【正文】 動機矢量控制系統(tǒng)研究12 另有， ，132ffMII??UVWIT?????????UVWT?????????則轉(zhuǎn)矩方程： eI???????（）式中：，1cos()fMI????1sin()fI????通過對于三相坐標(biāo)系向兩相坐標(biāo)系的變換關(guān)系，我們可以得到如下的結(jié)論：（1）電壓回路方程變量個數(shù)減少了，給分析問題帶來了很大的方便。由此，我們可以得到由三相靜止繞組的電壓回路方程變化到兩相靜止繞組的電壓回路方程為： 0sin()0 cos rfsVIRPLMIL? ??? ???? ???? ??????? ?? ???? ??????（）其中： 為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度。如果 ， 分別代表 ，???0?je3xj? ?軸上的集中繞組產(chǎn)生的磁勢的方向，那么三相繞組在氣隙中產(chǎn)生的總磁勢 就可以由兩相繞組 ， 來等效產(chǎn)生。UFVW? UWVF?FwF 平面場（ ）磁勢圖2R基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究11因為在 ， 的選取上具有任意性，為了統(tǒng)一和簡便起見，選取一組相互垂直?F?的坐標(biāo)軸( ))表示 空間。 與 中的??FkS??2 ?? 1S2每一個元都具有一一對應(yīng)的關(guān)系。因為 ， ， 會在軸向上產(chǎn)生分量，可以把氣隙內(nèi)的磁場簡化為UFVWF一個二維的平面（ ） ，所以 ， ， 就成為在同一個平面場內(nèi)的三個向量，它2RUVWF們的值分別為 ， ， 。三相電機的集中繞組 U，V，W 的軸線在與轉(zhuǎn)子垂直的平面分布如圖 所示，軸線之間相互差 120 度。因此，我們可以不看電機繞組的具體形式，完全可以利用磁場等效的觀點來簡化三相電機的模型方程。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的交鏈分別為： ?????????????????)34cos(2)cs(??MIfrwvuMIf為轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值，對于給定永磁同步電動機來說該值一般為常數(shù)。)(?Mxy(2)不考慮磁飽和現(xiàn)象，即各相繞組的自感 、繞組之間的互感 與通)(?Lx)(My入繞組中的電流大小無關(guān)，忽略漏磁通的影響。)(Lx)(?xy 如果下面的條件可以滿足，那么電壓回路方程就可以得到簡化。?tr.? ， ， 為轉(zhuǎn)子磁鏈在 U，V，W 相繞組中產(chǎn)生的交鏈，是 角的函數(shù)。? ——微分算子（ ） ?；?DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究9 ， ， ——各相的線電流。需要說明的在表達(dá)坐標(biāo)系的時候，一般用 U，V，W 來表示，而不用 A，B，C，但這與后面章節(jié)的 A，B，C 來表示三相參數(shù)表示方法具有等效性。圖 (a) 凸極式電機轉(zhuǎn) 圖 (b) 隱極式電機轉(zhuǎn)子 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型下面我們將以三相正弦波電流驅(qū)動的永磁同步機(PMSM)為研究對象，分析永磁同步電機在三相靜止坐標(biāo)系( )、兩相靜止坐標(biāo)系( )和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( )，三UVW???dq?種坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并討論其電磁約束關(guān)系。因此對三相永磁同步伺服電機的控制也和對三相異步電動機的控制相似，采用矢量控制。兩種磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。為了使得永磁同步伺服電動機具有正弦波感應(yīng)電動勢波形，其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀，使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。它們的根本不同在于轉(zhuǎn)子磁極所在位置，凸極式是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，因為永磁材料的磁導(dǎo)率很接近空氣磁導(dǎo)率，所以在交軸( 軸)和直q軸( 軸)上的電感基本相同。這樣的永磁稀土材料具有很高的剩余磁通密度和很大的矯頑力，加上它的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相仿，對于徑向結(jié)構(gòu)的電動機交軸和直軸磁路磁阻都很大，可以很大程度上的減少電樞反應(yīng)。對其三相對稱的繞組通入三相對稱的空間電流就可以得到一個旋轉(zhuǎn)的圓形空間磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速被稱為同步轉(zhuǎn)速 ，其中， 為定子電流頻率， 為電60/nfp?? fp動機的極對數(shù)。 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)永磁同步電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成 。這些電磁約束對了解同步電機的原理、分析其運動規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎(chǔ)。雖然將智能控制用于交流傳動系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗設(shè)計，對系統(tǒng)性能(如穩(wěn)定性和魯棒性)缺少客觀的理論預(yù)見性，且設(shè)計一個系統(tǒng)需獲取大量數(shù)據(jù)，設(shè)計出的系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩：另外，交流傳動智能控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，它的實現(xiàn)依賴于DSP，F(xiàn)PGA等電子控制器件的高速化。利用智能控制的非線性，變結(jié)構(gòu)，自尋優(yōu)等各種功能來克服控制系統(tǒng)中變參數(shù)與非線性等不利因素，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。下一代基于專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的智能基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究6控制器也將會采用高級處理器和ASIC加以實現(xiàn)。新型微處理器的執(zhí)行速度有助于增加采樣速度、帶寬，從而達(dá)到與模擬控制器可比的數(shù)值，抗負(fù)載擾動的能力也得到加強。電機控制系統(tǒng)的數(shù)字化是現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的方向之一。目前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(yīng)用，同時多種民用稀土永磁同步電機正在逐步走向規(guī)?；a(chǎn)，所以對稀土永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的發(fā)展都具有非常重大的戰(zhàn)略價值。由于PMSM具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，重量輕、效率高、過載能力大、轉(zhuǎn)動慣量小以及轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點，并且利用矢量控制思想PMSM容易實現(xiàn)線性的轉(zhuǎn)矩電流特性，所以由PMSM構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的控制性能。(3)設(shè)計并實現(xiàn)基于DSP的控制系統(tǒng)軟件，包括系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子定位程序、AD轉(zhuǎn)換程序、PWM波產(chǎn)生等算法程序。主要包括以下幾個方面：(1)詳細(xì)討論永磁同步電動機的電壓方程、向量圖、轉(zhuǎn)矩等特性，并對永磁同步電動機的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析：提出永磁同步電動機閉環(huán)控制策略，為控制系統(tǒng)的實現(xiàn)給出理論依據(jù)及現(xiàn)實的解決方法。鑒于以上背景，本人提出設(shè)計基于DSP的永磁同步電機控制系統(tǒng)這一課題?；?DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究5(3)由于受到國內(nèi)的設(shè)備、經(jīng)費等條件的限制，對國際上電機調(diào)速領(lǐng)域中的前沿性課題研究較少。目前國內(nèi)對永磁同步電動機控制系統(tǒng)的研究進(jìn)行了很多，但主要還存在以下不足之處 ：[3](1)國內(nèi)對永磁同步電動機的研究工作主要側(cè)重于電動機本體的研究，對其調(diào)速控制系統(tǒng)的研究工作較少。為獲得高性能、高精度的執(zhí)行效果，需要使用變頻電源對永磁同步電動機進(jìn)行驅(qū)動和控制。總的來說，DTC的優(yōu)勢是動態(tài)響應(yīng)速度快，但在低速時其穩(wěn)定性能不如矢量控制。相對于矢量控制，從實用性來說，一直沒有推廣開來。目前，采用此種算法的調(diào)速控制器越來越普遍。矢量控制算法在高性能領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。SVPWM具有電流諧波少、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪音低等優(yōu)點，而且相對于常規(guī)的SPWM直流電壓利用率能提高約15％(三次諧波注入法也可以提高直流電壓利用率約15％)，所以SVPWM前途十分廣闊。隨機PWM通過分散噪聲頻譜，能避免變頻器在某一頻率點的高頻噪聲，但如果隨機PWM處理不好，就會在各個頻率點都產(chǎn)生噪音，這也限制了隨機PWM的應(yīng)用推廣。這些技術(shù)的特點是采用多電平技術(shù)，用低耐壓功率器件來輸出高壓。SPWM在通用變頻器中越來越成熟，且在高壓變頻器領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位?，F(xiàn)代變頻調(diào)速的控制算法有很多，主流的算法主要有以下幾種：(1)正弦脈寬調(diào)制技術(shù)SPWM。而對于永磁電機來說，每次換相時，參與換流的是一相繞組，顯而易見，電機設(shè)計中，增加槽數(shù)相對容基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究4易，增加相數(shù)就很困難。這種方法在原理上類似于直流電機改變電樞電壓的調(diào)速方法，但是又與直流電機稍有差別。2)自控式變頻調(diào)速自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)包含永磁電機、轉(zhuǎn)子位置檢測器、主回路和控制回路。多臺永磁同步電動機并聯(lián)在公共的變頻器上，由統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速給定信號調(diào)節(jié)各電動機的轉(zhuǎn)速。[2]1)外同步控制策略外同步是指永磁同步電動機用獨立的變頻電源供電，同步電動機的轉(zhuǎn)速嚴(yán)格跟隨電源頻率變化，也稱之為它控式變頻調(diào)速。 永磁同步電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢對永磁同步電動機的控制方法的研究始于七十年代，與當(dāng)時在調(diào)速應(yīng)用中占主導(dǎo)地位的直流電動機相比，永磁同步電動機由于具有強耦合、非線性及多變量的特性，為獲得較好的調(diào)速控制性能，需要采用復(fù)雜的控制算法，其調(diào)速控制系統(tǒng)復(fù)雜而昂貴。1996年3月，芬蘭的通力(KONE)公司推出了以碟式永磁同步拽引機為核心的3000MonoSpac型電梯升降系統(tǒng)，為機房電梯開創(chuàng)了電梯無齒輪傳動的新時代。風(fēng)輪機可以和永磁同步發(fā)電機直接耦合，省去了其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速箱，減少發(fā)電機的維護(hù)工作并且基于 DSP 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)研究3降低了系統(tǒng)噪聲。近十年來風(fēng)力發(fā)電得到了迅速發(fā)展，其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機在更多地捕獲風(fēng)能和減少維護(hù)方面效果顯著。德國、法國和瑞士等國對永磁電機及其控制系統(tǒng)在艦艇電力推進(jìn)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，中國船舶重工集團(tuán)公司武漢船舶推進(jìn)裝置研究所也對此進(jìn)行了預(yù)研。德國西門子公司早在1996年便完成了1100KW，230轉(zhuǎn)／分永磁同步推進(jìn)電機的設(shè)計，并于1997年進(jìn)行了實船運行實驗。平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)快、過載能力強：(2)低損耗、高效率、節(jié)約能源：因而，永磁電機應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域。[1] 永磁同步電動機特點及應(yīng)用目前，永磁電機的輸出功率可以做小至幾毫瓦、大至幾千千瓦，不僅覆蓋了微、小及中型電機的功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。由于我國稀土資源蘊藏量占世界 85％以上，因而在開發(fā)高磁場永磁材料一方面具有得天獨厚的有利條件。自上世紀(jì)九十年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁材料性能的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，稀土永磁電機的研究進(jìn)入了一個新階段。到了九十年代初期，釹鐵硼永磁材料已經(jīng)占據(jù)了世界永磁材料市場的5096左右。關(guān)于其中的永磁材料，英國南安普頓大學(xué)T．M．Wong進(jìn)行了十分細(xì)致的物理性能研究。此外，英國曼徹斯特大學(xué)的 教授對永磁同步電機變頻運行時參數(shù)及性能的分析，波蘭學(xué)者P．M．Petczwski 對永磁同步電機最優(yōu)模型位置跟蹤控制系統(tǒng)的研究，意大利學(xué)者Alfio Consoli 對永磁同步電機等效電路的分析均各具新穎性和獨到之處。英國學(xué)者 Merrill 最早提出了稱之為“Permasyn”的永磁交流電機設(shè)計方案。但當(dāng)時所用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，用它制成的電機體積龐大，不久便被電勵磁電機所取代。 永磁同步電動機的發(fā)展概況及應(yīng)用前景 永磁同步電動機發(fā)展概況所謂永磁電機就是指采用永磁體代替通電線圈勵磁的電機。(4)本文在研究MATLAB/SIMULINK的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了控制仿真研究，仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，抗干擾性能強。(3)在分析了TI公司的高速數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407A的特點的基礎(chǔ)上，通過其專用開發(fā)平臺，設(shè)計了基于該DSP的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，完成了控制器、功率變換單元以及位置檢測單元的設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計各種保護(hù)電路。 6 月 11 日——6 月 12 日：畢業(yè)設(shè)計答辯目 錄摘 要 .....................................................................IABSTRACT.................................................................II第１章 概述 ..............................................................1 永磁同步電動機的發(fā)展概況及應(yīng)用前景 ..................................1 永磁同步電動機發(fā)展概況...........................................1 永磁同步電動機特點及應(yīng)用.........................................2 永磁同步電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 ..............................3 課題研究的背景及本文的主要研究內(nèi)容 ...................................4 本課題的研究意義 .....................................................5第 2 章 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 ..................................7 永磁同步電動機的結(jié)構(gòu) ................................................7 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型 ............................................8 永磁同步電機在靜止坐標(biāo)系( UVW)上的模型..........................8 永磁同步電機在兩相靜止坐標(biāo)系( ???)上的模型方程 ................10 永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( dq)上的數(shù)學(xué)模型 .....................12第 3 章 永磁同步電機矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ...........................16 永磁同步電機的控制策略 .............................................16