【文章內(nèi)容簡介】 流調(diào)速系統(tǒng)中顯示出很好的應用前景。基于模糊邏輯或人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)具有更好的負載擾動及非線性參數(shù)變化的魯棒性，并且無需依賴數(shù)學模型的設(shè)計。模糊邏輯己經(jīng)廣泛應用于傳動系統(tǒng)的速度工藝控制、這些新型智能控制理論與方法已在同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的模型參數(shù)辨識和自學習、自調(diào)整技術(shù)中得到應用。 近年來，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，在電氣傳動技術(shù)領(lǐng)域引起一場變革，即電氣傳動從傳統(tǒng)的模擬控制轉(zhuǎn)向計算機直接數(shù)字控制，采用計算機的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)控制精度高、動態(tài)性能好、調(diào)整容易、維護方便、可靠性高，可實現(xiàn)故障自診斷，并可與自動化系統(tǒng)通信，實現(xiàn)信息遠程傳遞，為新的控制理論和控制 系統(tǒng)的運用奠定了基礎(chǔ)。 數(shù)字控制調(diào)速技術(shù)的發(fā)展依賴于計算機硬件與軟件技術(shù)的發(fā)展新型的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)具有更多的控制功能，加強了機器與用戶間的交互作用，并擴展了與其他自動化裝置間的通信聯(lián)系。近年來，數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個發(fā)展趨勢，一個是采用單片微處理機或?qū)Ｓ?IC 芯片，硬件高度集成化、專用化，提高系統(tǒng)可靠性，降低裝置價格另一個發(fā)展趨勢是硬件通用化，軟件模塊化、可編程化。前者適合于產(chǎn)品的系列化，多用于中小容量標準產(chǎn)品，而后者則適合于大型的傳動工程。對于大型同步電機調(diào)速系統(tǒng)，為了使其適用于更復雜的工藝要求，多采 用通用的計算機硬件、 32 位或 64 位微處理機、多 CPU 結(jié)構(gòu)和模塊化軟件編程。根據(jù)不同的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把系統(tǒng)所需的模塊組接起來，構(gòu)成一個滿足不同復雜工藝的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)實際上是一個實時控制可編程控制器。 隨著微處理機技術(shù)的進一步發(fā)展，大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路芯片、 DSP 以及 RISC 工等高速運算芯片已在數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)中應用 `新的控制理論、控制系統(tǒng)將會取代傳統(tǒng)的控制方式，交流調(diào)速系統(tǒng)更加完善，傳動性能進一步提高。在單臺計算機數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)完善成熟的基礎(chǔ)上，數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)加強了與現(xiàn)代自動化系統(tǒng)的通信聯(lián)網(wǎng)。調(diào)速 系統(tǒng)作為自動化系統(tǒng)的一個智能終端，形成“系統(tǒng)型”數(shù)字控制調(diào)速。隨著計算機技術(shù)、自動化控制系統(tǒng)工程的發(fā)展，集散系統(tǒng)可編程控制器以及數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)將逐步融合為一體。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展 電力電子技術(shù)的發(fā)展對電機控制技術(shù)的發(fā)展影響極大，它們是密切相關(guān)和相互促進的?；?Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 7 在交流調(diào)速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導體器件是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的心臟和靈魂。 電力電子時代是從 20 世紀 50 年代末晶閘管的出現(xiàn)開始的，后來陸續(xù)出現(xiàn)了其他種類的器件，諸如控制極可關(guān)斷晶閘管，雙極型大功率晶體管仍，功率場效應晶體管伽，絕緣門極雙極型晶體 管，靜態(tài)感應晶體管，靜態(tài)感應晶閘管， MOS 控制的晶閘管等。從發(fā)展來看，電力電子學一般是跟隨著電力電子器件的發(fā)展前進的，而電力電子器件則是跟隨固體電子學的發(fā)展前進的。 功率場效應晶體管是一種單極型的電壓控制器件，具有驅(qū)動功率小、開關(guān)速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等顯著特點。其不足是 MOSFET 功率導通壓降高，而且隨著器件電壓和溫度的升高導通壓降也增加。功率 MOSFET 開關(guān)損耗極小，可補償導通壓降高的缺點，適用于高頻工作?，F(xiàn)已廣泛應用于開關(guān)電源、電機調(diào)速、不間斷電源、超聲波發(fā)生器以及高頻感應加熱電源等諸多 領(lǐng)域。 絕緣門極雙極型晶體管出現(xiàn)于 20 世紀 80 年代。在 IGBT 中，用一個 MOS 門極來控制寬基區(qū)的 39。高電壓雙極型晶體管的電流傳輸，這就產(chǎn)生了一種具有功率 MOSFET 的高輸入阻抗與雙極型器件的優(yōu)越通態(tài)特性相結(jié)合的器件。實際上， IGBT 的通態(tài)特性比高電壓的晶體管還好，接近晶閘管的通態(tài)特性。 IGBT、 MOSFET 等全控型器件具有自關(guān)斷能力，組成逆變器時不需要晶閘管系統(tǒng)所必需的換相電路，簡化了電路結(jié)構(gòu)提高了效率。由于工作頻率的大幅度提高，明顯的擴大了電機控制的調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應，效率和功 率因素，是交流調(diào)速控制系統(tǒng)非常理想的功率器件。 值得一提的是，新型控制系統(tǒng)中開始使用智能功率模塊 IPM，這種模塊集成了控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件，包括了輸入隔離，能耗制動，過溫、過壓、過流保護及故障診斷等功能。它的應用顯著地簡化了控制單元的設(shè)計，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和微型化。 PWM 技術(shù)的應用 脈寬調(diào)制技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的實際應用，是電機變頻控制技術(shù)的最終輸出環(huán)節(jié)，隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置如交流傳動、不間斷電源和有源濾波器中的應用越來越廣泛， PWM 控制技術(shù)作為這些系統(tǒng)的核心技術(shù)，引起了 人們的高度重視，并得到深入的研究。所謂 PWM 技術(shù)就是利用半導體器件的導通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實現(xiàn)變壓變頻并有效地控制和消除諧波的一門技術(shù)。目前，幾乎所有的變頻調(diào)基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 8 速裝置都采用這一技術(shù)。 PWM 技術(shù)用于變頻器的控制可以明顯改善變頻器的輸出波形，降低電機的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動，同時還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。 目前，采用高速功率器件的電壓型 PWM 變頻器的主導控制技術(shù)有 （ 1）基于正弦波和三角波脈寬調(diào)制的 SPWM 控制。 （ 2）基于消除指定次數(shù)諧波的 HEPWM 控制。 （ 3）基于電流滯環(huán)跟蹤的 CHPWM 控制。 （ 4）空間矢量 SVPWM 控制，或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。 這四種 PWM 技術(shù)中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標，第三種是以輸出電流接近正弦波為控制目標，第四種是以被控電機的旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形為控制目標。目前比較常用的是 SPWM 控制和 SVPWM 控制。 空間矢量 SVPWM 控制從電動機角度出發(fā)，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁鏈圓為基準，用逆變器不同的工作模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來追蹤基準磁鏈圓，由追蹤的結(jié)果決定變頻器的開關(guān)模式，形成 PWM 波，這 種方法就叫做“磁鏈軌跡跟蹤控制”。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，因此又叫做“電壓空間”?？臻g矢量法是目前國際上比較先進的變頻工作模式，由于其供給電動機的是理想磁鏈圓，因此，電動機工作更平穩(wěn)，噪音更低，同時也提高了電動機的工作效率，提高了電源電壓的利用效率。本課題亦是采用的 SVPWM 控制。 本論文的研究背景與主要內(nèi)容 在課題的準備階段，作者查閱了大量的相關(guān)資料，包括目前各大電氣企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品資料，相關(guān)技術(shù)文獻、期刊、參考書，以及往屆各大重點院校的碩士學位論文等。目前在市場上已有很多變頻器產(chǎn)品以及各 類伺服電機控制系統(tǒng)，如機床、門機等可以進行永磁同步電機的變頻調(diào)速控制，其中也有為數(shù)不少的產(chǎn)品使用矢量控制技術(shù)，但其中具體實現(xiàn)的方式不會給出，而在各種技術(shù)資料中對于永磁同步電機以及矢量控制的原理敘述的都比較詳細，但在實際的系統(tǒng)設(shè)計、電路實現(xiàn)和軟件編制上則言之甚少，而目前國內(nèi)的各大高校對電機的矢量控制也有很高的研究水平，他們可以把一些高新理論與技術(shù)如模糊控制，自適應控制，電子齒輪等，加入電機的矢量控制系統(tǒng)中，但是這些論文多數(shù)以系統(tǒng)仿真過程為結(jié)尾，真正進行了實際系統(tǒng)搭建與調(diào)試的并不多，特別對于是一些只有在電機實際 運行時才會遇到的技術(shù)問基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 9 題，如同步電機的啟動，電機的運行定位，程序計算的實時性與準確性分析，系統(tǒng)采集信號的濾波等問題上，提及很少，因此研究并設(shè)計出一套可以實際良好運轉(zhuǎn)的永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)具有很大實際意義。 本論文的主要內(nèi)容包括 （ 1）結(jié)合文獻資料，介紹了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)背景。 （ 2）介紹了永磁同步電機的各個組成部分與工作原理，分析了永磁同步電機的數(shù)學模型，為矢量控制系統(tǒng)的研究做準備。 （ 3）深入分析了電機的矢量控制理論，通過永磁同步電機的數(shù)學模型推導出矢量控制算法的實現(xiàn)方法，介紹了 矢量控制所用到的 Clarke 變換， Park 變換以及 Park 逆變換。描述了整個矢量控制系統(tǒng)流程框圖。 （ 4）介紹了空間矢量 SVPWM 技術(shù)的原理，分析了空間矢量 SVPWM 技術(shù)的實現(xiàn)方法。 （ 5）展示了控制系統(tǒng)的實際運行結(jié)果，給出了系統(tǒng)運行時主要的波形圖。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 10 2 永磁同步電機的原理與數(shù)學模型 永磁同步電機組成與原理 與傳統(tǒng)電機一樣，永磁同步電機的本體是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。 永磁同步電機的定子指的是電動機在運行時的不動部分，主要是由硅鋼沖片、三相對稱同分布在它們槽中的繞組、固定鐵心用的機殼以及端蓋等部分組成。其定 子和異步電動機的定子結(jié)構(gòu)基本相同?？臻g上三相對稱繞組通入時間上對稱的三相電流就會產(chǎn)生一個空間旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 N=60f/p，其中， f 為定子電流頻率， p 為電動機極對數(shù)。圖 為永磁同步電機定子與轉(zhuǎn)子的示意圖。 圖 永磁同步電機示意圖 永磁同步電機的轉(zhuǎn)子是指電動機在運行時可以轉(zhuǎn)動的部分，轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵磁，目前一般使用稀土永磁材料。通常由磁極鐵心、勵磁繞組、永磁磁剛及磁扼等部分組成。磁極鐵心由鋼板沖 片疊壓而成，磁極上套有勵磁繞組，勵磁繞組兩出線端接到兩個集電環(huán)上，再通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出。勵磁繞組由直流勵磁電源供電，其正確連接應使相鄰磁極的極性呈 N 與 S 交替排列。轉(zhuǎn)子的主要作用是在電動機的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應強度，并同通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩用來驅(qū)動自身的運轉(zhuǎn)。永磁同步電機的勵磁磁場可視為恒定。 永磁同步電機按照驅(qū)動電流波形劃分可以分為兩類一類是正弦波電流驅(qū)動的永磁同步電機另一類是方波或梯形波電流驅(qū)動永磁同步電機，這樣就造成兩種同步電動機在原理、模基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 11 型以及控制方法上有所不同，為了區(qū) 別由它們組成的永磁同步電動機，一般把由正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為正弦型永磁同步電動機，而由方波或梯形波驅(qū)動的永磁同步電動機稱為方波型永磁同步電動機，由于其原理與控制方式上基本與直流電動機系統(tǒng)類似，所以又稱無刷直流電動機。 由上可知，永磁同步電機運行時存在著兩個旋轉(zhuǎn)磁通勢一是定子旋轉(zhuǎn)磁通勢，又稱電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fa，它由定子三相電流通過定子三相繞組產(chǎn)生 。二是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢，又稱勵磁旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fo，它由轉(zhuǎn)子磁鋼的磁通勢產(chǎn)生。要想使永磁同步電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，必須保證電樞旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fa，與勵磁旋轉(zhuǎn)磁通勢 Fo以同一轉(zhuǎn)速 沿同一方向旋轉(zhuǎn)，即通入定子電流的角頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角頻率一致，而且由定子，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的兩磁場應保持一定的角度。這樣才可以有效的避免永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)起來以后的失步問題，保證了永磁同步電動機運行的穩(wěn)定性和安全性。如圖 ，通常 Fa與 Fo 呈度角，這樣可以獲得最大的轉(zhuǎn)矩。 圖 同步電機磁動勢圖 綜上可知，永磁同步電機具有以下的特點 : （ 1）電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率始終保持準確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電機的轉(zhuǎn)速 。 （ 2）永磁同步電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力。 （ 3）永磁同步電機轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵無需勵磁，因此電機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。 以上詳細說明了永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點與運行原理，為下面的介紹永磁同步電機的數(shù)學模型提供結(jié)構(gòu)方面的基礎(chǔ)。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 12 永磁同步電機的數(shù)學模型 永磁同步電機數(shù)學模型的建立，首先應該建立電機的空間參考坐標。同感應電機一樣，將正向電流流經(jīng)一相繞組產(chǎn)生的正弦磁動勢波的軸線定義為相繞組的軸線，并將 A 軸作為ABC 軸系的空間參考坐標假定感 應電動勢的正方向與電流的正方向相反，取逆時針方向為轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的正方向，負載轉(zhuǎn)矩正方向則與此相反。圖 為電機永磁同步電機的 ABC軸空間參考坐標系。 圖 永磁同步電機 ABC 坐標系 在建立數(shù)學模型之前，先做如下假設(shè) （ 1）忽略鐵心飽和，不計渦流和磁滯損耗 （ 2）永磁材料的電導率為零 （ 3）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組 （ 4）相繞組中感應電動勢波形為正弦 （ 5）定子繞組的感應電動勢波形為正弦波形，磁動勢為正弦形分布。 如 圖 ，在 ABC 軸系中，定義定子電流空間矢量為 )(32 2 CBAs iiii ?? ??? （ ） 其中 j2321 ??? 。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 13 圖 中，取轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場的基波部分，于是 f? 為勵磁空間矢量。 f? 同轉(zhuǎn)子一道旋轉(zhuǎn)，在 ABC 坐標中的 相位決定于電角度 r? 。于是可寫出以軸系表示的定子電壓矢量方程 )( rjfsssss edtddtdiLiru ????? （ ） 其中， su 為定子電壓空間矢量， sR 為定子相電阻 sL 為電機等效同步電感。 與感應電機不同的是，三相永磁同步電機內(nèi)的氣隙不一定是均勻的。這樣，式 中的同步電感就不一定是常數(shù)，會給問題的分析帶來很大的困難。為此，常采用雙軸理論來研究同步電機問題。此時取永磁體基波 勵磁場軸線 (磁極軸線 )為 d 軸 (直軸 )，順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸 90 電