【正文】 高了其運行性能，通力公司開發(fā)了 ECODISO 永磁盤式無齒拽引機，應用于機房電梯。由于永磁同步電機效率高，輕量化和高性能化等特點，因此得到了船舶綜合電力推進系統(tǒng)供應商青睞，比如船舶電力推進系統(tǒng)三大供應商之一的西門子就開發(fā)出了以永磁同步電機為SPP 推進系統(tǒng)。永磁同步電機在混合動力汽車領域的應用。日本 1965 年就開始研制電動車，于 1967 年成立了日本電動車協(xié)會。歐洲許多發(fā)達國家很早就開始了對電動車的研究。綜上，永磁電機得到了非常廣泛的應用，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領域。 永磁同步電機的數(shù)學模型數(shù)學模型能夠描述實際系統(tǒng)各物理量之間的關系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機的定子與普通勵磁同步電機的定子一樣都是三相對稱繞組。以三相星形 180176。為了便于分析，假定：(1)磁路不飽和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換向過程和電樞反映的影響；(3)三相繞組對稱，永久磁銅的磁場沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；(5)驅(qū)動二極管和續(xù)流二極管為理想元件；(6)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。電角度，每相繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置角有關，其中轉(zhuǎn)子永磁磁鏈在每相繞組中產(chǎn)生反電動勢。dtp? 磁鏈方程及感應電動勢方程（一）磁鏈方程 定子每相繞組磁鏈不僅與三相繞組電流有關，而且與轉(zhuǎn)子永磁極的勵磁磁場和轉(zhuǎn)子的位置角有關，因此磁鏈方程可以表示為： （25）ψMLψfAiiiCABAA??? （26）fBCB （27）fCCBAii其中： 每相繞組互感；L,CB 兩相繞組互感；M,MACCBA?? 三相繞組匝鏈的磁鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈。對每一相定子電樞繞組來說，旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場會在繞組中感應電勢，稱為運動電勢。而與繞組軸線重合的脈振磁場ψf?則產(chǎn)生感應電勢。 永磁同步電機在各個坐標系下的數(shù)學模型對于三相永磁同步電機來說，它是一個具有多變量、解耦合及非線性的復雜系統(tǒng)，要想對它進行直接控制是十分困難的，因此借助于坐標變換，將它解耦，使各物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，此時，同步坐標系中的各空間向量就都變成了直流量，這樣就把定子電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變成標量獨立開來，對這些給定量實時控制，就能達到直流電機的控制性能了?？臻g電角度，構成了一個 ABC 三相坐標系，如圖 23 所示。圖 23 三相靜止坐標系 磁同步電機 坐標系下數(shù)學模型??定義一個兩相直角坐標系（ 軸系）它的 軸和三相靜止坐標系的 Aα軸重合， 軸逆時針超前 軸 90176。由于 軸固定在定子 A 相繞組軸線，故Vj?坐標系亦為靜止坐標系?？臻g電角度，如圖 24 所示，該坐標系和轉(zhuǎn)子一起在空間上以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，故為旋轉(zhuǎn)坐標系。簡而言之，PMSM 是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON） ，要么完全無（OFF ） 。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電 。PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或?qū)⑦壿?0 改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。PWM 控制技術一直是變頻技術的核心技術之一。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比較，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM 信號以控制功率器件開光開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實時在線的 PWM 信號輸出，可以說直到目前為止， PWM 在各種應用場合仍在主導地位，并一直是人們研究的熱點。由此在交流傳動及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應用。正弦 PWM 已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形、降低電源系統(tǒng)諧波的多重 PWM 技術在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢（如 ABB ACS1000 系列和美國 ROBICON 公司的完美無諧波系列等） ；而優(yōu)化 PWM 所追求的則是實現(xiàn)電流諧波畸變率（ THD）最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。為求得改善，隨機 PWM 方法應運而生。正應為如此，即使在 IGBT 已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機 PWM 仍然有其特殊的價值；另一方面則告訴人們消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作效率，因為隨機 PWM 技術提供了一個分析、解決問題的全新思路。PMSM 系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應速度快等性能。對于 PMSM 的控制，通常有兩種控制方式，一種是針對電流的滯環(huán)控制，另一種是采用電壓控制。PMSM 系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)構成的二環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個系統(tǒng)高性能的基礎，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定子電流對矢量控制指令的準確跟蹤，這樣才能在電機模型中將定子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達到矢量控制的目的。電流控制是電動機轉(zhuǎn)矩控制的基礎，電流控制的目的是使三相定子電流嚴格地跟蹤正弦的電流給定信號，對于 PMSM 它是一種正弦波反電動勢的永磁電動機，為了獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，定子電流必須是相互平衡且為轉(zhuǎn)子電角度位移的正弦函數(shù)。 B、C 二相的原理圖均與此相同。如果且 ，則滯環(huán)控制器輸出正電平，驅(qū)動上橋臂功率開關器iaref?haref??i件 V1 導通，此時逆變器輸出正電壓，使實際電流增大。 PMSM 控制系統(tǒng)的組成PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型主要由 PMSM 本體模塊、dq 向 abc 轉(zhuǎn)換模塊如圖 34 、電流調(diào)節(jié)器如圖 33 、速度調(diào)節(jié)器如圖 32 組成，如圖 31 是一個典型的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)結構的系統(tǒng)。長期以來，直流電機廣泛應用于電機調(diào)速領域，這是因為直流電機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。20 世紀 30 年代以來，交流電機理論在同步電機雙反應原理、旋轉(zhuǎn)坐標變換等理論基礎上逐步形成了交流電機派克方程，而后又由布朗進一步建立了電機的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機與直流電機的同一樣性。磁場定向控制系統(tǒng)的特點是通過坐標變換，把交流電機在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系上等效成直流電機，從而磨坊直流電機進行控制，使交流調(diào)速達到并超出傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速性能。仿效直流電機電流與同正交解耦可分別控制轉(zhuǎn)矩特性，講旋轉(zhuǎn)的電機磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標變換方法把定子電流變換為轉(zhuǎn)矩電流分量的激磁電流分量，相互正交，可以分別獨立控制，這種通過坐標變換重構的電機模型可以等效為直流電機，從而像直流電機一樣實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準確控制。這種電機通過正弦電流和連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號進行控制，理論上可獲得平衡轉(zhuǎn)矩。對于一般的三相交流電機，采用坐標變換，將三相交流繞組等效為兩相互相垂直的交流繞組或旋轉(zhuǎn)的兩相直流繞組，變換后系統(tǒng)變量之間得到部分解耦，從而使得系統(tǒng)分析和控制大為簡化。永磁同步電機的氣隙長度在物理上是均勻的，但由于永磁材料的磁阻和鐵磁材料的磁阻不一樣，氣隙磁阻的分布并不均勻，通常 d 軸即磁極軸線的磁阻比 q 軸相鄰兩個磁極磁阻的中性線的磁阻大。輸出端 M 用于測量和觀察同步電機的工作狀態(tài)圖 35 永磁同步電機模圖 36 永磁同步電機模型參數(shù)對話框永磁同步電機模型可工作在發(fā)電狀態(tài)或電動狀態(tài)，它的工作方式取決于輸入機械轉(zhuǎn)矩極性，如果輸入機械轉(zhuǎn)矩為正，則工作在發(fā)電狀態(tài)，如果輸入機械轉(zhuǎn)矩為負，則工作在電動狀態(tài)。永磁同步電機模型建立在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 dq 上，所有參數(shù)也是折算到旋轉(zhuǎn)坐標系上。Te機械方程： )T(1)*(t merFJrd???t?式中， 為轉(zhuǎn)子和負載的轉(zhuǎn)動慣量； 為轉(zhuǎn)子和負載的摩擦系數(shù)； 為轉(zhuǎn)J ?子位置角； 為軸上機械轉(zhuǎn)矩。這兩個變換都是定子側(cè)的電流旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)原則是，不論怎么變換其實都是一種遐想的坐標系，都只有原始的三相繞組，通三相電流。實際矢量控制時，這一切變換都是在計算機里完成，最后又通過控制三相電流的，但此時的三相電流給定值可以保證這個“狀態(tài)量”是我想要的那個數(shù)值。圖 43 定子靜止三相到靜止兩相的轉(zhuǎn)圖 44 靜止兩相到旋轉(zhuǎn)兩相的變換A clarke 變化claeke 變換是從固定的定子三相坐標 （繞線繞的時候，三相坐標就OABC已經(jīng)形成）到固定的兩相坐標（假想的， 的 軸與三相的 A 軸重合） 。 （如果是電流的變換就不需要乘了）則有 （41）)176。120cosN332 ????iii CBA? （42）nn0?式中 和 分別是兩相繞組和三相繞組的有效匝數(shù)。開始時我認為 匝數(shù)比大一些，23 2兩相電流值小一些，反之，電流值大一些。求出這兩個數(shù)。考慮到矩陣變換中正交變換不改變矢量的長度。則中間變換矩陣應該是正交矩陣的部分行。添加零軸電流坐標 ，轉(zhuǎn)換矩陣添加i0與線性無關的行。Clarke…..逆變換： ……….…（49）????????????????iiiCBA ??2301B Park 變換Park 變換是從靜止的兩相坐標系到固定在轉(zhuǎn)子上的運動兩相坐標系之間的轉(zhuǎn)換。Park…….變換： ………………（4??????????????iissTM???coin10）Park…..逆變換： ……………..（4?????????????ii TMss??coin11）電機控制電機的速度是通過在電機定子三相繞組中通入合適的交流電壓，產(chǎn)生粗長，最終在轉(zhuǎn)子上施加扭矩，使轉(zhuǎn)子帶動負載旋轉(zhuǎn)的。因此， “施加扭矩”就成了一個關鍵的狀態(tài)量。也就是說，驅(qū)動器可以精確地控制每個相的電流，在正負額定電流之間按需分配。比例積分調(diào)節(jié)器有兩個動態(tài)參數(shù)；比例增益 和積分增益 。比例調(diào)節(jié)器將輸入的pi偏差信號放大輸出，同時通過積分調(diào)節(jié)器將輸入的偏差信號按時間逐漸積累從而消除靜差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。圖 46 性能指標的階躍響應曲線PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （412）SsipCK)(G??兩個運算放大器傳遞函數(shù)為： （413）sssinC CR)(E)( 21120??比較（1） 、 （2）得： （414） RK12?p （4i15）三運算放大器的傳遞函數(shù)為： （4sss iinC CR)(E)(G2120???16）因此 PI 控制器參數(shù)與電路原件參數(shù)關系為： （4RK12p17） （4Cii?18）電路的優(yōu)點的 和 的值之間相互獨立；但不論哪種電路， 的值都Kpi Ki與電容值成倒數(shù)關系，有效的 PI 控制設計一般要求小的 值，因此我們必須i再次注意不符合實際的大電容值。pis?2 在前向通道傳遞函數(shù) S=0 處增加了一個零點，這說明控制系統(tǒng)從 1 型變?yōu)?2 型。如果參考輸入是斜坡函數(shù)，前向通道傳遞函數(shù)為式（3）的控制系統(tǒng)會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。Kpi系統(tǒng)加入 PI 控制器后，從 1 型系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為 2 型系統(tǒng)，對于穩(wěn)定的 2 型系統(tǒng)，在斜坡信號響應時輸出穩(wěn)態(tài)誤差一直為零， 不再對控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有Kp影響。 利用 SIMULINK 構建 PMSM 控制系統(tǒng)仿真模型應用 MATLAB/Simulink 與電氣傳動仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫建立了分別基于電流滯環(huán)控制和三角載波比較跟蹤控制的 PMSM 系統(tǒng)矢量控制仿真結構圖，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為 PI 型；速度給定值與實際電角速度相比較后經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，輸出為交軸電流參考值，直軸電流給定值?；谏鲜鲇来磐诫妱訖C在 dq 坐標系中的狀態(tài)空間模型。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為 PI 型，積分常數(shù)取 ，比例常數(shù)為 50，飽和限制的正負幅值為 30，其功能為解決由于轉(zhuǎn)矩波動引起的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩問題，使轉(zhuǎn)速幾乎無靜差。電流調(diào)節(jié)器即為三相電流源型逆變器，采用滯環(huán)電流控制方法，實現(xiàn)電流逆變，應用 PWM 控制技術的變壓變頻器都是電壓源型的，它可以按需要方便的控制其輸出電壓，對于交流電動機，實際應該保證的應是正弦波電流，因為只有在交流電動機繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動成分。電流控制的精度與滯環(huán)的寬度有關，同時還受到功率開關器件允許開關頻率的制約。實際中，應在充分應用器件開關頻率的前提下，正確的選擇盡可能小的環(huán)寬。輸出端用于測量和觀察 PMSM 的工作狀態(tài)。有 PMSM Measurement Demux 模塊分解為 10 個標量輸出（ 1~3 為三相電流 ，4Icb、a和 5 為 ，6 和 7 為 ，8 為點角速度 ，9 為電角度 ，10 為電Idq、 udq、 ?eθe磁轉(zhuǎn)矩 ） ，值得注意的是，電氣系統(tǒng)模型庫要求系統(tǒng)中至少有一個測量環(huán)節(jié)。在轉(zhuǎn)速給定值為 400rad/s 及負載突變的情況下，對該系統(tǒng) SIMULINK模型進行仿真，得到轉(zhuǎn)矩和三相電流的曲線如圖 47 和圖 48 所示。具有一定的使用