【正文】 ? 。 如 圖 ，在 ABC 軸系中，定義定子電流空間矢量為 )(32 2 CBAs iiii ?? ??? （ ） 其中 j2321 ??? 。圖 為電機(jī)永磁同步電機(jī)的 ABC軸空間參考坐標(biāo)系。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 12 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，首先應(yīng)該建立電機(jī)的空間參考坐標(biāo)。 （ 3）永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子上有永久磁鐵無需勵(lì)磁，因此電機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。 圖 同步電機(jī)磁動(dòng)勢(shì)圖 綜上可知，永磁同步電機(jī)具有以下的特點(diǎn) : （ 1）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 。這樣才可以有效的避免永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)起來以后的失步問題，保證了永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。二是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)，又稱勵(lì)磁旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì) Fo，它由轉(zhuǎn)子磁鋼的磁通勢(shì)產(chǎn)生。 永磁同步電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)電流波形劃分可以分為兩類一類是正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)另一類是方波或梯形波電流驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，這樣就造成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、?；?Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 11 型以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)，一般把由正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)，而由方波或梯形波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)稱為方波型永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于其原理與控制方式上基本與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，所以又稱無刷直流電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)子的主要作用是在電動(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并同通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩用來驅(qū)動(dòng)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。磁極鐵心由鋼板沖 片疊壓而成，磁極上套有勵(lì)磁繞組，勵(lì)磁繞組兩出線端接到兩個(gè)集電環(huán)上，再通過與集電環(huán)相接觸的靜止電刷向外引出。 圖 永磁同步電機(jī)示意圖 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵勵(lì)磁，目前一般使用稀土永磁材料?？臻g上三相對(duì)稱繞組通入時(shí)間上對(duì)稱的三相電流就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速 N=60f/p，其中， f 為定子電流頻率， p 為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 永磁同步電機(jī)的定子指的是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的不動(dòng)部分，主要是由硅鋼沖片、三相對(duì)稱同分布在它們槽中的繞組、固定鐵心用的機(jī)殼以及端蓋等部分組成。 （ 5）展示了控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，給出了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)主要的波形圖。描述了整個(gè)矢量控制系統(tǒng)流程框圖。 （ 2）介紹了永磁同步電機(jī)的各個(gè)組成部分與工作原理，分析了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，為矢量控制系統(tǒng)的研究做準(zhǔn)備。目前在市場上已有很多變頻器產(chǎn)品以及各 類伺服電機(jī)控制系統(tǒng)，如機(jī)床、門機(jī)等可以進(jìn)行永磁同步電機(jī)的變頻調(diào)速控制，其中也有為數(shù)不少的產(chǎn)品使用矢量控制技術(shù)，但其中具體實(shí)現(xiàn)的方式不會(huì)給出，而在各種技術(shù)資料中對(duì)于永磁同步電機(jī)以及矢量控制的原理敘述的都比較詳細(xì)，但在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電路實(shí)現(xiàn)和軟件編制上則言之甚少，而目前國內(nèi)的各大高校對(duì)電機(jī)的矢量控制也有很高的研究水平，他們可以把一些高新理論與技術(shù)如模糊控制，自適應(yīng)控制，電子齒輪等，加入電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，但是這些論文多數(shù)以系統(tǒng)仿真過程為結(jié)尾，真正進(jìn)行了實(shí)際系統(tǒng)搭建與調(diào)試的并不多，特別對(duì)于是一些只有在電機(jī)實(shí)際 運(yùn)行時(shí)才會(huì)遇到的技術(shù)問基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 9 題，如同步電機(jī)的啟動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)行定位，程序計(jì)算的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性分析，系統(tǒng)采集信號(hào)的濾波等問題上，提及很少，因此研究并設(shè)計(jì)出一套可以實(shí)際良好運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)具有很大實(shí)際意義。本課題亦是采用的 SVPWM 控制。由于磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，因此又叫做“電壓空間”。目前比較常用的是 SPWM 控制和 SVPWM 控制。 （ 4）空間矢量 SVPWM 控制，或稱磁鏈軌跡跟蹤控制。 （ 2）基于消除指定次數(shù)諧波的 HEPWM 控制。 PWM 技術(shù)用于變頻器的控制可以明顯改善變頻器的輸出波形，降低電機(jī)的諧波損耗，并減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，同時(shí)還簡化了逆變器的結(jié)構(gòu)，加快了調(diào)節(jié)速度，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。所謂 PWM 技術(shù)就是利用半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變壓變頻并有效地控制和消除諧波的一門技術(shù)。它的應(yīng)用顯著地簡化了控制單元的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化和微型化。由于工作頻率的大幅度提高，明顯的擴(kuò)大了電機(jī)控制的調(diào)速范圍，提高了調(diào)速精度，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，效率和功 率因素，是交流調(diào)速控制系統(tǒng)非常理想的功率器件。實(shí)際上， IGBT 的通態(tài)特性比高電壓的晶體管還好，接近晶閘管的通態(tài)特性。在 IGBT 中，用一個(gè) MOS 門極來控制寬基區(qū)的 39?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、電機(jī)調(diào)速、不間斷電源、超聲波發(fā)生器以及高頻感應(yīng)加熱電源等諸多 領(lǐng)域。其不足是 MOSFET 功率導(dǎo)通壓降高，而且隨著器件電壓和溫度的升高導(dǎo)通壓降也增加。從發(fā)展來看，電力電子學(xué)一般是跟隨著電力電子器件的發(fā)展前進(jìn)的，而電力電子器件則是跟隨固體電子學(xué)的發(fā)展前進(jìn)的。基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 7 在交流調(diào)速系統(tǒng)中，功率主回路中的電力半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的心臟和靈魂。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)工程的發(fā)展，集散系統(tǒng)可編程控制器以及數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)將逐步融合為一體。在單臺(tái)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)完善成熟的基礎(chǔ)上，數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)加強(qiáng)了與現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的通信聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)不同的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把系統(tǒng)所需的模塊組接起來，構(gòu)成一個(gè)滿足不同復(fù)雜工藝的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)控制可編程控制器。前者適合于產(chǎn)品的系列化，多用于中小容量標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，而后者則適合于大型的傳動(dòng)工程。 數(shù)字控制調(diào)速技術(shù)的發(fā)展依賴于計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)的發(fā)展新型的數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)具有更多的控制功能，加強(qiáng)了機(jī)器與用戶間的交互作用，并擴(kuò)展了與其他自動(dòng)化裝置間的通信聯(lián)系。模糊邏輯己經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳動(dòng)系統(tǒng)的速度工藝控制、這些新型智能控制理論與方法已在同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的模型參數(shù)辨識(shí)和自學(xué)習(xí)、自調(diào)整技術(shù)中得到應(yīng)用。近年來，人工智能技術(shù)，特別是模糊邏輯和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力電子及交流調(diào)速系統(tǒng)中顯示出很好的應(yīng)用前景。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 6 隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，自校正控制、模則參數(shù)自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制等先進(jìn)的控制方已開始運(yùn)用于電機(jī)凋速系統(tǒng)。但是，對(duì)于永磁同步電機(jī)和直線同步電機(jī)這些沒有轉(zhuǎn)子直流激磁的新型電機(jī)，同步電機(jī)電樞反應(yīng)無法用加大轉(zhuǎn)子直流激磁來抵消。此外，對(duì)于不同的電機(jī)，如常規(guī)轉(zhuǎn)子直流激磁同步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、直線同步電機(jī)等，不同的變頻調(diào)速方式，如交交變頻、交直交變頻等，往往選擇不同的磁鏈定向控制方式。例如，同步電機(jī)的氣隙磁鏈可以在氣隙磁鏈定向坐標(biāo)系下控制，也可以在轉(zhuǎn)子幾何軸線坐標(biāo)系下加以控制。磁場定向是以電機(jī)的某一磁鏈軸線為取向，建立電機(jī)模型的坐標(biāo)系，電機(jī)的電壓、電流、磁鏈等電量都在該坐標(biāo)系中分解、合成，并加以控制。 同步電機(jī)是一個(gè)帶磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系狀態(tài)反饋的變系數(shù)模型。同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載角不變，電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步速 運(yùn)轉(zhuǎn)，而同步電機(jī)在負(fù)載變動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程，電機(jī)負(fù)載角變化，同步電機(jī)呈異步狀態(tài)，阻尼繞組產(chǎn)生阻尼電流。因此，阻尼繞組對(duì)于矢量控制同步電機(jī)是必不可少的。但是，這種同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)存在著動(dòng)態(tài)過程磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制不解禍的缺陷。同步電機(jī)矢量控制仍然沿襲了以前標(biāo)量控制采用激磁電流調(diào)節(jié)來補(bǔ)償電樞反應(yīng)，保持功率因數(shù)為 1 的控制思路。仿效直流電機(jī)電流與磁通正交解禍可分別控制的轉(zhuǎn)矩特性，將旋轉(zhuǎn)的電機(jī)磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法把定子電流變換為轉(zhuǎn)矩電流分量和激磁電流分量，相互正交，可以分別控制，這種通過坐標(biāo)變換重構(gòu)電機(jī)模型就可以等效為直流電機(jī)，從而像直流電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準(zhǔn)確控制。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過坐標(biāo)變換 (3/2 變換、同步旋轉(zhuǎn)變換 )，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào) 速性能。 20 世紀(jì) 30 年代以來，交流電機(jī)理論在同步電機(jī)雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機(jī)派克方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電 機(jī)的同一性。 電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制長期以來，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)中所用變頻裝置的輸出頻率直接由外部給定信號(hào)決定，由于存在同步電機(jī)的失步、振蕩等問題，所以在實(shí)際的調(diào)速場合很少使用。而一同步電機(jī)激磁電流是單獨(dú)控制的，電機(jī)磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。 （ 5）控制精度 在異步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)中，磁通控制取決于轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化。同步電機(jī)的體積要比異步電機(jī)小得多。所以，異步電機(jī)常常設(shè)計(jì)成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯直徑，電機(jī)結(jié)構(gòu)短粗。 （ 4）電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于異步電機(jī)的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步電機(jī)的定子必須具有較大的視在功率。顯然，異步電機(jī)功率因數(shù)低是一個(gè)很難克服的缺陷。而異步電機(jī)則完全不同，電機(jī)的激磁功率必須通過定子側(cè)獲得，因此，定子電流始終是滯后的，其功率因數(shù)一般在 左右。因此，同步電機(jī)的維護(hù)量與異步電機(jī)基本相同?，F(xiàn)代同步電機(jī)電刷的壽命在 萬小時(shí)左右。同步電機(jī)與異步電機(jī)相比有如下的幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）可靠性與維護(hù)量 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡單，尤其對(duì)于籠形異步電機(jī)的維護(hù) 只限于軸承。 交流調(diào)速可以采用同步電機(jī)也可以采用異步電機(jī)。 （ 4）直線同步電機(jī) 直線同步電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械 能、不需任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 3 （ 3）磁阻同步電機(jī) 磁阻同步電機(jī)是由反應(yīng)式同步電機(jī)發(fā)展而來的，它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模式，定轉(zhuǎn)子采用雙凸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子為集中繞組，比異步電機(jī)更簡單、堅(jiān)固。激磁電流的調(diào)節(jié)可以通過控制交流激磁發(fā)電機(jī)的定子磁場來實(shí)現(xiàn)。 同步電機(jī)的分類與特點(diǎn) 同步電機(jī)主要有以下幾種類型： （ 1）轉(zhuǎn)子直流激磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子直流激磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)同步電機(jī)相同，是交流同步電機(jī)最常見的類型。高速磁懸浮列車已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段，由大功率交直交變頻器供電的直線 同步電機(jī)牽引著的磁懸浮列車達(dá)到 500km/h 的速度。 20 世紀(jì) 70 年代，隨著交流電機(jī)矢量控制理論的產(chǎn)生及其技術(shù)的推廣應(yīng)用，世界各大電氣公司都投人大量人力、物力對(duì)交流同步電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)進(jìn)行研究，期望這一技術(shù)應(yīng)用于高性能要求的軋機(jī)主傳動(dòng)及礦井提升機(jī)傳動(dòng)。自從晶閘管等電力電子器件發(fā)明后，同步電 機(jī)變頻調(diào)速控制才有了長足的進(jìn)步。 從 20 世紀(jì) 30 年代的后期，人們就開始研究同步電機(jī)的調(diào)速問題。傳統(tǒng)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不可調(diào)的，只用于拖動(dòng)恒速負(fù)載及改善功率因數(shù)的場合。 同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子電流頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定的，同步電機(jī)在電網(wǎng)固定頻率供電條件下做恒速運(yùn)行，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子將以定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，故稱為同步電機(jī)。 1890 年美國西屋電氣公司利用尼古拉 由于大量使用三相異步電動(dòng)機(jī)，交流電網(wǎng)的功率因數(shù)普遍偏低。在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)，直流調(diào)速一直以性能優(yōu)良領(lǐng)先于交流調(diào)速，直到 60 年代以后特別是 70 年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競爭。由于換向器的存在，使直流電 動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境受到限制，因此人們開始研究結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用。由于直流電動(dòng)機(jī)具有運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此從它誕生之日起就一直受到人們的關(guān)注，并且在工業(yè)和生活中得到了極為廣泛的應(yīng)用。 SVPWM。 關(guān)鍵詞： 永 磁同步電機(jī)，矢量控制系統(tǒng) SVPWM， Matlab/Simulink II Abstract In the modem industrial production, the electric motor and its control system occupy a prominent position. To develop a motor’s control system that has a higher running precision, larger speedregulating range, and shorter adjusting time is a popular research direction in the modem industrial control system, and the Permanent Mag Synchronous Motor(PMSM) is gradually being the essential motor for the motor servo system because of excellent characteristics itself, so the research and design on the control system of PMSM which can adapt requirements for modern industrial control has more and