【正文】 1 0 0 )su ( 1 1 0 )su ( 0 1 0 )su永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 15 圖 35 逆變器各量對(duì)應(yīng)關(guān)系圖 把逆變器的 7 個(gè)輸出電壓狀態(tài)放入空間平面內(nèi)，形成 7 個(gè)離散的電壓空間矢量。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 表 31 8 種可 能的開關(guān)組合 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 逆變器 7 種不同的電壓狀態(tài)： 電壓狀態(tài)“ 1”至“ 6” 零電壓關(guān)狀態(tài)“ 0”和“ 7” 逆變器的輸出電壓 ??tUs 用空間電壓矢量來表示，依次表示為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 i?Oq??qii?ds inqi ??s??dis i ndi ?c osqi ?()ssFi1?dUAS BS CSAS BS CS+永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 14 圖 34 PWM 逆變器模型 若規(guī)定三相負(fù)載的某一相與“ +”極接通時(shí)，該相的開關(guān)狀態(tài)為“ 1”態(tài)；反之，與“ ”極接通時(shí)，為“ 0”態(tài)。 之間互為反向，即一個(gè)接通，一個(gè)斷開，所以三組開關(guān)有 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。由于 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 311） 3. 電壓空間矢量 由三組六個(gè)開關(guān)（ 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 39） 坐標(biāo)系變換矩陣 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 之間存在下列關(guān)系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 33 Park（ 2s/2r） 變換 由圖可見， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 軸與 d 軸的夾角 錯(cuò)誤 !未永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 13 找到引用源。 的長(zhǎng)短不變。 都以轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 。 （ 37） 2. Park（ 2s/2r） 變換 兩個(gè)交流電流 i? 、 i? 和兩個(gè)直流電流 id 、 iq ，產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 35） 如果三相繞組是 Y 形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 于是 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 33） 坐標(biāo)系變換矩陣： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 31） 考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應(yīng)為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：三相繞組每相繞組匝數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。當(dāng) 輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。 3. 最大轉(zhuǎn)矩 /電流比控制 也稱為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。可以充分利用逆變器的容量。 控制 控制交、直軸電流分量，保持 PMSM 的功率因數(shù)為 1，在 錯(cuò)誤 !未找到引用源。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器容量不能充分利用。 控制 定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。 ，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后重復(fù)上述過程，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 不為 0，因?yàn)橹陛S電流給定值為 0，產(chǎn)生直軸電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 得到偏差 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ， PI 調(diào)節(jié)器輸出設(shè)定值 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 變化時(shí) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 經(jīng)過 SVPWM 模塊調(diào)制為六路開關(guān)信號(hào)從而控制三相逆變器的開通與關(guān)斷。 和 ； 6) 電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與檢測(cè)到的轉(zhuǎn) 子角位置錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 5) 電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。再經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)化為電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 進(jìn)行比較，取直軸參考電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 參考轉(zhuǎn)速 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ?rel 結(jié)合，經(jīng)過 Park 變換從兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 id 和 iq 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 31 矢量控制原理圖 1) 將電流讀取模塊測(cè)量的相電流 ia 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。通過精密電阻或電流傳感器測(cè)量定子電流； 3) 轉(zhuǎn)子速度 /位置反饋模塊。 矢量控制的組成和 原理 1) SVPWM 模塊。不足之處是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向會(huì)受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調(diào)速性能。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實(shí)施是對(duì) id 、 iq 的控制。 它的基本思想是根據(jù)直流電機(jī)和交流電機(jī)在產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的基本原理上的相似性，經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)變換或坐標(biāo)變換，使二者的電路方程發(fā)生聯(lián)系，然后用模擬直流電機(jī)控制方法對(duì)交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的分別控制，力圖改善異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性，使之具有和直流機(jī)相似的特點(diǎn)。 矢量控制 高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。 或 iq 的乘積項(xiàng)，因此要得到精確的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對(duì) ? 和 id 、 iq 解耦。 在一些動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡(jiǎn)單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，如風(fēng)機(jī)、水泵，但因其依據(jù)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動(dòng)態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 恒壓頻比控制 恒壓頻比控制 是一種開環(huán)控制，最先被應(yīng)用于異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)。因此，長(zhǎng)期以來，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間互差 90176。 ，選取 id 、 iq 及電動(dòng)機(jī)機(jī)械角速度 ? 為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程式為： ??????????????????????????????????????????????????JT LLu qLu di qi dJBLfn pLfn pLR sn pn pLR si qi d/////0//0/?????? （ 27） 由式 (27)可見，三相永磁同步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量系統(tǒng)，而且 id 、 iq 、 ? 之間存在非線性耦合關(guān)系，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)三相永磁同步電機(jī)的高性能控制，是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的課題。 （ 26） 式中： J 為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 (3) 電磁轉(zhuǎn)矩為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 24） 式中： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (2) 定子磁鏈方程為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 np ； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 分別為磁鏈在 d， q 軸上的分量； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (1) 定子電壓方程為： ??? fqi drdPu d ??? （ 21） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 在分析同步 電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，常采用兩相同步旋轉(zhuǎn) (d， q)坐標(biāo)系和兩相靜止(α， β)坐標(biāo)系。從而產(chǎn)生空載電動(dòng)勢(shì)。電樞電流還會(huì)產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)。 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型 當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子通入三相交流電時(shí)，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。 4． 應(yīng)用范圍廣、可靠性高 ， 在醫(yī)療器械、化工、輕紡、儀器儀表等領(lǐng)域均獲得應(yīng)用。 2． 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速、轉(zhuǎn)速平穩(wěn) PMSM 與異步電動(dòng)機(jī)相比，具有較低的慣性，對(duì)于一定的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 矩具有較快的響應(yīng)，即轉(zhuǎn)矩 /慣性比高 [10]。定、轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵心沒有鐵耗， PMSM 的效率較電勵(lì)磁同步電機(jī)和異步電機(jī)要高。 與傳統(tǒng)異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有以下特點(diǎn)。 磁鋼 定子 圖 21 凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 永磁同步電機(jī)的工作原理和特點(diǎn) 永磁同步電機(jī)實(shí)際工作是一種交流電機(jī)，其定子運(yùn)行是三相相差的交流電，而轉(zhuǎn)子則是永磁體。 采用正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)可根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉(zhuǎn)子內(nèi)的內(nèi)磁式永磁同步電動(dòng)機(jī)；一是永磁體安放在轉(zhuǎn)子表面的外磁式永磁同步電動(dòng)機(jī)；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌 入式永磁同步電動(dòng)機(jī)。這種永磁同步電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi) 置式。這樣就造成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)調(diào)速系統(tǒng)或調(diào)速永磁同步電動(dòng)機(jī) ；而由梯形波 (方波 )永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDCM)調(diào)速系統(tǒng) [7]。 永磁同步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu) 永 磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。和異步電動(dòng)機(jī)相比，它由于不需要無功勵(lì)磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測(cè)、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動(dòng)困難等缺點(diǎn)。 第五章是研究總結(jié)以及未來研究方向和展望。 第三章著重介紹了永磁同步電機(jī)控制策略，包括恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制，并比較了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)缺點(diǎn)。 本文分了五章節(jié)去講述了永磁同步電機(jī)： 第一章主要講述了 永磁同步電機(jī)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況、研究現(xiàn)狀、永磁同步電機(jī)的研究意義和本文主要研究?jī)?nèi)容。 又由于矢量控制還是一個(gè)很不成熟的領(lǐng)域，還有很多的問題有待研究。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 3 論文主要研究?jī)?nèi)容 永磁同步電機(jī)隨著其本身的特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外引起了人們的廣泛關(guān)注，所以 其應(yīng)用前景非常可觀，并加上我國(guó)得天獨(dú)厚的最大稀土占有國(guó)的優(yōu)勢(shì)，永磁電機(jī)必會(huì)在我國(guó)形成一個(gè)應(yīng)用高潮。 隨著我 國(guó)航空工業(yè)的快速發(fā)展，普通電機(jī)難以滿足系統(tǒng)的要求。 充分發(fā)揮我國(guó)稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土 永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對(duì) 我國(guó)國(guó)防、工農(nóng)業(yè)、航空事業(yè)的發(fā)展及綜合實(shí)力的提升 具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。裝置結(jié)構(gòu)緊湊采用永磁同步電機(jī)的永磁交流伺服系統(tǒng)可將同步電機(jī)改造為具備與直流伺服電動(dòng)機(jī)相類似的伺服性能，并以其優(yōu)異性能成為精密電氣伺服控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，代表了電伺服技術(shù)的發(fā)展方向，有望得到廣泛的應(yīng)用。 我國(guó)是世界第一稀土大國(guó)，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)在航空航天多種型號(hào)中得到成功的應(yīng)用 , 所以在開發(fā)高磁場(chǎng)永磁材 料方面我國(guó)具有得天獨(dú)厚的有利條件。 隨著價(jià)格低廉的釹鐵 硼 (NdFeB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機(jī)得到了很大的發(fā)展，世界各國(guó) (以德國(guó)和日本為首 )掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)及其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功率應(yīng)用場(chǎng)合，永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 2 統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢(shì)， 加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。阻尼繞組有以下特點(diǎn)：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻尼繞組增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 使電機(jī)力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機(jī)脈動(dòng)力矩增大。 上個(gè)世紀(jì)八十年代國(guó)外開始對(duì)逆變器供電的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行深入的研究。而 早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機(jī)運(yùn)行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。 永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀 永磁電機(jī)是采用永磁體代替通電線圈勵(lì)磁的一種電動(dòng)機(jī)。 PMSM 是一個(gè)非線性、多變量、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外界擾動(dòng)十分敏感，因此常規(guī)線性控制方法很難獲得理想的控制效果 [2]。 關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī) /Matlab/Simulink 仿真 /矢量 控制 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 II Permanent Mag Synchronous Motor Control System Design And Simulation ABSTRACT Permanent mag synchronous motor has a small size, power density, higher efficienc