【正文】 (ψfffg??當(dāng)永磁磁極旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位置角 隨時(shí)間變化時(shí)，由式（212）可知，轉(zhuǎn)子永磁場(chǎng)是一個(gè)幅值恒定不變，幅值位置 隨轉(zhuǎn)子永磁磁極位置變化的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值在空間的轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由此得到定子電壓方程式： （22）pψR(shí)sAAiu?? （23）BB （24）CCi其中： ， ， 三相繞組電壓；uAB 每相繞組電阻；Rs ， ， 三相繞組相電流；iABC , , 三相繞組匝鏈的磁鏈；ψ 微分算子。有所不同的是定子每相繞組內(nèi)部的磁鏈，普通三相交流感應(yīng)電機(jī)由定子三相電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；普通同步電機(jī)由定子三相繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和阻尼繞組電流共同產(chǎn)生；永磁同步電機(jī)由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的磁鏈分別為： （21）????????????)32πcos(θψfCBA 電壓平衡方程三相永磁同步電機(jī)的定子繞組和普通三相交流感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)的定子繞組很相似的，三相繞組空間分布，軸線互差 120176。的通電模式為例來分析 PMSM 的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性。通常按照電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定各物理量的正方向。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型認(rèn)識(shí)、分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)已成為電機(jī)工業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上，不同國(guó)家各有側(cè)重，英國(guó)、法國(guó)偏重于永磁無刷直流電機(jī)，德國(guó)偏重于開關(guān)磁阻電機(jī)。1996 年，豐田汽車公司研制的電動(dòng)車 RAV4 就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機(jī)可以達(dá)到最大功率 50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。永磁同步電動(dòng)機(jī)是各種電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向之一。效率較高的永磁同步電機(jī)是 SPP 系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機(jī)在船舶電力推進(jìn)；領(lǐng)域的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機(jī)，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機(jī)，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。傳統(tǒng)的電梯拽引技術(shù)應(yīng)用了齒輪間接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料消耗較大、運(yùn)行效率低以及維護(hù)復(fù)雜、噪聲大等缺點(diǎn)。正是由于永磁同步電機(jī)這些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)許多領(lǐng)域用的特殊電機(jī)、高性能電機(jī)都采用永磁同步電機(jī)方案目前節(jié)能降耗已成為我國(guó)的基本國(guó)策，推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)可以促進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，變頻電源可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，且調(diào)速控制方便，并在所有頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)械和電氣損耗，而且還不會(huì)產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、運(yùn)行可靠。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。而且永磁同步電機(jī)在 25%120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。雖然永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有如下共同的特點(diǎn)：(1)體積小、質(zhì)量輕。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增大氣隙磁密，電機(jī)轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用 現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī) 功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。 由于永磁同步電機(jī)中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機(jī)效率會(huì)增加。（二）分 類： 永磁同步電機(jī)的分類方法很多。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢(shì)，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合。若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可以獲得低電感，有利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改善。而對(duì)其他結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Lq ，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。圖 21 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 其中圖 21(a)為表面粘貼式，圖 21(b)為表面插入式，圖 21(c)為內(nèi)置式。日前，永磁同步電機(jī)常用的永磁材料是釹鐵硼合金（Nd Fe B）和釤鈷合金（SmCo5，SmCo17） 。如果在三相空間對(duì)稱的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為 ，式中 為電源頻率；Pf60nnss?fs為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相 Y型連接的對(duì)稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為： ，式中 為電源頻率； 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)Pf60nnss?fsPn數(shù)； 為同步轉(zhuǎn)速。 同步電動(dòng)機(jī)的工作原理，就是電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁場(chǎng)拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。一般而言，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。普通同步電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動(dòng)機(jī)定子有定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。 本文主要任務(wù)本文立題為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究?jī)?nèi)容：（1） 建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；（2） 介紹永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程；（3） 介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)；（4） 建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；（5） 對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)主要包括以下七個(gè)子模塊：1）電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等；2）基本元件庫(kù)：包括串聯(lián) RLC 負(fù)載、串聯(lián) RCL 支路、并聯(lián) RCL 負(fù)載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N 相分布參數(shù)線路、單相 π 相集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等；3）電力電子模塊庫(kù)：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO 、理想開關(guān)和一個(gè)多功能橋等。運(yùn)行 SIMULINK 以后，打開SIMPOWER SYSTEM，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)的各個(gè)子模塊。下面就本論文工作中使用的仿真工具 作簡(jiǎn)單介紹。它由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序 Demo 但部分組成。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境SIMULINK。SIMULINK 提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型（ 文件進(jìn)行存取） ，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。在此環(huán)境下，用戶可以點(diǎn)擊拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對(duì)系統(tǒng)和電路的仿真。MATLAB 語言及其 SIMULINK 可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，使用 SIMULINK 可以迅速建立各種線形或非線性系統(tǒng)模型，用戶可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，而且仿真速度比使用 MATLAB語言更快。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。9） 源程序的開發(fā)性。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control、toolbox 、signl processing toolbox、mumnication toolbox 等。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。8） 功能強(qiáng)大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。7） MATLAB 的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。在 FORTRAN 和 C 語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。5） 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。4） 程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫， MATLAB 提供了和 C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用 MATLAB 的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短?？梢哉f，用 MATLAB 進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。MATLAB 程序書寫形式自由，利用起豐富的庫(kù)函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。以下簡(jiǎn)單介紹一下 MATLAB 的主要特點(diǎn)。MATLAB 用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長(zhǎng)代碼。一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點(diǎn)，正如同 FORTRAN 和 C 等高級(jí)語言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。在國(guó)內(nèi)，特別是工程界，MATLAB 一定會(huì)盛行起來。在歐美等高校，MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。時(shí)至今日，經(jīng)過 Math Works 公司的不斷完善，MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。1993 年推出 版。在 MATLAB問世不久的 80 年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB 上重建。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡(jiǎn)陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)的基庫(kù)，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。經(jīng)過多年的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)， MATLAB 已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。一類是數(shù)值計(jì)算軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss 等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica、Maple 等，這類軟件以符號(hào)計(jì)算見長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。1984 年，Cleve Moler 和 John Little 成立了 Math Works 公司正式把MATLAB 推向市場(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行 MATLAB 的研究和開發(fā)。同年，他和 Cleve Moler，Steve Bangert 一起用 C 語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。在以后的數(shù)年里 MATLAB 在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。到 70 年代后期，身為美國(guó) New Mexico 大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任的 Cleve Moler,在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教會(huì)學(xué)生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 FORTRAN 編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開始自己動(dòng)手利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫 EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。EISPACK 是特征值求解的 FORTRAN 程序庫(kù)， LINPACK 是解線性方程的程序庫(kù)。除內(nèi)部函數(shù)外，所有 MATLAB 主要文件包和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。學(xué)科工具包是專業(yè)性比較弱的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)字，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C，F(xiàn)ORTRAN 等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）之意。本文利用MATLAB 軟件下的 SIMULINK 仿真工具對(duì) PMSM 系統(tǒng)進(jìn)行仿真。進(jìn)入 90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的各個(gè)方面都取得了很大的發(fā)展。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不論是在理論還是實(shí)踐上都取得了豐碩的成果，積累了大量的體系仿真模型和行之有效的仿真方法?？刂乒こ淌欠抡婕夹g(shù)較早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，控制工程技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代仿真技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、電流環(huán)以及位置環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以高速、高精度的完成。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也變得簡(jiǎn)單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實(shí)用性。20 世紀(jì) 90 年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，高速度、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。目前該技術(shù)成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響這一問題。而永磁同步電機(jī)采用永磁體做轉(zhuǎn)子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機(jī)在小功率和高精度的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。矢量控制是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先應(yīng)用于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，很快擴(kuò)展到三相永磁同步電機(jī)。因?yàn)檫@種通過磁場(chǎng)定向構(gòu)成的矢量變換交流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制性能完全可以與直流系統(tǒng)相媲美。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種