【正文】 XYM 為 定子 X 繞組和 Y 繞組的互感系數(shù)； f? 為 永磁磁極與定子繞組交鏈的最大 磁鏈。為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ， 做如下假設(shè) [8]： (1)忽略磁飽和 ， 不計(jì)鐵心的渦流損耗和磁滯損耗 ， 認(rèn)為磁路是線性的； (2)定子繞組三相對(duì)稱(chēng) ， 各相繞組的軸線在空間上互差 120 度； (3)電機(jī)定子電樞繞組的空載電勢(shì)是正弦波 (4)定子繞組電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢(shì) ， 忽略磁場(chǎng)的高次諧波； (5)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組； (6)永磁體的電導(dǎo)率為零。 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 本文所研究的對(duì)象為表面式 PMSM， 它與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣有 7 A， B， C 三相對(duì)稱(chēng)繞組 ， 轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體 ， 定子和轉(zhuǎn)子通過(guò)氣隙磁場(chǎng)存在電磁耦合關(guān)系。內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)是將永磁體裝于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部 ， 制造工藝較為復(fù)雜 ， 但機(jī)械強(qiáng)度高 ， 一般適于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合 [7]。表面式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)上較簡(jiǎn)單 ，轉(zhuǎn)子直徑較小 ， 從而降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 它有較大的磁路氣隙 ， 若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感 ， 利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改善。 表面式永磁同步電機(jī)定子與 轉(zhuǎn)子之間磁路分布均勻 ， 基本上與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān) 。對(duì)采用稀土永磁的電機(jī)來(lái)說(shuō) ， 由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近于 1， 所以表面凸 極 式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 。目前 ， 永磁同步電機(jī)已經(jīng)成為高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主體。 對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ， 通常有著成本低廉、材料利用率高以及控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前制作轉(zhuǎn)子的材料多采用高性能的永磁材料有： AINiCo(鋁鎳鉆鐵磁性合金材料 )、 Ferrites(鐵氧體磁性材料 )、 RareEarth(稀土族磁性材料 )、 MnAIC(錳鋁碳磁性材料 )、 Ceramic(陶瓷磁性材料 )anNdFeB(銣鐵硼合金磁性材料 )等。為了減少電動(dòng)機(jī)的雜散損耗 ，定子繞組通常采用星形接法 [6]。圖 21 為永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及 磁滯 組成 ， 其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠大的磁場(chǎng)強(qiáng)度 ， 與通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。定子由定子鐵心 (由沖有槽孔的硅鋼片 受 壓而成 )、定子繞組 (在鐵 芯槽 中 嵌入 三相電樞繞組 )構(gòu)成。本文主要 以三相正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)作為研究對(duì)象。本章在簡(jiǎn)要介紹永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和分類(lèi)的基礎(chǔ)上 ， 分析推導(dǎo) 出 永磁同步電機(jī) 相關(guān) 的數(shù)學(xué)模型。 5 第二章 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 引言 20 世紀(jì) 80 年代 ， 永磁材料特別是具有高磁能積、高 強(qiáng) 磁力、低廉價(jià)格的銣鐵硼永磁材料的發(fā)展 ， 使人們研制出了價(jià)格低廉、體積小巧、性能高的永磁同步電機(jī) [5]。 4 第四章 基于 Matlab 的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ：講述了 PMSM仿真模塊整體的建構(gòu)以及仿真參數(shù)的調(diào)試及結(jié)果分析的一章 ， 通過(guò)分塊建構(gòu)模型 ，最后集成整體模型的方式完成整體建構(gòu) [4]。 第二章 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 ： 分析建立 了 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的 ， 具體的細(xì)分到 PMSM 在三種不同坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程以及它們之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 ， 并簡(jiǎn)單了解了 PMSM 的控制策略。 本文的主要內(nèi)容 本文主要目的是通過(guò) Matlab 中的 sumlink環(huán)境中進(jìn)行永 磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真調(diào)試 ， 具體的內(nèi)容如下： 第一章 緒論 ： 通過(guò)各種資料了解本課題的研究背景及意義 ， 分析國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究趨勢(shì) 。 6． 網(wǎng)絡(luò)化和模塊化 ：隨著機(jī)器安全標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展 ， 傳統(tǒng)的故障診斷和保護(hù)技術(shù)已經(jīng)落伍 ， 最新的產(chǎn)品嵌入了預(yù)測(cè)性維護(hù)技術(shù) ， 使得人們可以通過(guò) Intemet 及時(shí)了解重要技術(shù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)趨勢(shì) ， 并采取預(yù)防性措施。 5． 智能化 ：現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動(dòng)器都具備參數(shù)記憶、故障自診斷和分析功能 ，絕大多數(shù)進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器都具備負(fù)載慣量測(cè)定和自動(dòng)增益調(diào)整功能 ， 有的可以自動(dòng)辨識(shí)電機(jī)的參數(shù) ， 自動(dòng)測(cè)定編碼器零位 ， 有些則能自動(dòng)進(jìn)行振動(dòng)抑止。 4． 通用化 ：通用型驅(qū)動(dòng)器配置有大 量的參數(shù)和豐富的菜單功能 ， 便于用戶(hù)在不改變硬件配置的條件下 ， 方便地設(shè)置各種工作方式 ， 適用于各種場(chǎng)合 ， 可以驅(qū)動(dòng)不同類(lèi)型的電機(jī) ， 也可以適應(yīng)不同的傳感器類(lèi)型甚至無(wú)位置傳感器。 2． 直接驅(qū)動(dòng) ：由于消除了中間傳遞誤差 ， 從而實(shí)現(xiàn)了高速化和高定位精度。國(guó) 外廠商伺服產(chǎn)品每 5 年就會(huì)換代 ， 新的功率器件或模塊每 25 年就會(huì)更新一次 ， 新的軟件算法則日新月異 ， 總之產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短。R)V 業(yè)自動(dòng)化 公司推出的 ACOPOSmulti 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu) ， 每個(gè)軸模塊可以提供 12 個(gè)伺服軸控制 ， 并集成了一個(gè) 24VDC 的輔助電源模塊 ， 為驅(qū)動(dòng)器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個(gè)到直流總線的鏈接 ， 來(lái)獲得開(kāi)路、短路和過(guò)載保護(hù)。 國(guó) 外 研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 在國(guó) 外 上 ， 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) ， 經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變 ， 數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無(wú)處不在 ， 比如換相、電流、速度和位置控制；采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能 DSP 加 FPGA、以及伺服專(zhuān)用模塊。目前國(guó)內(nèi)主要的伺服品牌或廠家有森 01(和利時(shí)電機(jī) )、華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、蘭州電機(jī)廠等。 80 年代之后開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域 ， 直到 2020 年 ， 國(guó)產(chǎn)伺服停留在小批量、高價(jià)格、應(yīng)用面狹窄的狀態(tài) ， 技術(shù)水平和可靠性難以滿(mǎn)足工業(yè)需要。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀 我國(guó)從 20 世紀(jì) 70 年代開(kāi)始跟蹤開(kāi)發(fā)交流伺服技術(shù) ， 主要研究力量集中在高等院校和科研單位 ， 以軍工、宇航衛(wèi)星為主要應(yīng) 用方向 。 本課題主要研究基于 Matlab 的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真 ， 在 Simulink 中建立整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 并 給出仿真結(jié)果。永磁同步電機(jī)由于體積小 ， 重量輕 ， 磁性能穩(wěn)定 ， 具有較高的運(yùn)行效率、 較小的 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、可 支持 高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn) ， 在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中 ， 諸如高性能機(jī)床進(jìn)給、位置控制、工業(yè) 機(jī)器人、航空航天等眾多領(lǐng)域 同步電機(jī) 得到了廣泛應(yīng)用 [2]。 研究的目的及意義 近十年來(lái) ， 隨著永磁材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展。 為了克服這一不足 ， 本文 利用的是 將控制單元模塊化 的仿真 方法 。 而 對(duì)于 永磁 同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究主要是依據(jù) Matlab 的仿真 ， 在 Matlab 中進(jìn)行 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（ PMSM） 建模仿真方法的研究 ， 以 往 大部分的研究是采用 的是 節(jié)點(diǎn)電流法對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析 ， 然后 通過(guò)列寫(xiě) nt 文件 來(lái) 建立PMSM 的 仿真模型。 II ABSTRACT In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Mag Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematical model, and uses MATLAB to simulate that model. The PMSM is a nonlinear, strongcoupling and timevarying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The former research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them. Keywords： PMSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model III 目 錄 摘 要 .............................................. I ABSTRACT ............................................ II 目 錄 ............................................. III 第一章緒論 ........................................... 1 研究背景及意義 ...........................................1 研究背景 ...........................................1 研究的目的及意義 ...................................1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...........................................2 國(guó)內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀 .................................2 國(guó)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) .................................2 本文的主要內(nèi)容 ...........................................3 第二章永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型 ............ 5 引言 .....................................................5 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ...............................5 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ...........................6 PMSM 在 ABC 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................6 PMSM 在 0?? 坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程 .................8 PMSM 在 dq0 坐標(biāo)系下的磁鏈和電 壓方程 .................9 永磁同步電機(jī)的控制策略 ..................................11 本章小節(jié) ................................................12 第三章 永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制 ........ 14 引言 ....................................................14 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 ................................14 IV 空間矢量脈寬調(diào)制概念 ....................................15 SVPWM 模塊的建立 .........................................17 本章小結(jié) ................................................23 第四章 基于 Matlab 的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立 ... 24 引言 ....................................................24 MATLAB 軟件的介紹 ........................................24 永磁同步