交流伺服電機(jī).doc

摘 要在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，矢量控制原理以及空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)使得交流電機(jī)能夠獲得和直流電機(jī)相媲美的性能。永磁同步電機(jī)(PMSM)是一個(gè)復(fù)雜耦合的非線性系統(tǒng)。Matlab/Simulink中建立獨(dú)立的功能模塊主要有：PMSM本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊等。永磁同步電機(jī)(PMSM)是一個(gè)復(fù)雜耦合的非線性系統(tǒng)。本文描述了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單介紹了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，并在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過(guò)對(duì)PMSM本體、d/q坐標(biāo)系向a/b/c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等模塊的建立與組合，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)模型的有效性。 關(guān)鍵字：交流伺服電機(jī)，控制系統(tǒng)，仿真，Matlab/SimulinkABSTRACT In the modern ac servo system, the vector control principle and space voltage vector pulse width modulation (SVPWM) technology makes ac motor can get and dc motor comparable performance. The permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a complex coupled nonlinear system. Matlab/Simulink in the establishment of an independent function module mainly has: PMSM ontology modules, vector control module, current hysteresis control module, speed control module, etc. The permanent magnet synchronous motor (PMSM) is a complex coupled nonlinear system. This paper describes the permanent magnet synchronous motor control system development condition, structure and mathematical model, introduced the permanent magnet synchronous motor control system of the working principle, and in Matlab/Simulink environment, through to the PMSM ontology, d/q coordinate system to the a/b/c coordinate system and the establishment of the conversion module and combination, to construct the permanent magnet synchronous motor control system simulation model. The simulation results prove the validity of the model of the system.KEY WORDS:AC servo system ,simulation,Matlab/Simulink目 錄摘 要IABSTRACTII目 錄III第1章 緒 論11.1 課題背景及研究意義11.2 國(guó)內(nèi)外交流伺服控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀31.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容4第2章 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制方法52.1 永磁同步電機(jī)概述52.1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)52.1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型62.1.3 永磁同步電機(jī)中的坐標(biāo)變換62.2 在定子坐標(biāo)ABC和-上的數(shù)學(xué)模型92.3 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上的數(shù)學(xué)模型10第3章 交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理123.1 PWM（PULSE-WIDTH MODULATION）技術(shù)123.2 PMSM控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理12第4章 交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)174.1 MATLAB簡(jiǎn)介174.1.1 MATLAB特點(diǎn)174.1.2 MATLAB優(yōu)勢(shì)174.1.3 Simulink簡(jiǎn)介174.2 PI調(diào)節(jié)器184.3 仿真模型的建立214.4 仿真結(jié)果23第5章 結(jié)論與展望25致 謝27參考文獻(xiàn)2828第1章 緒 論1.1 課題背景及研究意義交流伺服技術(shù)是研制開(kāi)發(fā)各種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)備，如工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、加工中心等的關(guān)鍵性技術(shù)，目前高性能數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人所采用的電機(jī)伺服系統(tǒng)仍然主要依靠進(jìn)1:3，這種現(xiàn)狀限制了我國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 因此，通過(guò)借鑒國(guó)外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從高起點(diǎn)出發(fā)，盡早研制出具有當(dāng)今國(guó)際水平的高性能、實(shí)用化的交流伺服系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)航空、航天、國(guó)防及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的發(fā)展，跟蹤和趕上世界先進(jìn)水平均有重要意義。伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)展階段相聯(lián)系，伺服電動(dòng)機(jī)至今已有五十多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段1： 第一發(fā)展階段（20世紀(jì)60年代以前），此階段是以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓伺服馬達(dá)或以功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)為中心的時(shí)代，伺服系統(tǒng)的位置控制為開(kāi) 環(huán)系統(tǒng)。第二個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)6070年代），這一階段是直流伺服電動(dòng)機(jī)的誕生和全盛發(fā)展的時(shí)代，由于直流電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，很多高性能驅(qū)動(dòng)裝置采用了直流電動(dòng)機(jī)，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開(kāi)環(huán)系統(tǒng)發(fā)展成為閉環(huán)系統(tǒng)。第三個(gè)發(fā)展階段（20世紀(jì)80年代至今），這一階段是以機(jī)電一體化時(shí)代作為背景的，由于伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其永磁材料、控制技術(shù)的突破性進(jìn)展，出現(xiàn)了無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)（方波驅(qū)動(dòng)），交流伺服電動(dòng)機(jī)（正弦波驅(qū)動(dòng)）等各種新型電動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)相比較，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是以半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件代替了由換向器和電刷組成的機(jī)械換向機(jī)構(gòu)。由于沒(méi)有滑動(dòng)電接觸， 也就消除了換向器的機(jī)械磨損、換向火花和電磁干擾。其轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁， 不僅沒(méi)有勵(lì)磁損耗，而且保持了有刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速特性，提高了電機(jī)的整體效率。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)按其繞阻反電勢(shì)BEMF的波形和電流的波形可分為兩大類(lèi)：方波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和正弦波無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)或正弦波交流伺服電動(dòng)機(jī)。目前，在中小功率電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在一些要求高轉(zhuǎn)速、高精度、高動(dòng)態(tài)性能的場(chǎng)合,以永磁同步電機(jī)為代表的交流伺服系統(tǒng)已顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)，并得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要介紹一下方波永磁同步電機(jī)和正弦波永磁同步電機(jī)的性能及其控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。方波永磁同步電機(jī)（又稱(chēng)無(wú)刷直流電機(jī)）的氣隙磁密通常設(shè)計(jì)為方波或接近方波，電機(jī)由方波或梯形波電流驅(qū)動(dòng)，以期獲得更大的電磁轉(zhuǎn)矩。方波永磁同步電機(jī)由功率開(kāi)關(guān)器件取代直流電機(jī)的換向器，其控制原理由直流電機(jī)發(fā)展而來(lái)，采用兩相導(dǎo)通控制策略，開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)嚴(yán)格由轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)決定。方波永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)通常由無(wú)接觸式霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)，霍爾 元件數(shù)與相數(shù)相同，空間角度安排可按120或60兩種方式。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)使三個(gè)霍爾元件發(fā)出三路相位互差為120，占空比為1:1的方波脈沖，該信號(hào)經(jīng)邏輯運(yùn)算產(chǎn)生開(kāi)關(guān)功率器件的觸發(fā)信號(hào)。方波永磁同步電機(jī)控制方法簡(jiǎn)單，對(duì)控制器的性能要求較低，可獲得類(lèi)似于直流電機(jī)的運(yùn)行特性。方波永磁同步電機(jī)的不足之處是轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)較大，特別是在低速段，這一缺陷更加明顯，能否解決這一問(wèn)題成為方波永磁同步電機(jī)應(yīng)用于高精度場(chǎng)合的關(guān)鍵。造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的原因主要是齒槽效應(yīng)、磁通畸變和相繞組換流引起的電流波動(dòng)2。正弦波永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)永磁同步電機(jī)，即PMSM(Permanent Magnet Motor)。它的氣隙磁密通常設(shè)計(jì)為正弦波或接近正弦波，其工作原理由交流電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速發(fā)展而來(lái)，采用三相導(dǎo)通控制策略，由正弦電Synchronous流驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，常用于高性能的伺服系統(tǒng)中。正弦波永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制方法相對(duì)于方波永磁同步電機(jī)要復(fù)雜得多，一般需要高性能的控制器實(shí)現(xiàn)。隨著微電子技術(shù)的高速發(fā)展，各種高性能微處理器相繼問(wèn)世，它們的應(yīng)用極大地提高了伺服系統(tǒng)的控制精度和可靠性。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用高性能的稀土永磁材料，使得電機(jī)尺寸減??；由于 發(fā)熱主體在定子側(cè)，散熱也比較容易。這些優(yōu)點(diǎn)使得永磁同步交流伺服系統(tǒng)已 成為現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的主流。但由于PMSM的控制比直流電機(jī)要復(fù)雜得多，且市場(chǎng)上出售的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不具有開(kāi)放性，給交流伺服系統(tǒng)的特性研究帶來(lái)很大困難。在控制策略上，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的電壓頻率控制方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特性，目前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦數(shù)學(xué)模型的矢量控制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法。雖然人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高控制特性和穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制等理論，還有不依賴(lài)數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法，但是大多在矢量控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。還有，高性能伺服控制必須依賴(lài)高精度的轉(zhuǎn)子位置反饋，人們一直希望取消這個(gè)環(huán)節(jié)，發(fā)展了無(wú)位置傳感器技術(shù)(Sensor-less Control)。至今，在商品化的產(chǎn)品中，采用無(wú)位置傳感器 技術(shù)只能達(dá)到大約1:100的調(diào)速比，可以用在一些低檔的對(duì)位置和速度精度要求不高的伺服控制場(chǎng)合中，比如單純追求快速起停和制動(dòng)的縫紉機(jī)伺服控制，這個(gè)技術(shù)的高性能化還有很長(zhǎng)的路要走。 基于以上情況，研究各種新的控制算法，是很有意義的3。1.2 國(guó)內(nèi)外交流伺服控制系統(tǒng)的現(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，不考慮成本因素。 主要研究機(jī)構(gòu)是北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所等。80 年代之后開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000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足工業(yè)需要。2000年之后，隨著中國(guó)變成世界工廠，制造業(yè)的快速發(fā)展為交流伺服提供了越來(lái)越大的市場(chǎng)空間， 國(guó)內(nèi)幾家單位開(kāi)始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。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)用模塊也不足為奇。其他特性包括通過(guò)空氣，油或水進(jìn)行冷卻的模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)能量再生系統(tǒng)確保環(huán)境的安全性。在國(guó)內(nèi)，我們還沒(méi)有看到有廠商進(jìn)行類(lèi)似的模塊式設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全概念。國(guó)際廠商伺服產(chǎn)品每5年就會(huì)換代，新的功率器件或模塊每22.5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?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場(chǎng)需求的變化，可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢(shì)4： 1、高效率化：主要包括電機(jī)本身的高效率比如永磁材料性能的改進(jìn)和更好的磁鐵安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效率化，包括逆變器驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)化，加減速運(yùn)動(dòng)的優(yōu)化，再生制動(dòng)和能量反饋以及更好的冷卻方式等。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。 3、高速、高精、高性能化：采用更高精度的編碼器（每轉(zhuǎn)百萬(wàn)脈沖級(jí)），更 高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無(wú)齒槽效應(yīng)的高性能旋轉(zhuǎn)電機(jī)，以及應(yīng)用自適應(yīng)、人工智能等各種現(xiàn)代控制策略，不斷將伺服系統(tǒng)的指標(biāo)提高。 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?？梢允褂秒姍C(jī)本身配置的反饋構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過(guò)接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。 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。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)等控制功能和驅(qū)動(dòng)結(jié)合在一起。 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)Internet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。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時(shí)評(píng)估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時(shí)監(jiān)視溫度傳感器，以及對(duì)電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕5。 1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文描述了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)單介紹了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，并在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過(guò)對(duì)PMSM本體、d/q坐標(biāo)系向a/b/c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等模塊的建立與組合，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型。第2章 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及控制方法2.1 永磁同步電機(jī)概述 交流伺服系統(tǒng)按執(zhí)行元件的不同可分兩類(lèi)：一類(lèi)為籠型異步電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)：另一類(lèi)為永磁同步電機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)。這兩種伺服驅(qū)動(dòng)在結(jié)構(gòu)上非常相似，因?yàn)楦鶕?jù)矢量控制原理，不管電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如何，二者的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理相同。不同的是永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有一個(gè)磁極位置傳感器而異步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)中含有一個(gè)滑差頻率計(jì)算電路。由于異步電動(dòng)機(jī)具有自身難以克服的缺點(diǎn)，如： 1、需從定子側(cè)勵(lì)磁，因此，電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)低，造成變頻裝置輸入的功率因素也低。和同容量的同步電動(dòng)機(jī)相比，所用變頻裝置容量大。 2、轉(zhuǎn)子參數(shù)受溫度影響而發(fā)生變化，產(chǎn)生控制誤差，影響其控制精度。 3、為提高其功率因數(shù)及效率，需盡量減少定轉(zhuǎn)子間氣隙。這使得制造困難，并且不適臺(tái)工作于沖擊振動(dòng)大的場(chǎng)合。本章將闡述永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，及其常用的控制方法。2.1.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類(lèi) 永磁同步電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)體三大部分組成，由于永磁同步電機(jī)是由繞線式同步電機(jī)發(fā)展起來(lái)的，因此其定子結(jié)構(gòu)與繞線式同步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，由三相繞組以及鐵心構(gòu)成。定子三相繞組通過(guò)三相交流電，產(chǎn)生與電源頻率同步的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，永磁同步電動(dòng)機(jī)用永磁體取代電勵(lì)磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。機(jī)體是整個(gè)電機(jī)的支撐框架，是整個(gè)系統(tǒng)的依托，它的好壞直接影響整個(gè)電機(jī)的性能。由于永磁同步電機(jī)具有高效、高轉(zhuǎn)矩慣量比、高氣隙磁場(chǎng)密度等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)中。圖2.1是永磁同步電機(jī)(單極)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2-l永磁同步電機(jī)(單極)結(jié)構(gòu)示意圖 由永磁體構(gòu)造的轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)，將在空間上形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，切割定子三相繞組，并在定子繞組上形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的不同，將永磁同步電機(jī)分為正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，我們習(xí)慣稱(chēng)正弦波永磁同步電機(jī)為永磁同步電機(jī)；把梯形波永磁同步電機(jī)稱(chēng)為直流無(wú)刷電機(jī)，因?yàn)槠湓诳刂粕细咏谥绷麟姍C(jī)的控制。2.1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型是描述實(shí)際系統(tǒng)性能和各物理量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)于永磁同步電機(jī)這類(lèi)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是分析電機(jī)性能、設(shè)計(jì)電機(jī)及其控制的基礎(chǔ)，同時(shí)也為改善控制系統(tǒng)的性能提供了理論依據(jù)。 在討論永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型前，認(rèn)為電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子具有光滑的表面，忽略鐵心磁飽和、不計(jì)渦流和磁滯損耗，永磁材料的電導(dǎo)率為零，定子三相對(duì)稱(chēng)，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組并且在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形為正弦。以上幾點(diǎn)就形成了我們要研究的理想電機(jī)。雖然實(shí)際的永磁同步電機(jī)可能不具備理想電機(jī)的苛刻條件，但是這樣可以使分析工作大大簡(jiǎn)化。況且也可以采用修正相關(guān)參數(shù)等辦法來(lái)彌補(bǔ)。下面研究的工作都是建立在坐標(biāo)變換原理的基礎(chǔ)上。所以先討論坐標(biāo)變換。2.1.3 永磁同步電機(jī)中的坐標(biāo)變換 在永磁同步電機(jī)中存在兩種坐標(biāo)系，一種是固定在定子上的，它相對(duì)我們是靜止的，即：三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC和兩相靜止坐標(biāo)系a-p，它們的方向和定子三相繞組的位置相對(duì)固定，另一種是固定在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，我們通常稱(chēng)之為d-q坐標(biāo)系，其中d軸跟單磁極的N極方向相同，即和磁力線的方向相同，g軸超前d軸90度。圖22是定子兩相靜止坐標(biāo)系投節(jié)與轉(zhuǎn)子兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的位置關(guān)系圖。 在矢量控制中，我們獲取的是定子繞組上的三相電流，所以我們還需要解決的問(wèn)題是怎么讓三相電流產(chǎn)生等效電流矢量，等效到a-坐標(biāo)系和d-q坐標(biāo)系中去。圖23是定子三相坐標(biāo)ABC與兩相坐標(biāo)a-的位置關(guān)系圖。 圖2-2 a-坐標(biāo)系與d-q坐標(biāo)系的位置關(guān)系圖 圖2-3 ABC與a-的位置關(guān)系圖對(duì)任意矢量有 （2-1）同時(shí)有 把電流在圖2-3中分解得（其中分別是向量在軸，軸，A軸，B軸，C軸上的投影） （2-2）把該式寫(xiě)成矩陣形式，得到他們的轉(zhuǎn)化陣為 （2-3）考慮到電樞繞組在不同坐標(biāo)系的合成磁勢(shì)相等和功率不變等因素，需要在他前面加個(gè)系數(shù)。-/ABC變換也稱(chēng)Clarke變換（3/2變換）如下 （2-4）ABC/-變換也稱(chēng)Clarke逆變換（2/3變換）如下 (2-5)d-q/-也稱(chēng)Park變換（交/直變換）和其逆變換（直/交變換）如下 （2-6）式中為兩個(gè)坐標(biāo)系之間的夾角。2.2 在定子坐標(biāo)ABC和-上的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)定子三相集中繞組分別為ABC，各相繞組的中心線在與轉(zhuǎn)子軸垂直的平面上，分布如圖2-4所示。三相繞組在空間上對(duì)稱(chēng)分布，而且通入三相繞組中的電流是對(duì)稱(chēng)的，又不考慮磁場(chǎng)的各次諧波則有以下條件成立 （2-7）圖2-4 三相集中繞組分布圖基于以上條件，三相繞組的電壓方程可寫(xiě)為 （2-8）同理，根據(jù)前面介紹的Clark變換可以得到電機(jī)在-坐標(biāo)系下的方程。2.3 在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上的數(shù)學(xué)模型對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，用固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)來(lái)描述和分析其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能是十分方便的。圖2-5是d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與ABC坐標(biāo)系的位置關(guān)系。圖2-5 d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與ABC坐標(biāo)系其電路方程如下 （2-9）其中：，為d，q軸上的主電感；R為定子內(nèi)阻；，為d，q軸上的電流分量；，為d，q軸上的電壓分量；為轉(zhuǎn)子角速度；為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為電磁轉(zhuǎn)矩。運(yùn)動(dòng)方程如下 （2-10）式中：，J分別為電機(jī)阻轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。第3章 交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理3.1 PWM（PULSE-WIDTH MODULATION）技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，從測(cè)量、通信到功率控制與變換等許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無(wú)（OFF）。電壓或電流是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電 。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)5轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。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(hào)以控制功率器件開(kāi)光開(kāi)始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說(shuō)直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類(lèi)，正弦PWM（包括電壓、電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類(lèi)），優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM4。電流環(huán)是PMSM系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。PMSM系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能。在PMSM系統(tǒng)的電流環(huán)中，必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電流頻率。對(duì)于PMSM的控制，通常有兩種控制方式，一種是針對(duì)電流的滯環(huán)控制，另一種是采用電壓控制。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快，主要用在模擬控制中；電壓控制的理論基礎(chǔ)是空間矢量PWM控制，提高了逆變器的電壓輸出能力，保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，適合數(shù)字控制。PMSM系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)構(gòu)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(gè)系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴(lài)于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其的電流環(huán)，他是高性能PMSM系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)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(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。電流控制是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)，電流控制的目的是使三相定子電流嚴(yán)格地跟蹤正弦的電流給定信號(hào)，對(duì)于PMSM它是一種正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁電動(dòng)機(jī)，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)7。3.2 PMSM控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場(chǎng)相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)是復(fù)雜耦合的，不能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長(zhǎng)期以來(lái)成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。20世紀(jì)30年代以來(lái)，交流電機(jī)理論在同步電機(jī)雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機(jī)派克方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電機(jī)的同一樣性。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上，1971年德國(guó)西門(mén)子公司的F.Blasschke 等發(fā)表的論文感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理和美國(guó)P.C.Custman與A.A.Clark申請(qǐng)的專(zhuān)利感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制，經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者和工程師的研究、實(shí)踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普通應(yīng)用的交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，也成矢量控制系統(tǒng)。磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而磨坊直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流調(diào)速達(dá)到并超出傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。仿效直流電機(jī)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(jī)磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(dú)立控制，這種通過(guò)坐標(biāo)變換重構(gòu)的電機(jī)模型可以等效為直流電機(jī)，從而像直流電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準(zhǔn)確控制。由于收到功率開(kāi)關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展水平的制約，永磁同步電機(jī)最初都采用矩形波形式，在原理和控制方式上基本與直流電機(jī)系統(tǒng)類(lèi)似，習(xí)慣稱(chēng)為永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)通過(guò)正弦電流和連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行控制，理論上可獲得平衡轉(zhuǎn)矩。交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。對(duì)于一般的三相交流電機(jī)，采用坐標(biāo)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(jiǎn)化。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁永久磁鐵提供。永磁同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)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(gè)磁極磁阻的中性線的磁阻大。永磁同步電機(jī)模型如圖，有四個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其中A，B，C鏈接三相電壓，輸入端TM接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)。輸出端M用于測(cè)量和觀察同步電機(jī)的工作狀態(tài)圖 3-5 永磁同步電機(jī)模塊、圖 3-6 永磁同步電機(jī)模型參數(shù)對(duì)話框永磁同步電機(jī)模型可工作在發(fā)電狀態(tài)或電動(dòng)狀態(tài)，它的工作方式取決于輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩極性，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為正，則工作在發(fā)電狀態(tài)，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為負(fù)，則工作在電動(dòng)狀態(tài)。永磁同步電機(jī)的電氣部分和機(jī)械部分都用二階狀態(tài)方程表示，并且模型假定定子磁通是爭(zhēng)先分布的，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是正弦的。永磁同步電機(jī)模型建立在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上，所有參數(shù)也是折算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。電機(jī)方程如下：電路方程為： 式中，為軸電成；為定子繞組電阻；為軸電流分量；為軸電壓分量；為轉(zhuǎn)子角速度；為極對(duì)數(shù)；為電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)械方程：式中，為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的摩擦系數(shù)；為轉(zhuǎn)子位置角；為軸上機(jī)械轉(zhuǎn)矩。第4章 交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)仿真的實(shí)現(xiàn)4.1 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡(jiǎn)稱(chēng)，是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。4.1.1 MATLAB特點(diǎn)81、 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶(hù)從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；2、 具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；3、 友好的用戶(hù)界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；4、 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶(hù)提供了大量方便實(shí)用的處理工具。 4.1.2 MATLAB優(yōu)勢(shì)1、 友好的工作平臺(tái)編程環(huán)境2、簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言3、強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力4、出色的圖形處理功能5、應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱6、實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)7、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)（包括用戶(hù)界面）4.1.3 Simulink簡(jiǎn)介9Simutink是一種用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具。它是MATLAB的一個(gè)附加組件，用來(lái)提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)。Simulink是用模塊組臺(tái)的方法來(lái)使用戶(hù)能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型的，特別對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。Simulink模型可以用來(lái)模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說(shuō)它可以用來(lái)模擬幾乎所有可能遇到的系統(tǒng)。另外，Simulink還提供了一套圖形動(dòng)畫(huà)的處理方法使用戶(hù)可以方便地觀察到仿真的整個(gè)過(guò)程。Simulink沒(méi)有單獨(dú)的語(yǔ)言，但它可以提供S函數(shù)規(guī)則。所謂的S函數(shù)可以是一個(gè)M文件、Fortran程序、C/C+語(yǔ)言程序等，通過(guò)特殊的語(yǔ)法規(guī)則使之能夠被Simulink模型或模塊調(diào)用。S函數(shù)使Simulink更加充實(shí)、完備，具有更強(qiáng)的處理能力。同MATLAB一樣，Simulink也不是封閉的，它允許用戶(hù)可以很方便地定制自己的模塊和模型庫(kù)。同時(shí)Simutink也同樣有比較完整的幫助系統(tǒng)，使用戶(hù)可以隨時(shí)找到對(duì)應(yīng)模塊的說(shuō)明，便于應(yīng)用。 由于MATLAB具有以上其他計(jì)算語(yǔ)言無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前它己作為工程和科學(xué)教育界的一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4.2 PI調(diào)節(jié)器正確選取PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。比例積分調(diào)節(jié)器有兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)；比例增益和積分增益。對(duì)于偏差信號(hào)，如果只調(diào)節(jié)，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，沒(méi)有滯后現(xiàn)象，但有靜差；如果只調(diào)節(jié)，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，有滯后現(xiàn)象，但沒(méi)有靜差；因此，對(duì)于比例增益和積分增益，一般都采用組合使用。比例調(diào)節(jié)器將輸入的偏差信號(hào)放大輸出，同時(shí)通過(guò)積分調(diào)節(jié)器將輸入的偏差信號(hào)按時(shí)間逐漸積累從而消除靜差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)9。圖4-5 PI調(diào)節(jié)器控制原理流程圖線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)決定于系統(tǒng)本身的特性，而與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)，同一個(gè)線性系統(tǒng)對(duì)不同幅值階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)間的區(qū)別，僅在于幅值成比例地變化，響應(yīng)時(shí)間完全相同，單位階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線，其中各參數(shù)含義如下：(1)延遲時(shí)間，相應(yīng)曲線第一次達(dá)到穩(wěn)定值的一半所需的時(shí)間；(2)上升時(shí)間，相應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%100%所需的時(shí)間；(3)峰值時(shí)間，相應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；(4)最大超調(diào)量，從1開(kāi)始計(jì)算相應(yīng)曲線的最大超調(diào)值；(5)調(diào)整時(shí)間，在相應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)作為一個(gè)允許范圍，相應(yīng)曲線第一次到達(dá)并保持在這一允許誤差范圍所需的時(shí)間；(6)靜差，指動(dòng)態(tài)過(guò)程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，可正可負(fù)，靜差用表示，數(shù)值大小由生產(chǎn)過(guò)程所要求的精度來(lái)確定，如果=0，為無(wú)差調(diào)節(jié)，如果0，為有差調(diào)節(jié)，靜差屬于調(diào)整精度的一個(gè)重要指標(biāo)。圖 4-6 性能指標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： （4-12）兩個(gè)運(yùn)算放大器傳遞函數(shù)為： （4-13）比較（1）、（2）得： （4-14） （4-15）三運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)為： （4-16）因此PI控制器參數(shù)與電路原件參數(shù)關(guān)系為： （4-17） （4-18）電路的優(yōu)點(diǎn)的和的值之間相互獨(dú)立；但不論哪種電路，的值都與電容值成倒數(shù)關(guān)系，有效的PI控制設(shè)計(jì)一般要求小的值，因此我們必須再次注意不符合實(shí)際的大電容值。校正系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為： （4-19）顯然PI控制器的作用為：1 在前向通道傳遞函數(shù)處增加了一個(gè)零點(diǎn)。2 在前向通道傳遞函數(shù)S=0處增加了一個(gè)零點(diǎn)，這說(shuō)明控制系統(tǒng)從1型變?yōu)?型。因此，原始系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以得以改善，即如果響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)，PI控制將會(huì)減小到0。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(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。但因?yàn)橄到y(tǒng)是三階的，它可能臂二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)形更差，甚至如果和的值選擇不當(dāng)系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。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(duì)于穩(wěn)定的2型系統(tǒng)，在斜坡信號(hào)響應(yīng)時(shí)輸出穩(wěn)態(tài)誤差一直為零，不再對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有影響。現(xiàn)在的問(wèn)題就是選擇合適的值才能夠得到滿意的瞬態(tài)響應(yīng)。4.3 仿真模型的建立永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真可由MATLAB/Simulink來(lái)實(shí)現(xiàn)，其仿真模型如圖4-1。PMSM控制系統(tǒng)仿真模型主要由PMSM本體模塊、d-q向a-b-c轉(zhuǎn)換模塊如圖 3-4 、電流調(diào)節(jié)器如圖3-3 、速度調(diào)節(jié)器如圖3-2組成，如圖3-1是一個(gè)典型的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。圖 3-1 PMSM控制系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用MATLAB/Simulink與電氣傳動(dòng)仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)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(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI型；速度給定值與實(shí)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。經(jīng)d-q/a-b-c坐標(biāo)變換得到三相電流給定值，相電流給定信號(hào)與相電流反饋信號(hào)相比較，經(jīng)過(guò)電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和PWM產(chǎn)生電路控制逆變器的PWM型號(hào)，從而控制電機(jī)的三相電流?；谏鲜鲇来磐诫妱?dòng)機(jī)在d-q坐標(biāo)系中的狀態(tài)空間模型。采用電力系統(tǒng)模型庫(kù)，可建立PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI型，積分常數(shù)取2.6，比例常數(shù)為50，飽和限制的正負(fù)幅值為30，其功能為解決由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩問(wèn)題，使轉(zhuǎn)速幾乎無(wú)靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出量d-p/a-b-c坐標(biāo)變換，得到a-b-c三相定子電流的給定，作為電流調(diào)節(jié)器（PWM逆變器）的輸入。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(shí)現(xiàn)電流逆變，應(yīng)用PWM控制技術(shù)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(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)際應(yīng)該保證的應(yīng)是正弦波電流，因?yàn)橹挥性诮涣麟妱?dòng)機(jī)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(dòng)成分。因此，若能對(duì)電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開(kāi)環(huán)控制獲得更好的性能。電流控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬2h選的較大時(shí)，可降低開(kāi)關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開(kāi)關(guān)頻率增大了，這是一對(duì)矛盾的因素。實(shí)際中，應(yīng)在充分應(yīng)用器件開(kāi)關(guān)頻率的前提下，正確的選擇盡可能小的環(huán)寬。根據(jù)電流偏差的符號(hào)相應(yīng)地直接輸出+-155V，然后采用可控電壓源模塊將此僅有數(shù)學(xué)意義的SIMULINK信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有電氣意義的電壓信號(hào)，送入PMSM的定子遭阻輸入ABC連接三相電壓，輸入端接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)。輸出端用于測(cè)量和觀察PMSM的工作狀態(tài)。PMSM輸出為矢量。有PMSM Measurement Demux模塊分解為10個(gè)標(biāo)量輸出（13為三相電流，4和5為，6和7為，8為點(diǎn)角速度，9為電角度，10為電磁轉(zhuǎn)矩），值得注意的是，電氣系統(tǒng)模型庫(kù)要求系統(tǒng)中至少有一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)。圖 3-2 PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖 3-3 PWM逆變器圖 3-4 d-q向a-b-c轉(zhuǎn)換模塊4.4 仿真結(jié)果為了驗(yàn)證所建模型仿真模型的正確性和有效性，對(duì)模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。給定轉(zhuǎn)速400rad/s，在t=0時(shí)，電機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，在t=0.1s時(shí)負(fù)載由2Nm突變?yōu)?Nm，仿真時(shí)間為0.4s。其波形如圖12、圖13、圖14所示： 相應(yīng)的相應(yīng)曲線圖如下所示：定子繞組電流波形電磁轉(zhuǎn)矩波形電機(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（30Nm），然后很快回到穩(wěn)定值（2Nm）。轉(zhuǎn)速以直線上升，迅速達(dá)到給定值400rad/s。在0.1s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由2Nm突變?yōu)?Nm，轉(zhuǎn)速有微小的震蕩后回到給定值，定子電流在0.1s發(fā)生變化。 由此可見(jiàn)，采用MATLAB的電氣系統(tǒng)模型庫(kù)，可以在SIMULINK環(huán)境下高效率地完成PMSM控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)仿真可以看出系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)特性，同時(shí)也可以方便的驗(yàn)證各種控制方法，這為分析和設(shè)計(jì)實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的手段?？梢钥闯觯Ｒ?guī)電流滯環(huán)控制方法，它的優(yōu)點(diǎn)電流響應(yīng)快，缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率不固定、電流畸變較大、紋波大對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響比較大。采用三角載波比較方式的電流滯環(huán)控制，其主要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，輸出波形純正，計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，比較容易獲得良好的控制效果。第5章 結(jié)論與展望 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是基于MATLAB永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì),以電力系統(tǒng)庫(kù)中的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。并討論負(fù)載突變情況下，PI調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。本文通過(guò)對(duì)電壓空間矢量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab/Simulink軟件，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的模型，通過(guò)仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行，具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特性，也為實(shí)際伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了新的思路。 永磁同步電機(jī)以其效率高、比功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能效果顯著等一系列優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中逐步得到廣泛應(yīng)用。尤其是近年來(lái)高耐熱性、高磁性能欽鐵硼永磁體的成功開(kāi)發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外又進(jìn)人了一個(gè)新的時(shí)期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍，目前正向超高速、高轉(zhuǎn)矩、大功率、微型化、高功能化方向發(fā)展。如：1、 超高速電機(jī)：永磁同步電機(jī)不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,磁場(chǎng)部分沒(méi)有發(fā)熱源，不需要冷卻裝置，材料的矯頑力高，氣隙長(zhǎng)度可以取較大值從而使大幅度提高轉(zhuǎn)速成為可能。2、 高轉(zhuǎn)矩大功率電機(jī):耐熱 、 高 磁性能欽鐵硼永磁材料的開(kāi)發(fā)成功將使其在大功率永磁同步電機(jī)中獲得重要應(yīng)用。運(yùn)輸業(yè)和工業(yè)中諸如電動(dòng)汽車(chē)、混合型(內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)機(jī)并用)動(dòng)力汽車(chē)、列車(chē)、電梯、機(jī)床、機(jī)器人等，對(duì)大功率電動(dòng)機(jī)的需求正在增長(zhǎng)。3、 微型化:由于欽鐵硼永磁的最大磁能積很高，特別是能制成超薄型的永磁體，從而使過(guò)去難以制作的超微型和低慣量電動(dòng)機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。目前已開(kāi)發(fā)出直徑幾毫米以下的超小型電動(dòng)機(jī)用作醫(yī)療微型機(jī)器、眼球手術(shù)用機(jī)器人手臂或管道