【正文】 圖 410 為系統(tǒng)在開環(huán)情況時，負(fù)載突變對轉(zhuǎn)速的影響，可以看到這時的轉(zhuǎn)速無法滿足系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)輸出能夠較快地跟隨輸入，具有較好的穩(wěn)定性，同時也表明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性。Te 仿真結(jié)果該系統(tǒng)的電流限幅值設(shè)為 30A，系統(tǒng)空載啟動，在 時突然加負(fù)載轉(zhuǎn)矩 。PMSM 輸出為矢量。根據(jù)電流偏差的符號相應(yīng)地直接輸出+155V，然后采用可控電壓源模塊將此僅有數(shù)學(xué)意義的 SIMULINK 信號轉(zhuǎn)化為具有電氣意義的電壓信號，送入PMSM 的定子遭阻輸入 ABC 連接三相電壓，輸入端接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號。當(dāng)環(huán)寬 2h 選的較大時，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了，這是一對矛盾的因素。因此，若能對電流實行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制獲得更好的性能。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出量 dp/abc 坐標(biāo)變換，得到 abc 三相定子電流的給定，作為電流調(diào)節(jié)器（PWM 逆變器）的輸入。采用電力系統(tǒng)模型庫，可建立 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型。經(jīng) dq/abc 坐標(biāo)變換得到三相電流給定值，相電流給定信號與相電流反饋信號相比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和PWM 產(chǎn)生電路控制逆變器的 PWM 型號，從而控制電機(jī)的三相電流。現(xiàn)在的問題就是選擇合適的值才能夠得到滿意的瞬態(tài)響應(yīng)。但因為系統(tǒng)是三階的，它可能臂二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)形更差，甚至如果和 的值選擇不當(dāng)系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。因此，原始系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以得以改善，即如果響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)，PI 控制將會減小到 0。校正系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為： （4)2()K()(G(s)2??niPnPC SSωS???19）顯然 PI 控制器的作用為：1 在前向通道傳遞函數(shù) 處增加了一個零點。圖 45 PI 調(diào)節(jié)器控制原理流程圖線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)決定于系統(tǒng)本身的特性，而與輸入信號的大小無關(guān)，同一個線性系統(tǒng)對不同幅值階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)間的區(qū)別，僅在于幅值成比例地變化，響應(yīng)時間完全相同，單位階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線，其中各參數(shù)含義如下：(1)延遲時間 ，相應(yīng)曲線第一次達(dá)到穩(wěn)定值的一半所需的時間；td(2)上升時間 ，相應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的 10%上升到 90%~100%所需的時間；r(3)峰值時間 ，相應(yīng)曲線到達(dá)第一個峰值所需的時間；tp(4)最大超調(diào)量 ，從 1 開始計算相應(yīng)曲線的最大超調(diào)值；M(5)調(diào)整時間 ，在相應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)作為一個允許ts范圍，相應(yīng)曲線第一次到達(dá)并保持在這一允許誤差范圍所需的時間；(6)靜差 ，指動態(tài)過程終了時，被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，可ΔXs正可負(fù)，靜差用 表示，數(shù)值大小由生產(chǎn)過程所要求的精度來確定，如果=0，為無差調(diào)節(jié)，如果 0，為有差調(diào)節(jié)，靜差屬于調(diào)整精度的一個s s重要指標(biāo)。對于偏差Kpi信號，如果只調(diào)節(jié) ，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，沒有滯后現(xiàn)象，但有靜差；Kp如果只調(diào)節(jié) ，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，有滯后現(xiàn)象，但沒有靜差；因此，i對于比例增益 和積分增益 ，一般都采用組合使用。 PI 調(diào)節(jié)器正確選取 PI 調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。從物理模型來講，驅(qū)動器只能調(diào)控三相電壓（或說電流） ，通過檢測也只能檢測出每個相的電流。大家知道：轉(zhuǎn)子連同負(fù)載是一個慣性環(huán)節(jié)，如果能夠控制施加給轉(zhuǎn)子的扭矩，則可以隨意控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個好理解，直接寫出就可以。變換為： （46）???????????????????? iiCiiKii BABA2301N230??利用 ，即 得 （47）CT1??EE???????????????3K02N3得 ,可以去掉沒有用處的第三行21,3N2?KClarke…..變換： …………… （48）??????????????iii CBA230132??這就是 clarke 正變換，它唯一確定了從三相到兩相之間為使磁場相同，電流值的變換。因為轉(zhuǎn)換矩陣不是方陣，不能求逆。希望中間變換矩陣具有這一性質(zhì)。這樣做是通過確定匝數(shù)比，使得在兩種坐標(biāo)系下電流矢量相等則磁動勢矢量也相等，這樣就避開了匝數(shù)的干擾。后來發(fā)現(xiàn)其實 就不存在，因此，N必須把這兩個匝數(shù)放在矩陣內(nèi)部。23 （43）????????iiiCBA21N2? （4?ii CB3023?4）矩陣形式是： （4??????????????iii CBA2301N23??5）因為要確定 和 ,必須想個辦法。120cos(N176。??變換的原則：兩者的磁場（磁動勢）完全等效，磁動勢等于電流與匝數(shù)的乘積。為什么非要交換呢，因為要對電機(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應(yīng)關(guān)系是沒法直接寫出來的，只有通過變換，才可以清楚地找出這個對應(yīng)關(guān)系。變換的目的是從中找出另外一個與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系的“狀態(tài)量”——轉(zhuǎn)矩電流，來控制轉(zhuǎn)矩。Tm第四章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 DQ 坐標(biāo)系與 ABC 三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在交流電機(jī)中三相對稱繞組通過三相對稱電流可以在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場，在功率不變的條件下，按磁動勢相等原則，三相對稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場可以用兩相對稱繞組來等效，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勢不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動勢之間的關(guān)系。電機(jī)方程如下：電路方程為： )*()*()( PLiRidriqdqdt ??? Lrpu qridqt ?????)(1??iipTe5.? 式中， 為 軸電成； 為定子繞組電阻； 為 軸Ldq、 、 Riqd、 、電流分量； 為 軸電壓分量； 為轉(zhuǎn)子角速度； 為極對數(shù)；u、 、 r?p為電磁轉(zhuǎn)矩。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先分布的，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也是正弦的。永磁同步電機(jī)模型如圖，有四個輸入端，一個輸出端，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。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁永久磁鐵提供。交流電機(jī)是一個非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。由于收到功率開關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動控制技術(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)。這一原理的基本出發(fā)點是考慮到交流電機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上，1971 年德國西門子公司的 等發(fā)表的論文《感應(yīng)電機(jī)磁場定向的控制原理》和美國 與 申請的專利《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》 ，經(jīng)過各國學(xué)者和工程師的研究、實踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普通應(yīng)用的交流電機(jī)磁場定向控制系統(tǒng)，也成矢量控制系統(tǒng)。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場是復(fù)雜耦合的，不能簡單地實現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長期以來成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。圖 31 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型圖 32 PI 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖 33 PWM 逆變器圖 34 dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊 PMSM 控制系統(tǒng)的運行原理電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。當(dāng)實際電流增大到與給定電流相等時，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，V1 保持導(dǎo)通，使實際電流繼續(xù)增大直達(dá)到 ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，滯環(huán)控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷aref??iV1，并經(jīng)延時后驅(qū)動 V4。電流環(huán)滯控制電流波形示意圖如圖 41 所示。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 h?時，經(jīng)滯環(huán)控制器控制逆變器 A 相上（或下）橋臂的功率器件動作。因而電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實現(xiàn)，研究同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。尤其的電流環(huán)，他是高性能 PMSM 系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實現(xiàn)，也直接影響整個系統(tǒng)的動態(tài)性能。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，保持恒定的開關(guān)頻率，適合數(shù)字控制。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。電流環(huán)是 PMSM 系統(tǒng)中的一個重要環(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。其原理是隨機(jī)改變開關(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，但以固定開關(guān)頻率為特性的有色噪音強(qiáng)度大大消弱。在 70 年代開始至 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 5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動引起人們的關(guān)注。PWM 控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦 PWM（包括電壓、電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種 PWM 方案，多重 PWM也應(yīng)歸于此類） ，優(yōu)化 PWM 及隨機(jī) PWM。由于 PWM 可以同時實現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點。1964 年 和 首先提出把這項通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此為交流傳動的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC 或 LC 網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。對噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)?PWM 用于通信的主要原因。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM 進(jìn)行編碼。電壓或電流是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。第三章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理 PWM（PULSEWIDTH MODULATION）技術(shù)脈寬調(diào)制（PMSM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，從測量、通信到功率控制與變換等許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。? 永磁同步電機(jī) dq 坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其 d 軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線，q 軸逆時針超前圖 24 兩相靜止坐標(biāo)系d 軸 90176。空間電角度，如圖 24，圖中 為αV??、矢量在 坐標(biāo)系的投影?？臻g矢量 在三個坐標(biāo)軸上的投影分別為 ，代表該矢量在三個繞Vj VCBA、組上的分量。 磁同步電機(jī) ABC 坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型三相永磁同步電機(jī)的定子中有三相繞組，其繞組軸線分別為 A、B 、C,且彼此相差 120176。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到 A 相繞組由轉(zhuǎn)子永磁磁場引起的感應(yīng)電勢為： （215）θsinωψpff??AAe圖 22 圓形磁場與脈振磁場其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度 等于轉(zhuǎn)子位置角的微分：ω （216）pθ?同理有， （217）3)2πcos(ψf?B （218）ff?C由此，根據(jù)式（218）可以求出 B 相和 C 相繞組中由轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為： （219）)3/2θsin(ωψf???eB （220）f?C三相繞組感應(yīng)電勢也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即： （221）)γθsin(ψfXXe??由式（221）可知，永磁磁場在定子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值為，它不僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，還與轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子電樞繞組匝鏈的ωf磁鏈成正比。由于圓形旋轉(zhuǎn)磁場對于空間任意一點確定的 位置仍然表現(xiàn)為脈動的磁場，而且任意時α刻圓形旋轉(zhuǎn)磁場的空間分布仍然具有正弦規(guī)律，因此由式（213）可以看出，對于每一相定子電樞來說，繞組軸線的空間位置角 是確定的，轉(zhuǎn)子圓形旋轉(zhuǎn)θ磁場相當(dāng)于是兩個正交的脈振磁場的疊加，如圖所示：該圓形旋轉(zhuǎn)磁場從定子上觀測，相當(dāng)于一個同 A 相繞組垂直按照正弦波規(guī)律變化的脈振磁場 的疊ψf?A加，即有： （213）cosθψf?A （214）inff?與 A 相繞組軸線正交的脈振磁場 在 A 相繞組中匝鏈等于 0，因此f?在 A 相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢也是等于 0。ψ,ffCBA 并且 定子電樞繞組最大時可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈：f （28）cosθf?A （29）)32π(ψf?B （210）csf?C（二）感應(yīng)電動勢方程轉(zhuǎn)子永磁在氣隙中產(chǎn)生的正弦分布磁場，正弦分布磁場的幅值 是恒定ψfg的，空間位置就是轉(zhuǎn)子永磁磁極的直軸位置，它相對于定子 A 相繞組軸線等于轉(zhuǎn)子位置角 ，在空間的分布可以表示為：θ （211）θ)cos(αψ),(ffg????或者 （212）θcosαinψcosθ α)θ,