【正文】 ┊ ┊ ┊ 兩相靜止繞組α、β，它們空間角度相差 90176。永磁無刷直流電機的物理模型可以等效變換成類似直流電機模型，分析和控制就可以大大簡化，而這些都是基于坐標變換實現(xiàn)的。如果忽略了磁飽和效應(yīng)以及電樞反應(yīng)，電樞繞組產(chǎn)生的磁場與勵磁繞組產(chǎn)生的磁場是相互正交的，于是可以簡單地說磁通 ? 和電樞電流i是正交的。直流電動機的轉(zhuǎn)矩表達式是 iCT Te ?? ? ，式中 eT 為電磁轉(zhuǎn)矩， TC 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，i 為電樞電流， ? 為磁通。總之，矢量坐標變化實現(xiàn)了交流矢量和直流矢量之間的等效變換。在三相靜止坐標系上，永磁無刷直流電機的數(shù)學模型是一個多變量、非線性、強耦合的復(fù)雜模型。轉(zhuǎn)子磁場在 q 軸分量為零，在磁場恒定且 d軸電流分量為 0的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與 q 軸電流分量成正比，此時感 應(yīng)電機的機械特性與他勵直流電機的機械特性完全一樣，實現(xiàn)了磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。因此，磁動勢不變是不同坐標系間進行變換的一項基本原則。 坐標變換的原則 由機電能量轉(zhuǎn)換的基本原理可知，電動機內(nèi)氣隙磁場是進行能量轉(zhuǎn)換的媒介，由定子側(cè)輸入的能量正是通過氣隙磁場傳遞到轉(zhuǎn)子的。將式子（ ）和（ ） 代入（ ）式子中得到： dtdnGDTT Le ??? 3 7 52 （ ） 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 矢量控制坐標變換 坐標變換 從一種坐標系轉(zhuǎn)換到另一種坐標系的變換稱為坐標變換。 m）。而被導通的兩相繞組上電流方向和反電動勢（依次記作 i， E）大小數(shù)量上相等，方向相反，所以電機的電子轉(zhuǎn)矩也可以表示成式子（ ） ?? EiTe 2 （ ） （ 3） 運動方程 無刷直流電機的運動方程為： dtdJTTLe??? （ ） 式中 J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（ kg由電機學的知識可知： ????? eCCBBAAe TieieieP （ ） 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ? CCBBAACCBBAAeieieiepieieieT ??????? （ ） 其中 Pe —— 電磁功率； Te —— 電磁轉(zhuǎn)矩； ? —— 電氣角速度； ? —— 機械角速度； P—— 電機極對數(shù)。 ；互感均相等為 M。以 A 相繞組磁鏈為例，其表達式為： )(?pmACBABAAA MiMiL ?????? （ ） 將式（ ）帶入式（ ）得 ))(( ?pmCABAAAA iMiLdtdRiu ????? ACACBABAAA eiMiMiLdtdRi ????? )( 則電機的電壓方程為： ???????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaccbcabcbbaacabacbacbacbaeeeiiipLMMMLMMMLiiiRRRuuu000000 （ ） 式中 M 表示兩相繞組之間的互感（ x、 y 代表 A、 B、 C）， p 為微分算子 dtdp? 。 （ 1） 電壓方 程 根據(jù)電機學原理，繞組可等效為純電阻和純電感的串聯(lián)，故電機繞組上的電 壓是電阻壓降和電感感應(yīng)電動勢之和，任意繞組的電壓方程為： xxxx eiRu ?? （ ） 其中， xu —— 相繞組電壓； xR —— 每相繞組的電阻； xi —— 流過繞組的電流； xe —— 每相繞組的感應(yīng)電動勢，其中 dtdex ??； x? —— 每相繞組的磁鏈。 （ 5）三相繞組的參數(shù)都對稱。 （ 3）忽略齒槽效應(yīng)和電樞反應(yīng)。電角度梯形波分布的。 無刷直流電機的基本方程 理想的無刷直流電機反電動勢是梯形波，本文在靜止的 ABC 三相坐標系上以兩相導通星形三相六狀態(tài)為例，在分析無刷直流電機工作原理的基礎(chǔ)上建立了它的動態(tài)數(shù)學模型。為使轉(zhuǎn)子磁場始終受定子合成磁場的牽引并按順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子每當轉(zhuǎn)過 60176。定子磁勢 Fa 與轉(zhuǎn)子磁勢 Ff 的相互作用繼續(xù)拖動轉(zhuǎn)子以順時針方向進行旋轉(zhuǎn)。電角度時，到達的位置如圖 23（ b）所示。該過程中電流的流經(jīng)的 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 途徑為： E+→ V1 管→ A 相繞組→ B 相繞組→ V6 管→ E。 如圖 23（ a）所示，通過轉(zhuǎn)子位置傳感器感應(yīng)出轉(zhuǎn)子的位置信號，經(jīng)控制邏輯變換后驅(qū)動逆變器的開關(guān)器件 V1 和 V6 導通，此時繞組 AB 通電，而且為 A 進 B 出， 經(jīng)右手螺旋定則可判定電樞繞組在空間的合成磁勢 Fa 如圖中所示。通過檢測轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)控制電路對轉(zhuǎn)子信號進行邏輯變 換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制 PWM 信號，驅(qū)動電路對 PWM 信號的放大后控制開關(guān)器件的開通 與關(guān)斷讓各相繞組按照一定順序通電，從而保證電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 無刷直流電機工作原理 無刷直流電機的工作原理以圖 22 和圖 23 所示為例說明。 (3)電磁式位置傳感器 電磁式位置傳感器由定子和跟蹤轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子一般用硅鋼片或者用高頻鐵氧體材料壓鑄而成，一般有磁芯、高頻激磁輸入繞組和輸出繞組三部分組成；跟蹤轉(zhuǎn)子的外觀為一圓柱體，其由非導磁材料制作而成，一般有扇狀形式的磁芯和不具有導磁性質(zhì)的襯套兩部分組成。每只光電耦合開關(guān)都是有紅外發(fā)光二極管以及 光敏三極管組成，并且它們相互對稱：在兩者之問安裝了 帶有窗口的遮光盤，這 種盤上的窗口都有一定的角度。 霍爾位置傳感器體積較小、制造結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高、價格相對比較低， 但是其抗干擾能力較差，受工作環(huán)境的溫度影響比較大，因此，該傳感器一般應(yīng) 用于對性能要求不高和環(huán)境適宜的場合。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要是通過檢測實際的轉(zhuǎn)子磁極位置為控制器提供正確的換向 信息。速度和電流信號采集、處理模塊所輸出的信號決定各相繞組導通的順序和通斷時間。 控制器 控制器的功能是完成電子換向功能，由功率邏輯開關(guān)電源和位置傳感器信號處理單元組成，將檢測到的位置信號進行處理，按照一定的邏輯順序去觸發(fā)功率開關(guān)器件，使電動機本體產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。單一繞組的轉(zhuǎn)矩波動比較大，但是用戶一般對無刷電機的轉(zhuǎn)矩要求較高，通常為了獲得較為平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩而采用多相繞組結(jié)構(gòu)。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 無刷直流電機的工作原理以及數(shù)學模型 無刷直流電機結(jié)構(gòu) 無刷直流電機由電動機主體，控制器和轉(zhuǎn)子傳感器組成， 是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。 第四章、第五章為無刷直流電機矢量控制系統(tǒng)及仿真實驗，根據(jù)前幾章對理論的研究，結(jié)合推導的數(shù)學方程，建立 MATLAB/SIMULINK 仿真模型，得出仿真結(jié)果，根據(jù)結(jié)果驗證控制理論并對結(jié)果進行說明分析。 第二章為無刷直流電機的工作原理與數(shù)學模型，介紹了無刷直流電機的工作原理，并且推導了無刷直流電機的 電壓、轉(zhuǎn)矩和運動方程。主要內(nèi)容及章節(jié)安排如下： 第一章為緒論。根據(jù)不同的控制對象，采用不同的電流控制模式，但在本質(zhì)上存在著共同點：通過電流環(huán)來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的間接控制。它以定子電流和頻率為控制量，保持電動機的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，從而實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)矩的實時控制。日本學者 Yamamura， Nabae 等人借鑒了矢量控制的思想和方法，應(yīng)用穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)差頻率得出轉(zhuǎn)子磁場位置的方法，提出了轉(zhuǎn)差量控制方法。日本在研究無速度傳感器方面較為先進，主要體現(xiàn)在結(jié)合了通用變頻器的應(yīng)用方面；美國則是對電動機參數(shù)的識別進行了深入地研究，并且將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等一些智能控制技術(shù)應(yīng)用其中；而德國則致力于大功率系統(tǒng)中矢量控制方法的應(yīng)用，西門子 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 公司已經(jīng)開始在交流傳動電力機車等兆瓦級功率場合應(yīng)用矢量控制技術(shù)。但由于這些分量值是在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的，而不是實際存在的物理量因此，還須要經(jīng)過坐標逆變換，將其從同步旋轉(zhuǎn)坐標系變換到三相靜止坐標系中，變換成系統(tǒng)可以實 際操作的數(shù)據(jù)（電壓矢量或電流矢量），在三相靜止坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。從同步旋轉(zhuǎn)坐標系看，電機各空間矢量就變成了直流矢量，繼而根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式在同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的形式，找到被控矢量（電壓或者電流）各個分量和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，就可以實時地計算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值。 矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，其最終實施則落到對定子三相電流的控制上。若電樞電流矢量的幅值也能控制，就可以獲得與直流電動機同樣的調(diào)速性能。矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時可以實現(xiàn)全負載。矢量控制系統(tǒng)是通過坐標變換，把交流電機在按照磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標系上等效成直流電機，從而模仿直流電機進行控制，使交流電機的調(diào)速性能達到或 超過直流電機的性能。 20 世紀 30 年代以來，交流電機理 論在同步電機雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機的 Park 方程，而后又由布朗進一步建立了電機的同一理論，從理論上證明了交流電機與直流電機的同一性。 矢量控制策略概述 矢量控制理論以及基于磁場定向控制技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)界得到廣泛 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第