【導(dǎo)讀】矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊等。同時(shí)進(jìn)行功能模塊的有機(jī)。整合，搭建PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型采用雙臂環(huán)控制，速度環(huán)采用PI控制，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性，同時(shí)該模型也適用。載波比較方式的電流滯環(huán)控制容易獲得良好的控制效果。設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

　　

【正文】 電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM 技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)（如 ABB ACS1000 系列和美國(guó) ROBICON 公司的完美無(wú)諧波系列等）；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率（ THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。 在 70 年代開(kāi)始至 80 年代初，由于但是大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過(guò) 5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī) PWM 方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪 音（在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的），盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特性的有色噪音強(qiáng)度大大消弱。正應(yīng)為如此，即使在 IGBT 已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī) PWM 仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作效率，因?yàn)殡S機(jī) PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問(wèn)題的全新思路。 電流環(huán)是 PMSM 系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。 PMSM 系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能 。在 PMSM 系統(tǒng)的電流環(huán)中，必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電流頻率。對(duì)于 PMSM 的控制，通常有兩種控制方式，一種是針對(duì)電流的滯環(huán)控制，另一種是采用電壓控制。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快，主要用在模擬控制中；電壓控制的理論基礎(chǔ)是空間矢量 PWM控制，提高了逆變器的電壓輸出能力，保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，適合數(shù)字控制。 PMSM 系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)構(gòu)成的二環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 21 頁(yè) 的電流環(huán)，他是高性能 PMSM 系統(tǒng)構(gòu)成的根本 ，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。 電流控制是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)，電流控制的目的是使三相定子電流嚴(yán)格地跟蹤正弦的電流給定信號(hào)，對(duì)于 PMSM 它是一種正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁電動(dòng)機(jī)，為了獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，定子電流必須是相互平衡且 為轉(zhuǎn)子電角度位移的正弦函數(shù)。 圖 41 具有電流滯環(huán)的 A 相控制原理圖 圖 42 電流滯環(huán)跟蹤控制電流波形示意圖 滯環(huán)控制器是環(huán)寬為 2h，將給定電流與輸出電流經(jīng)行比較，電流偏差超過(guò) ? h 時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器控制逆變器 A 相上（或下）橋臂的功率器件動(dòng)作。 B、 C 二相的原理圖均與此相同。電流環(huán)滯控制電流波形示意圖如圖 41 所示。如果 ii aaref ? 且遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 22 頁(yè) haaref ??ii ，則滯環(huán)控制器輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開(kāi)關(guān) 器件 V1 導(dǎo)通，此時(shí)逆變器輸出正電壓，使實(shí)際電流增大。當(dāng)實(shí)際電流增大到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出， V1 保持導(dǎo)通，使實(shí)際電流繼續(xù)增大直達(dá)到harefa ?? ii ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，滯環(huán)控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷 V1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng) V4。 PMSM 控制系統(tǒng)的組成 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型主要由 PMSM 本體模塊、 dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊如圖 34 、電流調(diào)節(jié)器如圖 33 、速度調(diào)節(jié)器如圖 32 組成，如圖 31 是一個(gè)典型的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。 圖 31 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型 圖 32 PI 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 23 頁(yè) 圖 33 PWM 逆變器 圖 34 dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊 PMSM 控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理 電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流 與磁場(chǎng)相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)是復(fù)雜耦合的，不能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長(zhǎng)期以來(lái)成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。 20 世紀(jì) 30 年代 以來(lái)，交流電機(jī)理論在同步電機(jī)雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機(jī)派克方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電機(jī)的同一樣性。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上， 1971 年德國(guó)西門(mén)子公司的 等發(fā)表的論文《 感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理 》 和美國(guó) 與 申請(qǐng)的專利《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》，經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者和工程師的研究、實(shí)踐和不斷地完善，遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24 頁(yè) 形成現(xiàn)在普通應(yīng)用的交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，也成矢量控制系統(tǒng)。磁場(chǎng)定向控制系 統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而磨坊直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流調(diào)速達(dá)到并超出傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。仿效直流電機(jī)電流與同正交解耦可分別控制轉(zhuǎn)矩特性，講旋轉(zhuǎn)的電機(jī)磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法把定子電流變換為轉(zhuǎn)矩電流分量的激磁電流分量，相互正交，可以分別獨(dú)立控制， 這種通過(guò)坐標(biāo)變換重構(gòu)的電機(jī)模型可以等效為直流電機(jī)，從而像直流電機(jī) 一樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準(zhǔn)確控制。 由于收到功率開(kāi)關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展水平的制約，永磁同步電機(jī)最初都采用矩形波形式，在原理和控制方式上基本與直流電機(jī)系統(tǒng)類似，習(xí)慣稱為永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)通過(guò)正弦電流和連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行控制，理論上可獲得平衡轉(zhuǎn)矩。交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。對(duì)于一般的三相交流電機(jī)，采用坐標(biāo)變換，將三相交流繞組等效為兩相互相垂直的交流繞組或旋轉(zhuǎn)的兩相直流繞組，變換后系統(tǒng)變量之間得到部分解耦，從而使得系統(tǒng)分析和控制大為簡(jiǎn)化。 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁永久磁鐵提供。永磁 同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度在物理上是均勻的，但由于永磁材料的磁阻和鐵磁材料的磁阻不一樣，氣隙磁阻的分布并不均勻， 通常 d軸即磁極軸線的磁阻比 q軸相鄰兩個(gè)磁極 磁阻的中性線的磁阻大。 永磁同步電機(jī)模型如圖，有四個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其中 A， B， C 鏈接三相電壓，輸入端 TM 接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)。輸出端 M 用于測(cè)量和觀察同步電機(jī)的 工作狀態(tài) 圖 35 永磁同步電機(jī)模遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁(yè) 圖 36 永磁同步電機(jī)模型參數(shù)對(duì)話框 永磁同步電機(jī)模型可工作在發(fā)電狀態(tài)或電動(dòng)狀態(tài)，它的工作方式取決于輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩極性，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為正，則工作在發(fā)電狀態(tài)，如 果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為負(fù)，則工作在電動(dòng)狀態(tài)。永磁同步電機(jī)的電氣部分和機(jī)械部分都用二階狀態(tài)方程表示，并且模型假定定子磁通是爭(zhēng)先分布的，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是正弦的。永磁同步電機(jī)模型建立在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 上，所有參數(shù)也是折算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。 電機(jī)方程如下： 電路方程為： )*()*()*( PLLiLRidd r i qdqddt d ???LrpPLLiLRuLidd qr i dqqqqqqdt ??? ???? )*()*()*(1)*( ? ?iiiLipT qdqqqe )( ??? ? 式中 ， LL dq、 為 dq、 軸電成； R 為定子繞組電阻； ii qd、 為 dq、 軸電流分量； uu dq、 為 dq、 軸電壓分量； r? 為轉(zhuǎn)子角速度； p 為極對(duì)數(shù)； Te為電磁轉(zhuǎn)矩。 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 26 頁(yè) 機(jī)械方程： ))TT((1)*( t me rFJrdd ??? ?? rdd t ?? ?)( 式中， J 為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； F 為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的摩擦系數(shù)； ? 為轉(zhuǎn)子位置角； Tm 為軸上機(jī)械轉(zhuǎn)矩。 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 24 頁(yè) 第四章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) DQ 坐標(biāo)系與 ABC 三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 在交流電機(jī)中三相對(duì)稱繞組通過(guò)三相對(duì)稱電流可以在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在 功率不變的條件下，按磁動(dòng)勢(shì)相等原則，三相對(duì)稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以用兩相對(duì)稱繞組來(lái)等效，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換原則建立了磁動(dòng)勢(shì)不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。 這兩個(gè)變換都是定子側(cè)的電流旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)原則是，不論怎么變換其實(shí)都是一種遐想的坐標(biāo)系，都只有原始的三相繞組，通三相電流。變換的目的是從中找出另外一個(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系的“狀態(tài)量” —— 轉(zhuǎn)矩電流，來(lái)控制轉(zhuǎn)矩。實(shí)際矢量控制時(shí)，這一切變換都是在計(jì)算機(jī)里完成，最后又通過(guò)控制三相電流的，但此時(shí)的三相電流給定值可以保證這 個(gè)“狀態(tài)量”是我想要的那個(gè)數(shù)值。為什么非要交換呢，因?yàn)橐獙?duì)電機(jī)進(jìn)行控制（速度控制），使電機(jī)按照我們的意圖去運(yùn)轉(zhuǎn)，必須控制加到電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩與三相電流之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系是沒(méi)法直接寫(xiě)出來(lái)的，只有通過(guò)變換，才可以清楚地找出這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。 圖 43 定子靜止三相到靜止兩相的轉(zhuǎn)遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 25 頁(yè) 圖 44 靜止兩相到旋轉(zhuǎn)兩相的變換 A clarke 變化 claeke 變換是從固定的定子三相坐標(biāo) OABC （ 繞線繞的時(shí)候，三相坐標(biāo)就已經(jīng)形成 ） 到固定的兩相坐標(biāo)（假想的， ??O 的 ? 軸 與三相的 A 軸重合）。 變換的原則：兩者的磁場(chǎng)（磁動(dòng)勢(shì)）完全等效，磁動(dòng)勢(shì)等于電流與匝數(shù)的乘積。（如果是電流的變換就不需要乘了） 則有 )176。120c o s (N176。120c o sNNN 3332 ???? iiii CBA? （ 41） )176。120s i n (N176。120s i nN0N 332 ???? iii CB? （ 42） 式中 N2 和 N3 分別是兩相繞組和三相繞組的有效匝數(shù)。 ?????? ??? iiii CBA 2121NN 23? （ 43） ?????? ??? iii CB 23230NN 23? （ 44） 矩陣形式是： ??????????????????????????????iiiiiCBA2323021211NN23?? （ 45） 遼寧科技學(xué)院本科生 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 26 頁(yè) 因?yàn)橐_定 N2 和 N3 ,必須想個(gè)辦法。開(kāi)始時(shí)我認(rèn)為 23 匝數(shù)比大一些，兩相電流值小一些 ，反之，電流值大一些。后來(lái)發(fā)現(xiàn)其實(shí) N2 就不存在，因此，必須把這兩個(gè)匝數(shù)放在矩陣內(nèi)部。求出這兩個(gè)數(shù)。這樣做是通過(guò)確定匝數(shù)比，使得在兩種坐標(biāo)系下電流矢量相等則磁動(dòng)勢(shì)矢量也相等，這樣就避開(kāi)了匝數(shù)的干擾。 考慮到矩陣變換中正交變換不改變矢量的長(zhǎng)度。希望中間變換矩陣具有這一性質(zhì)。則中間變換矩陣應(yīng)該是正交矩陣的部分行。 因?yàn)檗D(zhuǎn)換矩陣不是方陣，不能求逆。添加零軸電流坐標(biāo) i0，轉(zhuǎn)換矩陣添加與線性無(wú)關(guān)的行。變換為： ???????????????????????????????????????????????????iiiCiiiKKKiiiCBACBA2323021211NN230?? （ 46） 利用 CC T1?? ，即 ECC ?T 得E?????????????????????????3K0002300023NN2232 （ 47） 得21,32NN 23 ?? K,可以去掉沒(méi)有用處的第三行 Clarke… ..變換：??????????????????????????????iiiiiCBA232302121132??…………… （