【正文】 [12] 賴重平 ， 李春茂 。 福建 福州 ， 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 ， 東方電氣評(píng)論 ， 2020?；?MATLAB 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真研究 [J]。 李洪珠 。 基于 MATLAB 永磁同步電機(jī)矢量控制的仿真研究 [J]。 [6] 李三東 ， 薛花 ， 紀(jì)志成 。 商品儲(chǔ)運(yùn)與養(yǎng)護(hù) ， 2020。 [3] 高延榮 ， 舒志兵 ， 葛宏濤 ， 基于 Matlab／ Simulink 的永磁同步電機(jī) (PMSM)矢量控制仿真 [J]。 武漢理工大學(xué) ， 2020。 研究展望 由于本人的時(shí)間及精力有限，論文的撰寫過程中難免有些不足，在本文的基礎(chǔ)上還可以做以下展望： (1) 本文的仿真是針對(duì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在本文的理論及仿真基礎(chǔ)上還可以加位置環(huán)，完成整個(gè)私服系統(tǒng)的仿真。因此本文把 MATLAB 技術(shù)用于高性能的 PMSM 調(diào)速系統(tǒng)在理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用方面都有一定意義 ， 具有先進(jìn)性。 本次仿真成功的實(shí)現(xiàn)了永磁同 步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在 Matlab/Simulink 中的模擬仿真 ， 并得到了較好的仿真結(jié)果，為今后實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。仿真時(shí) ， 取 ? =150， ? =875， c =4000， 給定轉(zhuǎn)速 300r/min， 仿真時(shí)間為 秒 ， 在 t= 時(shí)刻電機(jī)加 2 .Nm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。將給定轉(zhuǎn)速 *? 和實(shí)際轉(zhuǎn)速 ? 做差 ， 產(chǎn)生的偏差通過滑?？刂破鞯淖饔?， 得到交軸電流的給定信號(hào) *qi ， 直軸電流給定信號(hào) * 0di ? ， 將交軸和直軸給定信號(hào) *qi ， *di 分別與坐標(biāo)變換得到的實(shí)際電流 qi ， di 做差 ， 得到的偏差通過 兩個(gè)PI 控制器的作用 ， 得到qU和 dU ，qU， dU 經(jīng)過 Park 反變換得到 U? ， U?。電機(jī)本體等。 但 PSB 中的模塊與 Simulink 中的模塊大多不能直接連接．要通過 PSB 提供的兩類中間接口模塊來實(shí)現(xiàn)這兩種模塊中信號(hào)的傳遞：一類是電壓、電流測(cè)量模塊 ， 將 PSB 中的電壓、電流等電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為 Simulink 可接受的信號(hào)；另一類是受控電壓源、受控電流源模塊 ， 將 Simulink 信號(hào)轉(zhuǎn)換為 PSB 中的電路信號(hào) ， 這兩類模塊在 Simulink和 PSB 之間起到了橋梁的作用 ， 通過它們就可以將 PSB 與 Simulink 連接到一起。 Simulink 還支持多采樣頻率系統(tǒng) ， 及不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率 進(jìn)行組合 ， 可以仿真較大較復(fù)雜的系統(tǒng) [25]。 模型創(chuàng)建完成后 ， 可以啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真功能分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。還被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制 ， 系統(tǒng) 仿真 ， 數(shù)字信號(hào)處理 ， 圖形圖像分析 ， 數(shù)理統(tǒng)計(jì) ， 人工智能 ， 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) ， 通信工程 ， 金融系統(tǒng)等領(lǐng)域。 24 第四章 基于 Matlab 的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 引言 在電氣行業(yè)常常是軟件伴隨著硬件的研發(fā)而一路發(fā)展下來的 每年都有新型的電子材料的出現(xiàn)帶動(dòng)著 電力電子技術(shù) ， 微電子技術(shù) ， 新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展 到現(xiàn)今為止 永磁同步電機(jī) (PMSM)系統(tǒng) 在大范圍伺服系統(tǒng)中得以應(yīng)用 ， 對(duì)于它的研究要求周期短盡可能的跟上硬件的發(fā)展 ， 因而建立一個(gè)基于MATLAB 的 PMSM 的仿真模型用于研究具有重要的意義 [24]。 表 34 開關(guān)作用時(shí)間 N 1 2 3 4 5 6 c1mT bT aT aT cT cT bT 2cmT aT cT bT bT aT cT 3cmT cT bT cT aT bT aT 22 3tc2tb1ta0 . 5G a i n 20 . 5G a i n 1 K G a i nA d d 2A d d 1A d d3Ts2T21T1 圖 36 計(jì)算 ta， tb， tc 3T cm 32T cm 21T cm 1M u l t i p o r tS w i t ch 2M u l t i p o r tS w i t ch 1M u l t i p o r tS w i t ch4tc3tb2ta1N 圖 36 計(jì)算 Tcm1， Tcm2， Tcm3 （四） 生成 PWM 波形 23 計(jì)算得到的 c1mT ， 2cmT ， 3cmT 值與等腰三角形進(jìn)行比較 ， 就可以生成對(duì)稱空間矢量 PWM 波形 PWMl、 PWM PWM5。 計(jì)算模型如圖 33。確定扇區(qū)號(hào) N=A+2B+4C， 得到扇區(qū)與 N 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 31， 模型如圖 32 所示 。 按上述方法可以計(jì)算出其它五個(gè)扇區(qū)。每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí) ， 只切換一個(gè)功率開關(guān)器件 ， 以減少開關(guān)損耗。由于逆變器產(chǎn)生的矢量數(shù)目有限 ， 不能產(chǎn)生角度連續(xù)變化的空間矢量 ， SVPWM 方法通過 8 個(gè)基本空間矢量中兩個(gè)相鄰的有效矢量及零矢量 ， 并根據(jù)各自作用時(shí)間不同來等效電機(jī)所需的空間電壓矢量 outU ， 其原理圖如圖31 所示。 凸極永磁同步電機(jī)組成的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中 ， 可以靈活地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。 (2) 90 180??? 方式。 (l) 90?? 方式。這實(shí)際是對(duì)定子電流空間矢量相位和幅值的控制 ， 所以稱之為“矢量控制” [19]。 在同步電動(dòng)機(jī)中 ， 勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁動(dòng)勢(shì)間的空間角度不是固定的 ， 它隨負(fù)載而變化 ， 特別在動(dòng)態(tài)情況下 ， 這將會(huì)引起磁場(chǎng)間十分復(fù)雜的作用關(guān)系 ， 因此也就不能簡(jiǎn)單地通過調(diào)節(jié)定子電流來控制轉(zhuǎn)矩。 眾所周知 ， 在他勵(lì)直流電動(dòng) 機(jī)中，勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁動(dòng)勢(shì)間的空間角度由電刷和機(jī)械換向器所固定， 通常情況下 ，兩 者正交。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 矢量控制思想是 1971 年由德國(guó) Blaschke 等人提出的 ， 首先是應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)中。 14 第三章 永磁同步電機(jī) 矢量控制及 空間矢量脈寬調(diào)制 引言 矢量控制是交流電機(jī)的一種高性能控制技術(shù) ， 其基本思想是根據(jù)坐標(biāo)變換理論將交流電機(jī)兩個(gè)在時(shí)間相位上正交的交流分量轉(zhuǎn)換為空間上正交的兩個(gè)直流分量 ， 從而把交流電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量?jī)蓚€(gè) 獨(dú)立的直流控制量[16]， 分別實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的控制 ， 然后再通過坐標(biāo)變換將兩個(gè)獨(dú)立的直流控制量還原為交流時(shí)變量來控制交流電機(jī) ， 大大提高了調(diào)速的動(dòng)態(tài)性能。 假定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)恒定 ， 則電磁轉(zhuǎn)矩 Te 與 q 軸電流 Isq成正比 ， 即電磁轉(zhuǎn)矩與定 子電流呈線性關(guān)系 ， 從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)得到簡(jiǎn)化 ， 這 是 Isd=0 控制的優(yōu)點(diǎn) ，在已知轉(zhuǎn)矩指令 Te* 時(shí) ， 電機(jī) dq 軸電流指令分別如下： ***023sdssqfiTiP?? ??? ??? () 于是得到永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制方程： sd s sd sq sqsq s sq fu R i L iu R i ???????? ???? （ ） 要使實(shí)際電流跟隨給定參考值 ， 上式中還加入反饋控制量。 d 0I ? 的 12 控制稱為磁場(chǎng)定向控制 ， 這種控制方法簡(jiǎn)單 ， 計(jì)算量小 ， 沒有電樞反應(yīng)中電機(jī)的去磁問題 ， 因此應(yīng)用的比較廣泛 [14]。 在本系統(tǒng)中 ， 三項(xiàng)永磁同步電機(jī)定子繞組采用星形連接 ， 三相定子電流在電樞繞組中性點(diǎn)滿足基爾霍夫電流定律 ， 即三相電流相加等于零 ， 因此定子電流的零序分量等于零 ， 可以計(jì)算得定子磁鏈和定子電壓的零序分量也等于零 [12]。 PMSM 在 0?? 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 定子靜止三相 ABC 坐標(biāo)系統(tǒng)到定子靜止兩相 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換為 0AClar ke BCf ff T fff???? ???? ????? ???? ?????? () 其中 Clarke 變換陣 [10]為： 111222 3 303 2 21 1 12 2 2C larkeT???????????????? （ ） 將式（ ）改寫為 c osc os ( 12 0 )c os ( 12 0 )feAAA A A B A CB B A B B B C B f eCA CB CCCC feiL M MM L M iM M L i???? ? ?? ????? ? ? ??? ????? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ?? ? ? ? ???? （ ） 在式 ()兩邊左乘 Clarke 變換陣后 ， 得 到定子靜止兩相 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程 9 100 0Cla r k efA A A B A CCl a r k e B A B B B C fCA CB CC fiL M MT M L M T iM M L i???? ? ?????? ????? ? ? ??? ??? ? ? ????? ??? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ? ?? () 式（ ）中 0c os c osc os ( 12 0 ) sin0c os ( 12 0 )fef ef Cl a r k e f e f ef feT????? ?? ? ? ? ?? ?????? ?????? ??? ? ????? ??? ?????? ?? （ ） 將式（ ）改寫為 A A AB B BC C Cuiu r i pui???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 式 ()中 P 為求導(dǎo)符號(hào) ， 在方程式兩邊左乘 Clarke 變換矩陣后 ， 可得到定子靜止兩 0?? 坐標(biāo)系統(tǒng)下的電壓方程 0 0 0uiu r i pui? ? ?? ? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? () 經(jīng)過 Clarke 變換后 ， 定子磁鏈方程和電壓方程的系數(shù)矩陣仍然與轉(zhuǎn)子位置角e? 有關(guān) ， 分析計(jì)算比較麻煩 ， 需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置角的解耦變化。 PMSM 的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生 ， 定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān) ， 轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān) ，轉(zhuǎn)子永磁體在每相繞組中產(chǎn)生反電勢(shì)。 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的數(shù)學(xué)模型 下面我們將以三相正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步機(jī) (PMSM)為研究對(duì)象 ， 分析永磁同步電機(jī)在 ABC 坐標(biāo)系 下 的、 永磁同步電機(jī)在 0?? 坐標(biāo)系下的及在 dq0 坐標(biāo)系下 的磁鏈和電壓方程 ， 并將分析三種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換。 內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子具有明顯的磁極 ， 定子與轉(zhuǎn)子之間磁路是不均勻的 ， 與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。 永磁同步電機(jī)從轉(zhuǎn) 子 結(jié) 構(gòu)上大致可以分為兩大類：表面式永磁同步電機(jī)SPMSM(Surface Permanent Ma Synchronous Motor)和 內(nèi)埋式 永磁同步電機(jī)IPMSM(Interior Permanent Mag Synchronous Motor)。目前我國(guó)的銣鐵硼磁 性材料特性水平達(dá)到世界的先進(jìn)水平 ， 因此開發(fā)和研制銣鐵硼永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有得天獨(dú)厚的有利條件。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體 ， 轉(zhuǎn)子鐵 心上可以有電樞繞組。定子和普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同 ， 也是采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。 永磁同步電機(jī) 調(diào)速系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)。 第五章 總結(jié)與展望 ：總結(jié)本文的主要研究?jī)?nèi)容，并對(duì)后續(xù)要做的進(jìn)行展望 。 隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展 ，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛 ， 研究提升已有的系統(tǒng)的性能需要一個(gè)利于研究的平臺(tái) ， 在這一點(diǎn)上國(guó)內(nèi)外的差距在于我們國(guó)內(nèi)的研究重視還不夠。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟 蹤、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等控制功能和驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起。 3． 高速、高精、高性能化