【正文】 本文先 對(duì)永磁同步電機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程、研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行了一個(gè)比較全面的闡述 ，然后對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹 ，最后講述了幾種永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)常用的控制策略。 此文借助這一手段在詳細(xì)分析了永磁同步電機(jī)矢量控制的機(jī)理，并提出了一套相應(yīng)的矢量控制方案后，建立了仿真和試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。s powerful simulation modeling capabilities of Matlab/Simulink simulation model of the PMSM control system for PMSM servo control system analysis and design effective and tools. Text with the means of a detailed analysis of the mechanism of permanent mag synchronous motor vector control, and a corresponding set of vector 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 III control programs, the establishment of the simulation and test platform for the simulation analysis and experimental research. Keywords: permanent mag synchronous motor / Matlab / Simulink Simulation / Vector Control 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 1 1 緒論 永磁同步電機(jī) (Permanent Mag Synchronous Machine 即 PMSM)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高和魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于電機(jī)性能和控制精度要求較高的伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域 [1]。為了提高 PMSM 的控制性能，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多非線性控制方法，主要有：反步法控制、反饋線性化控制、滑?？刂?、智能控制、自適應(yīng)控制和自抗擾控 制等，這些非線性控制方法改善了 PMSM 系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)魯棒性。其起源很早，在 19 世紀(jì) 20 年代所出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)就是由永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁的永磁電機(jī) [3]，但當(dāng)時(shí)所采用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，所制成的電機(jī)體積大，不久便被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。永磁同步電機(jī)的直接起動(dòng)是依靠阻尼繞組提供的異步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)加速 到接近同步轉(zhuǎn)速，然后由磁阻轉(zhuǎn)矩和同步轉(zhuǎn)矩將電機(jī)牽入同步。逆變器供電的永磁同步電機(jī)與直接起動(dòng)的永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，但在大多數(shù)情況下無(wú)阻尼繞組。在逆變器供電情況下，永磁同步電機(jī)的原有特性將會(huì)受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機(jī)相比有不同的特點(diǎn)。正向高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩、高功能化和微型化方面發(fā)展。又由于稀土永磁磁極，可以獲得較高的氣隙磁密。 盡管我國(guó)的 稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平 ，但是這些優(yōu)勢(shì)還沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)， 因此，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，永磁同步電動(dòng)機(jī) 的發(fā)展還任重而道遠(yuǎn)，還有很大潛力可開(kāi)發(fā)。 永磁同步電機(jī)的研究意義 正如前面幾節(jié)所述，永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSM)具有體積小、重量輕、反應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應(yīng)用，尤其是近年來(lái)，隨著永磁材料的迅速發(fā)展，電力電子和控制技術(shù)的進(jìn)步，稀土永磁同步電機(jī)將越來(lái)越多地替代傳統(tǒng)電機(jī)，應(yīng)用前景非常的樂(lè)觀，因而對(duì)永磁同步電機(jī)的研究是非常有意義的。例如多電飛機(jī)和全電飛機(jī)是未來(lái)飛機(jī)的重要發(fā)展方向，多電飛機(jī)和全電飛機(jī)在歐美等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)開(kāi)始研制 [4]，其中的關(guān)鍵技術(shù)之一就是用電力作動(dòng)器取代目前廣泛應(yīng)用的液壓作動(dòng)器，而這種取代的基本條件是電力作動(dòng)器的功率密度和動(dòng)態(tài)性能能否達(dá)到液壓作動(dòng)器的水平，目前的普通航空用電機(jī)還不能滿足該要求，因此必須研究和開(kāi)發(fā)出性能更好的電機(jī)，為發(fā)展各種先進(jìn)的航空設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ) [5]。 所以本文主要講述了幾種永磁同步電機(jī)的控制方式，并重點(diǎn)分析了矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。為促進(jìn)永磁同步電機(jī)控制理論的發(fā)展，本文對(duì)現(xiàn)有的一些永磁同步電機(jī)矢量控制方式進(jìn)行了概括分析，提出了永磁同步電機(jī)矢量控制方案，并建立了一套完整的仿真和試驗(yàn)平臺(tái)，為進(jìn)一步研究永磁同步電機(jī)矢量控制提供了實(shí)用的物質(zhì)基礎(chǔ)。 第二章著重闡述了永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，包括其結(jié)構(gòu)、分類、特點(diǎn)和工作原理，以及永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 第四章應(yīng)用矢量控制在 Matlab 環(huán)境中對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模和仿真。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 4 2 永磁同步電機(jī)系統(tǒng) 永磁式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、損耗小、效率高， 和直流電機(jī)相比，它沒(méi)有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點(diǎn)。和普通同步電動(dòng)機(jī)相比，它省去了勵(lì)磁裝置，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波 [6]。 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。因此，這兩種電機(jī)的性能特點(diǎn)有所不同。 本節(jié)中采用的電機(jī)為凸裝式正弦波永磁同步電機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，定子繞組永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 5 一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定對(duì)數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為兩對(duì)，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n=60f／ p， f 為電流頻率， P 為極對(duì)數(shù) [8]。但是這種電機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)就是交流電能量由直流提供，這樣就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確的 控制，而且解決了電刷帶來(lái)的壽命問(wèn)題。 1． 高效率、高功率因數(shù)、節(jié)能用永磁體代替電勵(lì)磁，不需要無(wú)功勵(lì)磁電流 ， 可以顯著提高功率因數(shù)。而且， PMSM 在 25%耀 120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可以保持較高的功率因數(shù)和效率 [9]，使電機(jī)在輕載運(yùn)行時(shí)的節(jié)能效果更為顯著，這樣，在長(zhǎng)期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 6 3． 體積小、重量輕隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用， PMSM 的功率密度大大提高，與同容量異步電機(jī)相比，其體積和重量有較大的減少。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性 [11]。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切 割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；另一方面以電磁力拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。此外，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組。為了便于分析，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，假設(shè)以下參數(shù)： ① 忽略電動(dòng)機(jī)的鐵心飽和；②不計(jì)電機(jī)中的渦流和磁滯損耗； ③ 定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓按正弦分布，即忽略磁場(chǎng)中所有的空間諧波；④各相繞組對(duì)稱，即各相繞組的匝數(shù)與電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度 [12]。圖 22 給出永磁同步電動(dòng)機(jī)在 (d， q)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。 （ 22） 式中： r 為定子繞組電阻； p 為微分算子， p=d/dt ； id 、 iq 為定子電流； ud 、 uq為定子電壓； ?d 、 ?q 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為轉(zhuǎn)子角速度 (? =錯(cuò)誤 !未找到引用源。為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。 （ 23） 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 7 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為轉(zhuǎn)子磁鏈。 （ 25） (4)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程 : 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 若電動(dòng)機(jī)為隱極電動(dòng)機(jī)，則 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 22 定子、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 8 3 永磁同步電機(jī)控制策略 任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的。因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)互不垂直，互相影響。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和磁場(chǎng)定向控制等方案 。一旦速度給定后，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓 Uout 進(jìn)行控制，使電動(dòng)機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為非線性、多變量，它含有 ? 與 id 錯(cuò)誤 !未找到引用源。近年來(lái)，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動(dòng)機(jī)的非線性特性。 矢量控制也稱磁場(chǎng)定向控制，自 1971 年德國(guó)西門子公司F． Blaschke 提出矢量控制原理， 該控制方案就倍受矚目，已經(jīng)作為一種基本的原理和方法被普遍地采用 [13]。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對(duì)定子電流幅值和空間位置 (頻率和相位 )的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 9 在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不方便。 矢量控制的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能較好。解決方法是采用智能化調(diào)節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調(diào)速性能和魯棒性 。采用先進(jìn)的調(diào)制算法以減少電流諧波、提高直流母線電壓利用率； 2) 電流讀取模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來(lái)準(zhǔn)確獲取轉(zhuǎn)子位置和角速度信息，也可采用無(wú)傳感器檢測(cè)算法進(jìn)行測(cè)量； 4) PID 控制模塊； 5) Clark、 Park 及 Reverse Park 變換模塊。 ，經(jīng)過(guò) Clark 變換PI3 P ha seI nv e r t e rSVP WM PIPIP WS M ?? ?? ? ?,dq,dq ? ? ?,a b cr?dcU位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)re f?r?d r efi永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 10 將其從三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 2) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與轉(zhuǎn)子位置 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 3) 轉(zhuǎn)子速度 /位置反饋模塊將測(cè)量的轉(zhuǎn)子角速度 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 行比較，并通過(guò) PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流 ids? ； 4) 交、直軸參考電流 ids? 、 iqs? 與實(shí)際反饋的交、直軸電流 ids 、 iqs 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為 0。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 相結(jié)合進(jìn)行反 Park 變換，變換為兩相靜止坐標(biāo)系的電壓 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 當(dāng) 錯(cuò)誤 !未找到 引用源。 產(chǎn)生偏差 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 和實(shí)際交軸電流比較 ,錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ，用來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際交軸電流； 如果直軸電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； 以上兩個(gè)偏差電流 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 經(jīng)過(guò) PI 調(diào)節(jié)器及反 Park 變換后為 SVPWM 調(diào)制算法提供兩相電壓 ?? 、 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 11 矢量控制的控制方式 1. 錯(cuò)誤 !未找到引用源。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù) 控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。 2. 錯(cuò)誤 !未找到引用源。條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。不足之處在于能夠輸出的最大轉(zhuǎn)矩較小。它是凸極 PMSM 用的較多的一種電流控制策略。 矢量控制的 坐標(biāo)變換 1. Clarke（ 3s/2s） 變換 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ：兩相繞組每相繞組匝數(shù) 60?60?O ACB??2Ni?3 BNi2Ni?3 CNi永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 12 圖 32 Clarke（ 3s/2s） 變換 各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關(guān)空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在 ??? 軸上的投影都應(yīng)相等，因此 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 32） 可得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 34） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 36） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 d、 q 軸和矢量 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 旋轉(zhuǎn)，分量錯(cuò)誤 !未找到引用源。 a 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 隨時(shí)間變化。 和 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 38） 寫成矩陣的形式，得 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 310） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 、 SA 、 SB 、 SB 、 SC 、 SC ）組成。 與 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 與 錯(cuò)誤