【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （29）（3） 轉(zhuǎn)矩方程 （210） 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d,q坐標(biāo)系）上的模型永磁同步電機(jī)是由電磁式同步電動(dòng)機(jī)發(fā)展而來，它用永磁體代替了電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷，而定子與電磁式同步電機(jī)基本相同仍要求輸入三相對(duì)稱正弦電流。現(xiàn)對(duì)其在d,q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)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(biāo)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(biāo)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(duì)數(shù)； 本章小結(jié)本章對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、類型以及工作原理進(jìn)行了介紹，并在坐標(biāo)變換的基礎(chǔ)上，對(duì)其在各個(gè)坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(jī)的控制系統(tǒng)永磁同步電機(jī)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(hào)的反饋對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(cè)角儀，可直接與計(jì)算機(jī)相連，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的測(cè)速精度和測(cè)速范圍。無傳感器控制則可以不依賴于電機(jī)參數(shù)和負(fù)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的閉環(huán)控制，所需的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)來自和電動(dòng)機(jī)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(dòng)、粉塵、腐蝕性等環(huán)境都會(huì)對(duì)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(chǎng)合根本不允許或許很難安裝傳感器，因?yàn)閭鞲衅餍枰M(jìn)行專門維護(hù)。除此之外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中還要考慮到抑制外界干擾對(duì)速度傳感器所造成的影響，這樣就進(jìn)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(cè)量的電動(dòng)機(jī)的電壓和電流信號(hào)估計(jì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)速度的方法主要有：基于電機(jī)模型的估計(jì)，基于控制理論的估計(jì)，調(diào)整模型進(jìn)行速度辨識(shí)，利用齒諧波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)，利用漏感脈動(dòng)檢測(cè)和飽和凸極檢測(cè)。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(jì)和基于諧波信號(hào)的估計(jì)[11]。 矢量控制 概述1971年，德國(guó)科學(xué)家Blaschke和Hasse提出了交流電動(dòng)機(jī)的矢量理論，運(yùn)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(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律與方法，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)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(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后對(duì)勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過這種方法，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制相類似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)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(shí)施仍然是落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。由于在定子側(cè)的各個(gè)物理量，包括電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)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(duì)應(yīng)的計(jì)算都不是很方便。因此，針對(duì)這一點(diǎn)，需要借助坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從兩相靜止坐標(biāo)系（α，β坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換到兩相轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d，q坐標(biāo)系），然后，從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，電動(dòng)機(jī)的各個(gè)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(gè)分量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，實(shí)時(shí)的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值。按照這些分量值進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，就可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能的目的[12，13]。永磁同步電機(jī)的矢量控制方式：電動(dòng)機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是對(duì)其轉(zhuǎn)矩的控制，矢量控制的實(shí)質(zhì)是為了改善轉(zhuǎn)矩控制的性能，而最終實(shí)施是落實(shí)到對(duì)定子電流的控制上。在系統(tǒng)參數(shù)不變的情況下，對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制最終可以歸結(jié)為對(duì)d, ，有多個(gè)d, q軸電流的控制組合，由此形成了永磁同步電機(jī)的電流控制策略。（1）的控制方法其最大的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，即實(shí)現(xiàn)了PMSM的解耦控制，其性能類似于直流電機(jī)，控制簡(jiǎn)單，且無去磁作用，因此得到了非常廣泛的應(yīng)用，尤其是對(duì)隱極式同步電機(jī)控制的系統(tǒng)。但使用該方法的電機(jī)功率因數(shù)較低，電機(jī)和逆變器的容量不能充分的利用；（2）的控制方法其特點(diǎn)是電機(jī)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??；（3）磁鏈恒定的控制方法其特點(diǎn)是電機(jī)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(chǎng)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩最大的矢量控制方法。該方法可以減小電機(jī)的銅耗，提高運(yùn)行效率，從而使整個(gè)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(duì)逆變器容量的要求可相對(duì)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(gè)分量實(shí)現(xiàn)了解耦:當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與成正比，能達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。因此，在本文中采用的控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。 矢量控制圖圖31永磁同步電機(jī)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(jī)矢量控制的過程為:給定速度信號(hào)與檢測(cè)到的速度信號(hào)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(hào),同時(shí)，經(jīng)坐標(biāo)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(hào)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(diǎn)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(jī)的交流調(diào)速，而在感應(yīng)電機(jī)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(dòng)機(jī)和永磁同步電機(jī)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(jìn)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(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性大為減弱。在實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中，直接轉(zhuǎn)矩控制取消旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，通過檢測(cè)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)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(shí)現(xiàn)電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制[14,15]。 直接轉(zhuǎn)矩控制圖在實(shí)際應(yīng)用中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的計(jì)算對(duì)控制系統(tǒng)性能影響很大，為了獲得更好的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，應(yīng)用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。圖32給出了永磁同步電機(jī)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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制框圖根據(jù)圖32永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)。速度給定信號(hào)ω*源于自動(dòng)力總成系統(tǒng)，通過CAN總線實(shí)時(shí)對(duì)給定速度信號(hào)ω*與速度反饋信號(hào)ω進(jìn)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(hào)。磁鏈給定由函數(shù)發(fā)生器根據(jù)速度給定計(jì)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(dāng)前開關(guān)狀態(tài)計(jì)算實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈偏差經(jīng)過兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)分別輸出信號(hào)τ，φ它們與定子磁鏈位置θ一起共同決定下一個(gè)時(shí)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(duì)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(jī)的控制系統(tǒng)。由于不同的控制策略各有特點(diǎn)，且在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可取得不同的控制效果，所以需要根據(jù)不同場(chǎng)合進(jìn)行選擇，才能得到最好的控制效果。4 永磁同步電機(jī)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(xué)計(jì)算的工具軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、簡(jiǎn)便的繪圖功能、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。SIMULINK由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序三部分組成。用戶進(jìn)行仿真時(shí)很少需要寫程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單的操作，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[16，17]。SIMULINK仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電氣傳動(dòng)學(xué)科進(jìn)行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)。電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)包括以下六個(gè)子模塊庫(kù)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(kù):包括串聯(lián)RCL負(fù)載、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(kù):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(jiǎn)化模型。(4) 電機(jī)模塊庫(kù):包括激磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)等。(5) 連接模塊庫(kù):包括地和中性點(diǎn)和