永磁同步電機(jī)系統(tǒng)仿真課件

1、第1章 緒論1.1 課題研究的背景1.1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代。其運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體替代激磁繞組，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20 世紀(jì) 70 年代，永磁同步電機(jī)開(kāi)始應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。由于受到功率開(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)最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上與直流電機(jī)類(lèi)似，但這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩存在較大的波動(dòng)。為了克服這一缺點(diǎn)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上又研制出帶有位置傳感器、逆變器驅(qū)動(dòng)的正弦波永磁同步電機(jī)，這就使得永磁同步電機(jī)有了更廣

2、闊的前景。1.1.2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在實(shí)際中得到應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過(guò)分依賴(lài)于電機(jī)的參數(shù)等等，因此，對(duì)控制策略中存在的問(wèn)題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。20世紀(jì)90年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，高速度、高集成度、低成本的微處理器問(wèn)世及商品化，使全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)成為可能。通過(guò)微機(jī)控制，可使電機(jī)的調(diào)速性能有很大的提高，使復(fù)雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了硬件，降低了成本

3、，提高了控制精度，還能具有保護(hù)、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復(fù)位等功能。另外，改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也變得簡(jiǎn)單易行，這樣就大大提高了系統(tǒng)的柔性、可靠性及實(shí)用性。近幾年，在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，多家公司都推出了專(zhuān)門(mén)用于電機(jī)控制的芯片。能迅速完成系統(tǒng)速度環(huán)、電流環(huán)以及位置環(huán)的精密快速調(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等可以高速、高精度的完成。非線(xiàn)性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制、觀(guān)測(cè)控制及狀態(tài)觀(guān)測(cè)器、線(xiàn)性二次型積分控制及模糊智能控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景。因此，采用高性能數(shù)字

4、信號(hào)處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。1.2 本文主要工作本文立題為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究?jī)?nèi)容：(1)建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；(2)介紹永磁同步電機(jī)的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程；(3)介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)；(4)建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；(5)對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。第2章 建模與仿真建模與仿真是指構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際系統(tǒng)的模型和計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真的有關(guān)復(fù)雜活動(dòng)，它主要包括實(shí)際系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)等三個(gè)部分，同時(shí)

5、考慮三個(gè)基本部分之間的聯(lián)系，即建模與仿真關(guān)系。 2.1 建模與仿真的定義建模關(guān)系主要研究實(shí)際系統(tǒng)與模型之間的關(guān)系，它通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的觀(guān)測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素及不可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型，如圖2-1所示。仿真關(guān)系主要研究計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)與模型之間的關(guān)系，其程序能為計(jì)算機(jī)所接受并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行7。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型建模仿真圖2-1 建模與仿真的基本組成與兩個(gè)關(guān)系 第3章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的概述3.1.1 同步電機(jī)的基本原理同步電動(dòng)機(jī)是一種交流電動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)定子電流頻率以及電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)存在著嚴(yán)

6、格不變的關(guān)系。普通同步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動(dòng)機(jī)定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種結(jié)構(gòu)形式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形且其氣隙均勻，而凸極式轉(zhuǎn)子的磁極明顯凸出且氣隙不均勻，極弧底下氣隙較小，極間部分氣隙較大。一般而言，當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組套在轉(zhuǎn)子磁極鐵心上，而經(jīng)由電刷和集電環(huán)引入的勵(lì)磁電流應(yīng)能使轉(zhuǎn)子磁極的極性呈現(xiàn)N，S極交替排列1112。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理，就是電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接入直流電流而形成

7、的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n=ns=60fs/pn。式中,fs為電源頻率；pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；ns為同步轉(zhuǎn)速。3.1.2 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)一致，永磁同步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相Y型連接的對(duì)稱(chēng)分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。如果在三相空間對(duì)稱(chēng)的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱(chēng)的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為n=ns=60fs/pn。式中，fs為電源頻率；pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)

8、數(shù)；ns為同步轉(zhuǎn)速。3.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型能夠描述實(shí)際系統(tǒng)各物理量之間的關(guān)系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型認(rèn)識(shí)、分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)的定子與普通勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣都是三相對(duì)稱(chēng)繞組。通常按照電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定各物理量的正方向。以三相星形180°的通電模式為例來(lái)分析PMSM的數(shù)學(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性18-23。為了便于分析，假定： (1)磁路不飽和，電機(jī)電感不受電流變化影響，不計(jì)渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)的影響；(3)三相繞組對(duì)稱(chēng)，永久磁鋼的磁場(chǎng)沿氣隙周

9、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(dòng)二極管和續(xù)流二極管為理想元件； (3-1)3.2.1 電壓平衡方程三相永磁同步電機(jī)的定子繞組和普通三相交流感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)的定子繞組很相似的，三相繞組空間分布，軸線(xiàn)互差120°電角度，每項(xiàng)繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。有所不同的是定子每相繞組內(nèi)部的磁鏈，普通三相交流感應(yīng)電機(jī)由定子三相電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；普通同步電機(jī)由定子三相繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和阻尼繞組電流共同產(chǎn)生；永磁同步電機(jī)由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，其中轉(zhuǎn)子永磁磁鏈在每相繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。由此得到定子

10、電壓方程式： (3-2) (3-3) (3-4)其中： -三相繞組電壓；-每相繞組電阻；-三相繞組相電流； -三相繞組匝鏈的磁鏈；-微分算子。3.2.2 磁鏈方程定子每相繞組磁鏈不僅與三相繞組電流有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子永磁極的勵(lì)磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，因此磁鏈方程可以表示為 (3-5) (3-6) (3-7)其中：-每相繞組互感；-兩相繞組互感；-三相繞組匝鏈的磁鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈。并且定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈 (3-8) (3-9) (3-10)3.2.3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子永磁在氣隙中產(chǎn)生的正弦分布磁場(chǎng)，正弦分布磁場(chǎng)的幅值是恒定的，空間位置就是轉(zhuǎn)子永磁磁極的直軸位置，它相對(duì)于定

11、子A相繞組軸線(xiàn)等于轉(zhuǎn)子位置角，在空間的分布可以表示為 (3-11)或者 (3-12)當(dāng)永磁磁極旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位置角隨時(shí)間變化時(shí)，由式(3-12)可知，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)是一個(gè)幅值恒定不變、幅值位置=隨轉(zhuǎn)子永磁磁極位置變化的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值在空間的轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對(duì)每一相定子電樞繞組來(lái)說(shuō)，旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在繞組中感應(yīng)電勢(shì)，稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)。由于圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)于空間任意一點(diǎn)確定的位置仍然表現(xiàn)為脈動(dòng)的磁場(chǎng)，而且任意時(shí)刻圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的空間分布仍然具有正弦規(guī)律，因此由式(3-13)可以看出，對(duì)于每一相定子電樞來(lái)說(shuō)，繞組軸線(xiàn)的空間位置角是確定的，轉(zhuǎn)子圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相當(dāng)于是兩個(gè)正交的脈振磁場(chǎng)的疊加20-2

12、3，如圖3-2所示：該圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從定子上觀(guān)測(cè)，相當(dāng)于一個(gè)同A相繞組軸線(xiàn)重合按照余弦規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)與另一個(gè)同A相繞組垂直按照正弦規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)的疊加，即有 (3-13) (3-14)與A相繞組軸線(xiàn)正交的脈振磁場(chǎng)在A相繞組中匝鏈的磁鏈等于0，因此在A相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)也是等于0。而與繞組軸線(xiàn)重合的脈振磁場(chǎng)則產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到A相繞組由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電勢(shì)為 (3-15)圖3-2 圓形磁場(chǎng)與脈振磁場(chǎng)其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度等于轉(zhuǎn)子位置角的微分 (3-16)同理有， (3-17) (3-18)由此，根據(jù)式(3-18)可以求出B相和C相繞組中由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的感

13、應(yīng)電勢(shì)分別為 (3-19) (3-20)三相繞組感應(yīng)電勢(shì)也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即 (3-21)由式(3-21)可知，永磁磁場(chǎng)在定子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的幅值為，它不僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，還與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子電樞繞組匝鏈的磁鏈成正比。3.3 坐標(biāo)變換對(duì)于三相永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)，它是一個(gè)具有多變量、解耦合及非線(xiàn)性的復(fù)雜系統(tǒng)，要想對(duì)它進(jìn)行直接的控制是十分困難的，因此借助于坐標(biāo)變換，將它解耦，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此時(shí)，同步坐標(biāo)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(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變成標(biāo)量獨(dú)立開(kāi)來(lái)，對(duì)這些給定量實(shí)時(shí)控制，就能達(dá)到直流電機(jī)的控制性能了。3.3.

14、1 三相靜止坐標(biāo)系(A-B-C軸系)三相永磁同步電機(jī)的定子中有三相繞組，其繞組軸線(xiàn)分別為A、B、C，且彼此相差120°空間電角度，構(gòu)成了一個(gè)A-B-C三相坐標(biāo)系，如圖3-3所示?？臻g矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影分別為、，代表該矢量在三個(gè)繞組上的分量18-23。圖3-3 三相靜止坐標(biāo)系3.3.2 兩相靜止坐標(biāo)系(-軸系)定義一個(gè)兩相直角坐標(biāo)系(-軸系)，它的軸和三相靜止坐標(biāo)系的A軸重合，軸逆時(shí)針超前軸90°空間電角度，如圖3-4，圖中V、V為矢量在-坐標(biāo)系的投影。由于軸固定在定子A相繞組軸線(xiàn)，故-坐標(biāo)系亦為靜止坐標(biāo)系。3.3.3 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q軸系)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)

15、子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線(xiàn)，q軸逆時(shí)針超前d軸90°空間電角度，如圖3-4所示，該坐標(biāo)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(biāo)系。圖3-4 兩相靜止坐標(biāo)系3.3.4 三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系間的變換(3s/2s)在三相靜止坐標(biāo)系中，空間矢量可由、來(lái)表示，即用、來(lái)合成，有： (其中，) (3-22)同樣，也可以在兩相靜止坐標(biāo)系中用V、V來(lái)合成Vj，如果保證兩次合成的矢量相等，那么這種變換就是等效變換。 (其中，) (3-23)分離實(shí)部和虛部，有： (3-24) (3-25)寫(xiě)為矩陣形式： (3-26)式(3-26)的變換被稱(chēng)為clarke變換，如果按總磁勢(shì)、總功率不變

16、的原則，上式方程右邊矩陣前加系數(shù)。第4章 永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)4.1 永磁同步電機(jī)的控制策略及仿真4.1.1 矢量控制(SVPWM)矢量控制的核心思想是將電機(jī)的三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換變成以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系，參照直流電機(jī)的控制思想，完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。磁場(chǎng)定向矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載。但是，矢量控制系統(tǒng)需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈，要進(jìn)行坐標(biāo)變換，運(yùn)算量很大，而且還要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變動(dòng)的影響，使得系統(tǒng)比較復(fù)雜，這是矢量控制存在的不足之處24-26。本文所采用的控制策略為矢量控制。4.1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)它通過(guò)對(duì)定子磁鏈定向，實(shí)

17、現(xiàn)對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其控制思想是通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，分別與轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值比較，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器直接從一個(gè)離線(xiàn)計(jì)算的開(kāi)關(guān)表中選擇合適的定子電壓空間矢量，進(jìn)而控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要復(fù)雜的矢量坐標(biāo)變換，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有脈寬調(diào)制PWM信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。但是也存在著一些不足：如逆變器開(kāi)關(guān)頻率不固定；轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)大；實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制需要很高的采樣頻率等24-29。4.2 永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)4.2.1 永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理圖4-1 永磁同步電機(jī)矢量圖矢量控制的

18、思想源于對(duì)直流電機(jī)控制的嚴(yán)格模擬，通過(guò)磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏魇噶糠纸鉃閮蓚€(gè)分量：勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別加以控制，從而可獲得很好的解耦控制特性。矢量控制需要使用坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖4-1所示。其中包含從三相坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C到兩相坐標(biāo)系的變換，從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換，相關(guān)變換關(guān)系公式見(jiàn)第三章。根據(jù)矢量控制原理，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選擇不同的磁鏈?zhǔn)噶孔鳛槎ㄏ蜃鴺?biāo)軸，按照定位的磁場(chǎng)矢量方向不同，目前存在四種磁場(chǎng)定向控制方式：轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制、定子磁鏈定向控制、氣隙磁鏈定向控制和阻尼磁鏈定向控制。對(duì)于PMSM主要采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式，該方式對(duì)小

19、容量驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合特別適合。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原則，采用同轉(zhuǎn)子以相同電角速度旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q，此時(shí)永磁同步電機(jī)等效模型見(jiàn)圖4-2所示18-23。圖4-2 d-q坐標(biāo)系下電機(jī)模型圖4-2中取逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。d-q坐標(biāo)系隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，d軸固定在永磁體磁鏈方向上，沿轉(zhuǎn)速方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)超前d軸90度電角度為q軸。為定子三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線(xiàn)與永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線(xiàn)間的空間電角度，則 (4-1) (4-2) (4-3)由式(4-3)可以看出，永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個(gè)分量，第一項(xiàng)是由兩磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻

20、轉(zhuǎn)矩。對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)，第二項(xiàng)為零，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，只存在電磁轉(zhuǎn)矩。即 (4-4)由于是不可調(diào)節(jié)的，因此矢量控制就是控制定子電流矢量的幅值和它相對(duì)的空間角度 (轉(zhuǎn)矩角)。控制時(shí)，向量與正交，我們將這種情況稱(chēng)為“磁場(chǎng)定向”。此時(shí)每安培定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大，即可獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比值，電動(dòng)機(jī)銅耗也最小。顯然，這是一種很有吸引力的運(yùn)行狀態(tài)。因此，永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制就是要準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的空間位置(d軸)，通過(guò)控制逆變器使三相定子的合成電流位于q軸上，那么，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，即控制定子電流的幅值就能較好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。圖4-3給出了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量

21、控制系統(tǒng)原理圖圖4-3 PMSM矢量控制的原理圖若使兩相d-q坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量來(lái)控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦控制。圖4-3表明，這是一個(gè)電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過(guò)速度PI控制器計(jì)算得到定了電流、的參考輸入和。通過(guò)相電流檢測(cè)電路提取和，再使用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定了兩相坐標(biāo)系中，然后使用Park變換，將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，再將d-q坐標(biāo)系中的電流信號(hào)與它們的和相比較，其中，

22、通過(guò)PI控制器獲得理想的控制量?？刂菩盘?hào)再通過(guò)Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定了三相對(duì)稱(chēng)繞組的實(shí)際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。4.2.2 永磁同步電機(jī)的矢量控制方法的選擇永磁同步電機(jī)用途不同，電機(jī)電流矢量的控制方法也各不相同。可采用的控制方法主要有：(1) 控制；(2)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制；(3)控制；(4)恒磁鏈控制；(5)弱磁控制；(6)最大輸出功率控制不同控制方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如 最為簡(jiǎn)單， 可降低與之匹配的逆變器的容量，恒磁鏈控制可增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩等。當(dāng)采用 的控制方案時(shí)，轉(zhuǎn)矩 和呈

23、線(xiàn)性關(guān)系，只要對(duì)進(jìn)行控制就達(dá)到了控制轉(zhuǎn)矩的目的。并且，在表面式永磁同步電機(jī)中，保持可以保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩?；蛘哒f(shuō)，在產(chǎn)生所要求轉(zhuǎn)距的情況下，只需最小的電流，從而使銅耗下降，效率有所提高。這正是本文采用這種控制策略的原因。4.3 MATLAB仿真工具箱簡(jiǎn)介MATLAB/SIMULINK是MATHWORKS公司開(kāi)發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的工具軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境SIMULINK。SIMULINK可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線(xiàn)性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫(kù)、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序Demo三部分組成。用戶(hù)進(jìn)行仿真時(shí)很少需要程序，只

24、需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究30。4.4 永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模塊的建立基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，利用MATLAB仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型。4.4.1 坐標(biāo)變換模塊矢量控制中用到的坐標(biāo)變換有：Clarke變換(將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換)和Park變換(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)。靜止的三相定子坐標(biāo)系(a-b-c)和靜止的兩相定子坐標(biāo)系(-)以及固定在轉(zhuǎn)子上的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d，q)間變換矩陣的MATLAB實(shí)現(xiàn)如圖4-4所示：圖4-4 d-q到-變換4.4.2 SVPWM模塊從

25、原理上講，SVPWM著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)通以三相對(duì)稱(chēng)正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈，SVPWM以此圓形磁鏈為基準(zhǔn)，通過(guò)逆變器功率器件的不同開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓，即用多邊形來(lái)逼近圓形，同時(shí)產(chǎn)生三相互差120°電角度的接近正弦波的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于逆變器產(chǎn)生的矢量數(shù)目有限，不能產(chǎn)生角度連續(xù)變化的空間矢量，SVPWM方法通過(guò)上述8個(gè)基本空間電壓矢量中兩個(gè)相鄰的有效矢量及零矢量，并根據(jù)各自的作用時(shí)間不同來(lái)等效電機(jī)所需的空間電壓矢量K。其原理如圖4-5所示： 圖4-5 基本電壓矢量(1)扇區(qū)選擇根據(jù)圖4-5中各扇區(qū)與，的關(guān)系，當(dāng)時(shí)，令，當(dāng)時(shí)，令，當(dāng)時(shí)

26、，令，取，可得到各扇區(qū)與N的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-1所示。其模型如圖4-6所示。表4-1 N與扇區(qū)號(hào)得對(duì)應(yīng)關(guān)系扇區(qū)號(hào)IIIIIIIVVVIN315462(2)基本電壓矢量的作用時(shí)間T1和Tm令，則N與矢量作用時(shí)間T1和Tm的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-2所示圖4-6 扇區(qū)選擇之后還要進(jìn)行飽和判斷，當(dāng)時(shí)，應(yīng)?。? ,其MATLAB實(shí)現(xiàn)如圖4-7所示：圖4-7 基本矢量作用時(shí)間表4-2 N與矢量作用時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系N123456T1-ZYZ-XX-YTMY-XX-Z-YZ (3)計(jì)算開(kāi)關(guān)作用時(shí)間令則與, ,之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-3所示。其中，MATLAB實(shí)現(xiàn)如圖4-8所示。圖4-8 開(kāi)關(guān)作用時(shí)間表4-3 與的對(duì)應(yīng)關(guān)系1

27、23456計(jì)算得到的, ,值與等腰三角形進(jìn)行比較，就可以生成對(duì)稱(chēng)空間矢量PWM波形。將生成的PWM1，PWM3，PWM5進(jìn)行非運(yùn)算就可以生成PWM2，PWM4，PWM6同時(shí)還應(yīng)將去其由bool型轉(zhuǎn)換成double類(lèi)型，如圖4-9所示。再將上述模塊連接生成SVPWM整體模型如圖4-10所示。4.4.3 逆變器模塊仿真中用到的逆變器和永磁同步電機(jī)模型是利用MATLAB/SIMULINK中的SIMPOWER SYSTEM中給出的模型。電機(jī)測(cè)量模塊可以直接檢測(cè)出電機(jī)的各輸出物理量作為反饋參數(shù)構(gòu)成電機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)。輸入為SPWM模塊給出的6組控制信號(hào)，輸出為三相相電壓。該逆變器模塊，有6個(gè)IGBT功率開(kāi)關(guān)器

28、件，反向并聯(lián)續(xù)流二極管，根據(jù)SPWM模塊給出的6組控制信號(hào)控制各個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通與關(guān)斷，從而輸出三相電壓。4.5 仿真研究利用MATLAB/SIMULINK的SIMPOWER SYSTEM所提供的PMSM模塊和輸出測(cè)量模塊，PMSM模塊輸入為三相電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。PWSM矢量控制閉環(huán)控制系統(tǒng)模型如圖4-12。其中參數(shù)可以自行設(shè)定，具體參數(shù)有：定子電阻、交直軸定子電感、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)通從、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、粘滯摩系數(shù)、極對(duì)數(shù)等。圖4-12 PWSM矢量控制閉環(huán)控制系統(tǒng)模型4.51仿真結(jié)果分別為電機(jī)三項(xiàng)電流，轉(zhuǎn)矩，速度。 由仿真結(jié)果可以得出：(l)波形符合理論分析，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性。(2)為保