【正文】 衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的 答辯委員會 各位專家、教授！ 2020 年 5 月 25 日 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 36 參考文獻 [1]. Du Qu Wei,Xiao Shu Luo,Bing Hong Wang,Jin Qing Fang,Robust adaptive dynamic surface control of chaos in permanent mag synchro。 最后，我愿把最真摯的謝 意送給我的家人，感謝他們自始至終生活上給我的關(guān)心和精神上的理解支持，是他們的無私奉獻讓我順利地完成我的學業(yè)。他的悉心指導和鼓勵使我克服了在研究中遇到的諸多困難，在本文即將付梓之際，我內(nèi)心充滿感激之情，在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 35 致 謝 本文的完成首先歸功于我的導師 —— X 教授。對于控制方法，本論文主要矢量控制入手，提出了相應的永磁同步電機的控制穩(wěn)定性理論，提出更好的控制方法將是以后研究的重點。 未來研究方向和展望 21 世紀，科學技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識日益增強，使得永磁同步電機發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統(tǒng)，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，結(jié)構(gòu)型式將日趨多樣化，也將會贏更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應用。 通過本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設(shè)計理論，并針對矢量控制進行了仿真，仿真結(jié)果進一步證實了本論文研究的有效性。 (2)根據(jù)永磁同步電機的控制原理，文章講述了永磁同步電機的數(shù)學模型和交流永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和分類 。通過仿真 結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。 通過分析永磁電機的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對 PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進行仿真。首先，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流控制系統(tǒng)，由于永磁同步電機的許多優(yōu)點和矢量控制思想，所以由永磁同步電機構(gòu)成 的交流控制系統(tǒng)能夠達到很好的控制性能；其次，我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用。 結(jié)束語 本文通過對電壓空間矢 量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步電機的數(shù)學模型，運用 Matlab/Simulink 軟件，構(gòu)建了永磁同步電機控制系統(tǒng)的模型，通過仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。轉(zhuǎn)速以直線上升，迅速達到給定值 400rad/s。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時，電機負載啟動，在 t= 時負載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時間為 [20]。 圖 410 計算 Ta、 Tb、 Tc 錯誤 !未找到引用源。對于 Tcm Tcm Tcm3 的計算， 可用 multiportswitch 來實現(xiàn) [19]。 表 41 TX 和 TY賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI TX Z Y Z X X Y TY Y X X Z Y Z 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 29 計算矢量切換點 Tcm1， Tcm2， Tcm3 定義： 則在不同的扇區(qū)內(nèi) Tcm Tcm Tcm3 根據(jù)表 42 進行賦值。若 TX+TY＞ TS錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 對于不同的扇區(qū) TX、 TY錯誤 !未找到引用源。 Y=錯誤 !未找到引用源。取 N=A+2B+4C。 ，則 B=1，否則B=0；當 錯誤 !未找到引用源。 的關(guān)系，當 ?? ＞ 0 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 28 扇區(qū)選擇 圖 47 判斷矢量所處扇區(qū) 根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。坐標變換矩陣的 Matlab 實現(xiàn)如圖 45 和圖 46 所示： 圖 45 d、 q— a、 b、 c 變換 圖 46 a、 b、 c－ 錯誤 !未找到引用源。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大 大減小。 坐標變換模塊 三相永磁同步電機矢量控制的基本思想是把交流電機當成直流電機來控制，即模擬直流電機的控制特點進行永磁同步電機的控制。 分別為零矢量 U U2的作用時間，零矢量可以是 錯誤 !未找到引用源。 （ 48） Udc 錯誤 !未找到引用源。 （ 46） 錯誤 !未找到引用源。 和 U2錯誤 !未找到引用源。 現(xiàn)在以 U U2作用區(qū)間為例，根據(jù)電壓和時間乘積平衡原理，可以得到任意一個參考電壓矢量 Ur。改變非零矢量的作用時間與總的作用時間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值。 將其中 6 個非零的開關(guān)狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個空間電壓矢量，如圖43 所示。為使電機對稱工作，必須三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的三個器件同時導通，而相應橋臂的另三個功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。 （ 45） 式 （ 45） 表明：電壓矢量的大小等于磁鏈的變化率，而電壓矢量的方向就是磁鏈運動的方向。 磁鏈和電流空間矢量、電壓平衡方程的矢量表示 錯誤 !未找到引用源。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯誤 !未找到引用源。[16]。在圖 41 中， A、 B、 C 分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差 120176。直接針對這個目標，把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制 PWM 電壓，這樣的控制方法稱為“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM 控制”。 本章介紹了電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理并給出了坐標變換模塊、 SVPWM 模塊以及整個 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型，給出了仿真模型結(jié)構(gòu)圖和仿真結(jié)果。本章在 Matlab/Simulink 環(huán)境下，通過對 PMSM 本體、 d/q 坐標系向 a/b/c 坐永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 23 標系轉(zhuǎn)換等模塊的建立與組合，構(gòu)建了永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真模型。在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，矢量控制原理以及空間電壓矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM）技術(shù)使得交流電機能夠獲得和直流電機相媲美的性能 [15]。 4 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機矢量控制 系統(tǒng) 仿真 永磁同步電機（ PMSM）是采用高能永磁體為轉(zhuǎn)子，具有低慣性、快響應、高功率密度、低損耗、高效率等優(yōu)點，成為了高精度、微進給伺服系統(tǒng)的最佳執(zhí)行機構(gòu)之一。 表 32 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點與性能比較 性能與特點 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 矢量控制系統(tǒng) 磁鏈控制 定子磁鏈 轉(zhuǎn)子磁鏈 轉(zhuǎn)矩控制 砰 砰控制，有轉(zhuǎn)矩脈動 連續(xù)控制，比較平滑 坐標變換 靜止坐標變換，較簡單 旋轉(zhuǎn)坐標變換，較復雜 轉(zhuǎn)子參數(shù)變化 無 有 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 22 影響 調(diào)速范圍 不夠?qū)? 比較寬 小結(jié) 這章 詳細講述了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本控制原理并對它們進行了簡單的比較。 DTC 系統(tǒng)則實行 Te 與 Ψs 砰 砰控制，避開了 旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 21 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較 DTC 系統(tǒng)和 VC 系統(tǒng)都是已獲實際應用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。這相當于對三相電流 ia、 ib、 ic施加 Park 變換。 2. 矢量、磁鏈矢量 定子的二個相電流產(chǎn)生相應的二相磁動勢矢量，定子磁動勢是真實的矢量，在電動機的實際空間中，它們的極性能容易地被確定。為了解決這些問題，許多學者做過不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。 2) 由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準確度。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時要設(shè)計好 Ψ*s = f (?*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時的磁鏈給定值。 5. 電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)的選擇 根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰 砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時間。 3) 由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負載 變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應的快速性也是有限的。 2) 選擇定子磁鏈作為被控量，而不像 VC 系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來，計算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器： 用滯環(huán)控制器取代通常的 PI 調(diào)節(jié)器。 4) 在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當于一種擾動作用，因而受到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的抑制，從而改造了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。 2) 磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。 ；以及估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字給 Sa、 Sb、 Sc 變器。開關(guān)表根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。 ；磁鏈調(diào)節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號 錯誤 !未找到引用源。 分別為定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號，作為反饋信號使用。在圖 37 中，定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩分別采用閉環(huán)控制， 錯誤 !未找到引用源。 隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制、非線性控制、變結(jié)構(gòu)控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得到進一步改善和提高。 DTC 方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。它 采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行調(diào)節(jié)， 省掉了復雜的矢量變換，其控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確 等優(yōu)點 [14]。但因其需要復雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響 應矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。 （ 320） 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標系下計算并控制交流電機的轉(zhuǎn)矩，借助于雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高性能控制。 ：轉(zhuǎn)子永磁磁鏈 其中： 錯誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組互感 錯誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組 錯誤 !未找到引用源。 （ 317） 錯誤 !未找到引用源。 /3； 3) 因 此六個電壓空間矢量的頂點構(gòu)成了正六邊形的六個頂點； 4) 六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)； 5) 零電壓狀態(tài) 7 位于六邊形中心。 (316) 電壓空間矢量的結(jié)論： 1) 逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。 （ 314） ( 1 0 0 )su( 1 1 0 )su( 0 1 0 )su( 0 1 1 )su( 0 0 1 )su ( 1 0 1 )su( 0 0 0 )su( 1 1 1 )su??abca?b?c?12 34567永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 16 對于狀態(tài)“ 1” Sabc=001 時；可知 錯誤 !未找到引用源。 若 錯誤 !未找到 引用源。 —— 復系數(shù) 旋轉(zhuǎn)空間矢量 錯誤 !未找到引用源。 為 錯誤 !未找到引用源。角度， 6 個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形。 aubucu0t?t?0023dU13dU( 0 1 1 )sut?( 0 0 1 )su ( 1 0 1 )su (