【正文】 得 電機 能夠在給定的轉(zhuǎn)速下運行。 因此電機便能夠在給定的轉(zhuǎn)速下運行。 因此 它具有控制系統(tǒng)簡單，成本較低的優(yōu)點。矢量控制 是指利用坐標變換原理，將永磁同步電機三相靜止坐標系上的 物理量，分解到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系， 從而能夠簡單方便的對電機的各個物理量進行分解或合成。 我們把這種控制方法叫做 矢量控制 ，也稱為 磁場定向控制 。 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 ，顧名思義 是 指以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制。 在靜止坐標系下， 可以得 到的定子 的電流和電壓 ，從而可以計算并 控制 電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，以此來 獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。 而 直接轉(zhuǎn)矩控制 是 在兩相靜止坐標系上對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行控制，轉(zhuǎn)矩的響應速度快。在對永磁同步電機進行控制時，要選擇合適的控制策略，從而達到 真正 高效 而準確 的控制 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 永磁同步電機 矢量控制 技術 的 發(fā)展 現(xiàn)狀 和研究意義 1968年， 達姆施塔特工業(yè)大學 的 K. Hasse提出了間接矢量控制的概念，隨后在 1970年初期，西門子公司的 。萊昂哈德（ Leonhard further）進一步開發(fā)磁場導向控制的控術，因此交流馬達驅(qū)動器開始有機會取代直流馬達驅(qū)動器。當時較于直流馬達啟動器，交流馬達驅(qū)動器的成本高，架構復雜，而且不易維護。 隨著電力電子技術的發(fā)展，矢量控制理論也越來越被重視。 隨著功率器件的不斷優(yōu)化，處理速度不斷提升，極大的提高 了 伺服驅(qū)動的性能。 現(xiàn)在，交流驅(qū)動器的一個開發(fā)重點是如何將驅(qū)動器與電機有效的結(jié)合在一起，開發(fā)出更加可靠的驅(qū)動模塊。矢量控制技術已經(jīng)成為了近幾年控制研究的熱點。 從矢量控制技術被提出至今，已經(jīng)得到了極大的發(fā)展。磁通快速控制技術，即在直接磁場定向矢量控制異步電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，利用磁鏈預測值進行磁通快速控制的技術。參數(shù)識別和調(diào)節(jié)器自整定技術，是一種基于模型參考自適應算法的一慣性系統(tǒng)及二慣性系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量參數(shù)的識別技術。 在不久的將來，采用嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)，高速電動機控制專用 DSP，通過開發(fā)性能更加優(yōu)良的轉(zhuǎn)子磁場定向方法和磁通觀測器，來使得變頻器獲得高性能的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力，會成為矢量控制技術未來的發(fā)展趨勢。永磁電動機驅(qū)動系統(tǒng)由于它的高效，高功率，高可靠性而得到越來越多的關注， 無刷電動機的無位置傳感器控制和正弦波電流控制，在應用方面已經(jīng)趨于成熟。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 5 由此可見，在愈加注重運行效率和系 統(tǒng)穩(wěn)定性的今天，矢量控制已經(jīng)成為了發(fā)展的熱點，并且有著良好的發(fā)展勢頭。 論文內(nèi)容及結(jié)構安排 本文以永磁同步電機控制策略的研發(fā)工程項目為應用背景，著重講述了對 永磁同步 電機矢量控制方法的研究。 第一章 介紹了 永磁 同步電機 的概況及其基本控制策略。 第 四 章 介紹了在 matlab環(huán)境下 永磁同步電機矢量控制 系統(tǒng)的 建模 。 第六 章 對全文的研究工作做了總結(jié)，并簡述了感想。 （ 2） 在 同步發(fā)電機的 定子鐵心的內(nèi)圓 里 均勻分布著定子槽， 在定子 槽內(nèi)嵌放著按一定規(guī)律排列的三相對稱交流繞組。 （ 3） 在同步電機的 轉(zhuǎn)子鐵心上裝有成對 的 磁極 ，在磁極上還裝 有勵磁繞組 。 （ 4） 在 電樞內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子磁極之間， 會形成 氣隙 。 （ 5） 同步電機可以分為 轉(zhuǎn)場式同步電機 和 轉(zhuǎn)樞式同步電機 ，后者的 磁極安 裝在 定子上，而交流繞組 卻安裝在 轉(zhuǎn)子表面的槽內(nèi) 。 永磁同步電機工作原理 將 直流勵磁電流 加在永磁同步電機的勵磁繞組上 ， 便能建立 極性相間的勵磁磁場， 勵磁磁場也稱為 主磁場。 原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)便能給電機輸入機械能 ，極性相間的勵磁磁場 （即主磁場）隨軸一起旋轉(zhuǎn)，便可以使繞組的導體 順次切割 勵磁磁場。該電動勢 相當于交流電源 。 旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，因此能產(chǎn)生極性交變的感應電動勢，再 由于電樞繞組的對稱性， 使得 感應電 動勢也能保證 三相對稱性。恰當?shù)?運用矢量控制 ， 可以使交流調(diào)速 像直流調(diào)速一樣方便簡單，并且能夠 擁有 優(yōu)良的控制性能。矢量控制 的基本原理是通過 磁場 坐標 ， 將電流矢量分解成 兩個量。 這兩個 電流 分量 是 互相垂直，并且彼此獨立 的 。通過這種方法， 便能將 交流電動機 的轉(zhuǎn)矩控制 變得和直流電動機的轉(zhuǎn)矩控制相類似。 雖然 矢量控制的 目的是能夠提高 轉(zhuǎn)矩控制的性 能，但最終還是要落實到對定子電流的 控制 上 。 為了解決這一問題 ，需要借助坐標變換，使得各個物理量從兩相靜止坐標系（ α， β坐標系）轉(zhuǎn)換到兩相 旋轉(zhuǎn)坐標系（ d， q坐標系）。 電動機調(diào)速的 最終目的是能夠控制其轉(zhuǎn)矩，而 矢量控制的 目的是為了 能夠 改善轉(zhuǎn)矩 的 控制 性能， 因此必須對定子電流進行控制 。 如果使 d坐標軸上的電流為 0，即采用 0?di 的控制方法。這能使得定子的磁場與永磁體的磁場正交。這種調(diào)速方式簡單方便，并且能很好的提高同步電機的性能。 永磁同步電機數(shù)學模型 由于 本文 建立 的 永磁同步電動機 的 數(shù)學模型 是 在 理想狀況下的模型， 與實際情況略有偏差，因此需要 假設 以下幾點 ： （ 1） 鐵芯損耗 不作考慮 ； 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 （ 2）電機磁路是 線性 的，不考慮 磁路飽和，磁滯和渦流 等因素 的影響； （ 3） 電動機的三相繞組是完全對稱的，他們在空間中互差 120176。 定子三相坐標 系（ abc 坐標系） 中永磁同步電機模型 三相永磁同步電機在 定子 三相坐標系（ abc 坐標系）下 的電壓 方程 和磁鏈方程可以寫成如下形式 ???? = ???????? +?????????? ???? = ???????? +???? 其中 為定子電壓， ????為定子電阻， ????為定子電流， ????為定子磁鏈， ????為定子電感， ????為轉(zhuǎn)子磁鏈。 三相 永磁同步電機在 定子三相坐標 系（ abc 坐標系） 下的磁鏈方程的矩陣形式如下： 其中 Laa、 Lbb、 Lcc分別 為三相自感系數(shù)， ??ab和 ??ba為 a、 b 相的互感系數(shù)，??ac和 ??ca為 a、 c 相之間的互感系數(shù)， ??bc和 ??cb為 b、 c 相之間的互感系數(shù)， ????為轉(zhuǎn)子磁鏈， θ為 轉(zhuǎn)子位置較角。并且是一組復雜的變系數(shù)的微分方程組。 因此我們可以 想辦法將 通過公式將 變系數(shù)的方程組轉(zhuǎn)換成常系sUa a abbcu 0 0u = 0 0u 0 0ssbc s cRip R iRi???? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?acbc o sc o s( 1 2 0 )c o s( 1 2 0 )a a a b a c ab b a b b b c b rc c a c c cL M M iM L M iM M L i??? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ?南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 數(shù)的方程組。 為了 能夠使 計算 更為簡便，我們規(guī)定三相繞組的磁動勢與變換后的兩相繞組的 磁動勢轉(zhuǎn)向相同， 并且 α 軸與 a 軸重合。 電壓方程的矩陣形式 如下 ： 其中 ????、 ????為 αβ 坐標系中定子的電壓， ????、 ????為 坐標系中 定子 的 電流， ????為轉(zhuǎn) 子轉(zhuǎn)速 ,????為轉(zhuǎn)子磁鏈。 同樣的， park 變換指的是將兩相靜止坐標系（ αβ 坐標系）下的狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（ dq 坐標系）下。 ????、 ?? 為定子電壓的 d、 q 軸分量 。 ????、 ?? 為定子繞組的 d、 q 軸等效電感 。 ????為定子繞組電阻 。 T為輸出電磁轉(zhuǎn)矩 。 電壓方程的矩陣形式： rqd c oss i ndtdL00L r ?? ??????????????????????????????????? ???????????????????? βαβα iiRψUU qd?????????????????????????? ????????????????????qr ???? dqdqdqd iiRψpUU南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 ????、 ?? 為 dq 坐標系中的定子電壓， ????、 ?? 為 dq 坐標系中的定子電流， ????、 ?? 為 dq 坐標系中的定子磁鏈。 以上為永磁同步電機 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系（ dq 坐標系）下 的數(shù)學模型。 永磁同步電機 在 matlab 環(huán)境下的仿真 模型 （ 1） JX— PMSM— 750 型號電機參數(shù) ?????????????????????????? 000 rqdiiLqLdqd ???南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 （ 2）永磁同步電機 MATLAB仿真模型 本次課程設計 運用到了 MATLAB軟件對電機系統(tǒng)進行模擬和仿真， MATLAB中的的 simulink模塊中具備很多電機仿真所要用到的器件 ， 是一種非常常用的電機仿真軟件，使用起來也非常的方便快捷。 本章小結(jié) 本章 著重介紹了 同步電 動 機 矢量控制原理 ， 給出了在不同坐標軸下同步電機的數(shù)學模型。 （ 1) 介紹了永磁同步電機的工作原理 (2) 詳細介紹了同步電機的 矢量控制原理 (3) 給出了 同步電機 在不同坐標系下 的數(shù)學模型 。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 第三章 PI 控制器的設計 PID 控制原理和特點 PID 控制是在工程實際中應用最為廣泛的一種控制技術，他具體是指比例，積分，微分控制 。因此， PID控制是目前工業(yè)控制的一大重要技術 。當我們必須依靠經(jīng)驗和反復的調(diào)試來掌握控制器的結(jié)構和參數(shù)時 ， PID 控制技術是最好的選擇 。 PID 控制器 的實質(zhì) 就是根據(jù)系統(tǒng) 反饋 的誤差，利用比例 、 積分、微分計算出控制量 從而進行 控制 。 他指的是 控制器的輸出與輸入的 誤差 信號成比例關系 。 積分控制 （ I） 積分控制 是指 控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差， 則必須要在控制器中引入 “ 積分項 ” 。 盡管 誤差 有時是一個很 小 的量 ， 但是 積 分項也會隨著時間的增加而加大 。因此，比例 積分 控制器 （即 PI控制器） ，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn) 態(tài)后 幾乎沒有 穩(wěn)態(tài)誤差。 由于滯后組件或者大慣性組件的存在，自動控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)震蕩或者不穩(wěn)定的現(xiàn)象。微分控制能夠抑制誤差的變化作用。 這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。 現(xiàn)對 PID控制器中三個環(huán)節(jié)的作用做一個總結(jié) ： （ 1） 比例環(huán)節(jié)的作用： 比例環(huán)節(jié)能夠 迅速 的反映偏差， 減小誤差，但消除南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 14 不了 靜差， 如果“比例項”過大會導致 系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 （ 3） 微分環(huán)節(jié)的作用： 微分環(huán)節(jié)能夠減小系統(tǒng)的震蕩，提高系統(tǒng)的快速性，如果“微分相”過大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定 PID 控制的意義 目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標志。智能控制的典型實例是模糊 全自動洗衣機 等。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、 執(zhí)行機構 、輸入輸出接口。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機構是不一樣的。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。有利用 PID 控制實現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實現(xiàn) PID 控制功能的 可編程控制器 (PLC），還有可實現(xiàn) PID 控制的 PC系統(tǒng)等等。還有可以實現(xiàn) PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 產(chǎn)品系列，它可以直接與 ControlNet 相連，利用網(wǎng)絡來實現(xiàn)其 遠程控制 功能。 PID 參數(shù)的整定也是整個電機模型控制理論的核心。第 一 種是 理論計算整定法 ，第二種是經(jīng)驗法。 由于實際情況與理論上的數(shù)學關系存在偏差，因此 這種方法 所得到的數(shù)據(jù)并不能直接用，還要根據(jù)實際情況進行一系列的修改 。這種方法根據(jù)電機控制系統(tǒng)輸出量的狀態(tài)進行調(diào)試，非常的實用，并且方便快捷。 經(jīng)過幾代的發(fā)展， MATLAB 在控制領域得到了廣泛的應用。 Simulink 是 MATLAB 的一個應用工具箱， 它能完成對一個動態(tài)控制系統(tǒng)的