定子側(cè)的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等，采用的都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和相對應(yīng)的計算都不是很方便。因此，針對這一點，需要借助坐標變換，使得各個物理量從兩相靜止坐標系（α，β坐標系）轉(zhuǎn)換到兩相轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標系（d，q坐標系），然后，從同步旋轉(zhuǎn)坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，電流和電壓都成了直流量，然后通過轉(zhuǎn)矩公式，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各個分量之間的數(shù)學關(guān)系，實時的計算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值。按照這些分量值進行實時控制，就可以達到直流電動機的控制性能的目的[12，13]。永磁同步電機的矢量控制方式：電動機調(diào)速的關(guān)鍵是對其轉(zhuǎn)矩的控制，矢量控制的實質(zhì)是為了改善轉(zhuǎn)矩控制的性能，而最終實施是落實到對定子電流的控制上。在系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，對電磁轉(zhuǎn)矩的控制最終可以歸結(jié)為對d, ，有多個d, q軸電流的控制組合，由此形成了永磁同步電機的電流控制策略。（1）的控制方法其最大的優(yōu)點是電機的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，即實現(xiàn)了PMSM的解耦控制，其性能類似于直流電機，控制簡單，且無去磁作用，因此得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是對隱極式同步電機控制的系統(tǒng)。但使用該方法的電機功率因數(shù)較低，電機和逆變器的容量不能充分的利用；（2）的控制方法其特點是電機的功率因數(shù)恒定為1，逆變器的容量得到了充分的利用，但該方法所能輸出的最大轉(zhuǎn)矩比較?。唬?）磁鏈恒定的控制方法其特點是電機的功率因數(shù)較高，電壓基本是恒定的，轉(zhuǎn)矩線性且可控，但需要較大的定子電流磁場分量來助磁；（4）最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制，也稱定子電流最小的控制，或稱為最大轉(zhuǎn)矩電流控制，是指在轉(zhuǎn)矩給定的情況下，最優(yōu)配置d, q軸的電流分量，使定子的電流最小，即單位電流下電機輸出轉(zhuǎn)矩最大的矢量控制方法。該方法可以減小電機的銅耗，提高運行效率，從而使整個系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。此外，由于逆變器所需要輸出的電流比較小，對逆變器容量的要求可相對的降低。通過公式變換后，我們由公式（211）,（212），（213）可知，采用的控制策略后，定子電流兩個分量實現(xiàn)了解耦:當轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與成正比，能達到直流電動機的控制性能。因此，在本文中采用的控制方法對永磁同步電機進行控制。 矢量控制圖圖31永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)圖31，可得永磁同步電機矢量控制的過程為:給定速度信號與檢測到的速度信號相比較，經(jīng)速度PI控制器的調(diào)節(jié)后，輸出交軸電流分量作為電流PI調(diào)節(jié)器的給定信號,同時，經(jīng)坐標變換后，定子反饋電流變?yōu)镮d，Iq，控制直軸給定電流=0，與變換后得到的直軸電流1d相比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出直軸電壓Vd，給定交軸電流與變換后的得到的交軸電流Iq比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后輸出交軸電壓Vq，然后經(jīng)過Park逆變換得到α，β軸電壓。最后通過SVPWM模塊輸出六路控制信號驅(qū)動逆變器工作，輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入電動機定子。 直接轉(zhuǎn)矩控制 概述直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，縮寫為DTC）技術(shù)自從被提出以來，由于其諸多優(yōu)點而引起人們一直的關(guān)注和研究。其傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域主要是感應(yīng)電機的交流調(diào)速，而在感應(yīng)電機上的應(yīng)用卻是越來越得到肯定，現(xiàn)在人們也在逐漸嘗試將它應(yīng)用在無刷直流電動機和永磁同步電機的調(diào)速系統(tǒng)中。直接轉(zhuǎn)矩控制不通過控制電流、磁鏈等變量來間接控制電磁轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來進行控制，將轉(zhuǎn)子磁通定向更換為定子磁通定向。由于定子磁通定向只牽涉到定子電阻，因而對電機參數(shù)的依賴性大為減弱。在實現(xiàn)應(yīng)用中，直接轉(zhuǎn)矩控制取消旋轉(zhuǎn)坐標變換，通過檢測定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得的差值，實現(xiàn)電機磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制[14,15]。 直接轉(zhuǎn)矩控制圖在實際應(yīng)用中，由于電機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計算對控制系統(tǒng)性能影響很大，為了獲得更好的轉(zhuǎn)矩計算，應(yīng)用了計算機仿真技術(shù)對控制系統(tǒng)進行了研究。圖32給出了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。圖32 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制框圖根據(jù)圖32永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制框圖?？刂葡到y(tǒng)的控制功能完全由DSP軟件實現(xiàn)。速度給定信號ω*源于自動力總成系統(tǒng)，通過CAN總線實時對給定速度信號ω*與速度反饋信號ω進行比較，誤差經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后作為轉(zhuǎn)矩給定信號。磁鏈給定由函數(shù)發(fā)生器根據(jù)速度給定計算得到。直接轉(zhuǎn)矩控制中最重要的部分是磁鏈/轉(zhuǎn)矩的預(yù)估，如圖32右下所示，它是根據(jù)定子電流反饋值和直流母線電壓值以及逆變器當前開關(guān)狀態(tài)計算實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈偏差經(jīng)過兩點式調(diào)節(jié)分別輸出信號τ，φ它們與定子磁鏈位置θ一起共同決定下一個時刻的逆變器開關(guān)狀態(tài)，即選擇電壓矢量。 本章小結(jié)本章通過對有、無傳感器控制系統(tǒng)的介紹，引出了有傳感器控制的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制以及無傳感器控制的永磁同步電機的控制系統(tǒng)。由于不同的控制策略各有特點，且在不同的應(yīng)用場合可取得不同的控制效果，所以需要根據(jù)不同場合進行選擇，才能得到最好的控制效果。4 永磁同步電機控制系統(tǒng)的建模和仿真 Matlab/Simulink軟件MATLAB是MathWorks公司開發(fā)的用于數(shù)學計算的工具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、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。SIMULINK由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分組成。用戶進行仿真時很少需要寫程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進行仿真和分析研究[16，17]。SIMULINK仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電氣傳動學科進行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫。電氣系統(tǒng)模塊庫包括以下六個子模塊庫組成：(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) 基本元件模塊庫:包括串聯(lián)RCL負載、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л型集中參數(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、GTO, MOSFET和理想開關(guān)等。為滿足不同的仿真要求并提高仿真速度還有晶閘管簡化模型。(4) 電機模塊庫:包括激磁裝置、水輪機及其調(diào)節(jié)器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。(5) 連接模塊庫:包括地和中性點和