【正文】 !未找到引用源。 與 錯誤 !未找到引用源。 種開關(guān)組合。則有 8 種可能的開關(guān)組合。 （ 312） 逆變器非零電壓矢量輸出時的相電壓波形、幅值和電壓狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系圖、電壓狀態(tài)和開關(guān)狀態(tài)均以 6 個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種： 錯誤 !未找到引用源。 。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔 60186。 圖 36 6 個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成的正六邊形 選定定子坐標(biāo)系中的 ? 與 Park 矢量復(fù)平面的實軸 ??tXa 、 ??tXb 、 ??tXc 其三相物理量 Park 的矢量 錯誤 !未找到引用源。 （ 313） 式中 錯誤 !未找到引用源。 的某個時刻在某軸線 a、 b、 c 軸上的投影就是該時刻該相物理量的瞬時值。 三相負(fù)載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量Park 矢量變換表達(dá)式為 錯誤 !未找到引用源。 （ 315） 則 : 錯誤 !未找到引用源。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差 60 度； 2) 電壓空間矢量的幅值不變，都等于 2ud 錯誤 !未找到引用源。 矢量控制的 基本方程 SMPMSM 的電壓和磁鏈方程： 錯誤 !未找到引用源。 （ 318） 錯誤 !未找到引用源。 ：定子相繞組電感 錯誤 !未找到引用源。 ：轉(zhuǎn)子電角度 錯誤 !未找到引用源。 磁鏈轉(zhuǎn)矩方程 : 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 17 （ 319） 錯誤 !未找到引用源。 矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。針對矢量控制的這一缺點，德國學(xué)者 Depenbrock 于上世紀(jì) 80 年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)，在此之后 越來越多的學(xué)者投入到永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的研究。DTC 最早用于感應(yīng)電動機(jī)， 1997 年 L Zhong 等人對 DTC 算法進(jìn)行改造，將其用于永磁同步電動機(jī)控制。在得到電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行 DTC。 直接轉(zhuǎn)矩控制的目標(biāo)是：通過選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ与妷嚎臻g矢量，使定子磁鏈的運動軌跡為圓形，同時實現(xiàn)磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的跟蹤控制，其基本原理如圖 37 所示。 、 錯誤 !未找到引用源。根據(jù)誤差信號，轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)矩增、減控制信號 錯誤 !未找到引用源。 。 、錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 18 圖 37 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理框圖 定子磁鏈控制 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 1. 工作原理： 1) 轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速。 3) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。 2. 結(jié)構(gòu)特點 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)： 1) ASR 的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號； 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 19 2) 設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。 3. 控制特點 與 VC 系統(tǒng)一樣，它也是分別控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC 系統(tǒng)與 VC 系統(tǒng)不同的 特點是： 1) 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰 砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的 SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時復(fù)雜，但是，由于采用了砰 砰控制，這種復(fù)雜性對控制器并沒有影響。 4. 控制規(guī)律和反饋模型 除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰 砰控制外 ， DTC 系統(tǒng)的核心問題就是： 1) 轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型； 2) 如何根據(jù)兩個砰 砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的 開關(guān)狀態(tài)。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 20 1) 六邊形的磁鏈軌跡控制： 如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器 的控制程序簡單，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大； 2) 圓形磁鏈軌跡控制： 如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。 6. DTC 系統(tǒng)存在的問題 1) 由于采用砰 砰控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動，而不是完全恒定的。 這兩個問題的影響在低速時都比較顯著，因而使 DTC 系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。 空間矢量控制 1. 空間矢量 在 節(jié)的第三條中已經(jīng)做了詳細(xì)介紹，這里不在重復(fù)說明。由十磁動勢是線圈中電流和匝數(shù)的乘積，定子電流矢量可用磁動勢除以每相匝數(shù)獲得。除此之外，異步電動機(jī)的其它二相變量 也表示成空間矢量 ，磁鏈?zhǔn)噶堪ǘㄗ哟沛準(zhǔn)噶俊庀洞沛準(zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。 VC 系統(tǒng)強(qiáng)調(diào) Te 與 Ψr的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按 Ψr 定向受電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。 下表列出了兩種系統(tǒng)的特點與性能的比較。在第四章將對永磁同步電機(jī)矢量控制仿真，而這一章節(jié)的內(nèi)容則為第四章內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)向數(shù)字化方向發(fā)展。永磁同步電機(jī)（ PMSM）是一個復(fù)雜耦合的非線性系統(tǒng)。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)模型的有效性。 電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理 電壓空間矢量 電機(jī)輸入三相正弦電壓的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。 空間矢量是按電壓所加繞組的空間位置來定義的。三相定子相電壓 UA、 UB、 UC 分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量 UA、 UB、 UC，它們 的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律變化，時間相位互差120176。 圖 41 三相電壓矢量 將圖 41 的平面看成是一個復(fù)平面，則 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 24 ? ?? ?? ?2 / 34 / 3jAjBjCUtUtUtUeUeUe???? ??? ??? ??? （ 41） 三相合成的空間電壓矢量 U1可寫為 （ 42） 由于 錯誤 !未找到引用源。 （ 43） 我們可以看到三相電壓空間矢量的合成空間矢量是一個旋轉(zhuǎn)空間矢量，它的幅值是每相電壓值的 倍，其旋轉(zhuǎn)的角速度等于正弦電壓量的角頻率。 （ 44） 在轉(zhuǎn)速不太低時， RI 較小，故 錯誤 !未找到引用源。 在調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)由三相 PWM 逆變器供電，如圖 42 所示。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 25 圖 42 三相 PWM 逆變器 逆變器共有 8 種工作狀態(tài)，即 00 0 01 100、 10 1 11 000。 圖 43 基本空間電壓矢量 零矢量的作用 在非零矢量作用的同時，插入零矢量的作用，讓電機(jī)的磁鏈端點“走走停停”，這樣可改變磁鏈運行速度，使磁鏈軌跡近似為一個圓形，從而實現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。 空間電壓矢量控制算法 上面我們提到，控制過程包括非零矢量和零矢量的作用，非零矢量用來控制磁通的軌跡，而利用零矢量改變磁通的運行速度 [17]。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 26 圖 44 U1錯誤 !未找到引用源。 合成矢量 Ur 錯誤 !未找到引用源。 （ 47） 錯誤 !未找到引用源。 為直流母線， M 為調(diào)制比 ， t0、 t t2錯誤 !未找到引用源。 或 U1。為簡化感應(yīng)電機(jī)模型，可將電機(jī)三相繞組電流產(chǎn)生的磁動勢按平面矢量的疊加原理進(jìn)行合成和分解，使得能夠用兩相正永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 27 交繞組來等效實際電動機(jī)的三相繞組。 矢量控制中用到的變換有：將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（ Clarke 變換）和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換（ Park 變換）。 、 ? 變換 SVPWM 模塊 SVPWM 主要是使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，當(dāng)電機(jī)通以三相對稱的正弦 電壓時，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈并以此磁鏈為基準(zhǔn)，通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來逼近基準(zhǔn)圓，并產(chǎn)生三相互差 ?120 電角度的接近正弦波的電流來驅(qū)動電機(jī) [18]。 和 錯誤 !未找到引用源。 ，則， A=1；當(dāng) ?????3 ＞ 0 錯誤 !未找到引用源。 ＜ 0，則 C=1； 否則 C=0。 計算 X、 Y、 Z 和 TX 、 TY 定義 定義： X=錯誤 !未找到引用源。 Z=錯誤 !未找到引用源。 ，按表 41 取值。 賦值后，要對其進(jìn)行飽和判斷。 ，取TX=TX/(TX+TY)， TY= TYTX/(TX+TY)。 表 42 切換點 Tcm Tcm Tcm3 賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI Tcm1 Tb Ta Ta Tc Tc Tb Tcm2 Ta Tc Tb Tb Ta Tc Tcm3 Tc Tb Tc Ta Tb Ta 在 Matlab 的 Simulink 環(huán)境下的實現(xiàn)如圖 4圖 4圖 4 圖 411 所示。 圖 48 計算 X、 Y、 Z 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 30 圖 49 計算 Ti、 Tm 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 31 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 圖 411 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 仿真結(jié)果 為了驗證所建模型仿真模型的正確性和有效性，對模型進(jìn)行了仿真實驗。其波形如圖 41圖 41圖 414 所示： 圖 412 定子繞組三相電流波形 圖 413 電磁轉(zhuǎn)矩波形 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 32 圖 414 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形 從仿真結(jié)果我們可以看出，電機(jī)在通電以后，迅速到達(dá)最大轉(zhuǎn)矩（ 30N?m），然后很快回到穩(wěn)定值（ 2N?m）。在 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 2N?m突變?yōu)?8N?m，轉(zhuǎn)速有微小的震蕩后回到給定值，定子電流在 發(fā)生變化。 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 33 5 結(jié)論 研究總結(jié) 在實際應(yīng)用中，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)具有直流電機(jī)和異步電機(jī)控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。因此，研究和發(fā)展高性能永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)來滿足現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的要求具有重要的實用價值。首先簡要介紹了 PMSM 矢量控制的原理和三種常用的坐標(biāo)變換，采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和 Matlab／ Simulink 軟件平臺建立了矢量控制系統(tǒng)合仿真模型，對 PMSM 系統(tǒng)動態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。綜合前面章節(jié)的內(nèi)容，本文的主要成果體現(xiàn)在以下三個方面： (1)通過閱讀大量國內(nèi)外高性能稀土永磁電機(jī)相關(guān)文獻(xiàn)，較為全面的介紹了國內(nèi)外永磁電機(jī)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀，并簡要介紹了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)常用的幾種控制技術(shù)，其中重點講述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)，為本文的研究工作奠定了基礎(chǔ)。 (3) 對矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和Matlab／ Simulink 軟件平臺建立了矢量控制系統(tǒng)合仿真模型，對 PMSM 系統(tǒng)動態(tài)性能進(jìn)行了仿真分析。雖然這是種基本的控制策永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 34 略，但為永磁同步電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)，為研究更優(yōu)越的控制系統(tǒng)奠定基石。 需要指出的是，對于永磁同步電機(jī)系統(tǒng)本身，目前研究了永磁同步電機(jī)，由于參數(shù)是測量的，測量存在著一定的誤差，而誤差往往是隨機(jī)的，所以參數(shù)隨機(jī)的永磁同步電機(jī)將是今后研究的重點。 總之，在永磁同步電機(jī)矢量控制中，提出一種高 精度的混合控制方法并利用更先進(jìn)的理論也是今后研究的一個重點。 XX 教授的博聞強(qiáng)志、追求卓越、孜孜以求的務(wù)實精神以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度和科學(xué)高效的教育理念深深地影響著我，必將使我受益終生。 在兩年的學(xué)習(xí)生活和工作中，還得到了我們 XX 學(xué)院許多領(lǐng)導(dǎo)和老師的熱情關(guān)心和幫助，在此深表感謝。愿家人平平安安、將