永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真畢業(yè)論文

1、 .PAGE35 / NUMPAGES41永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc325977861摘要 PAGEREF _Toc325977861 h IHYPERLINK l _Toc325977862ABSTRACT PAGEREF _Toc325977862 h IIHYPERLINK l _Toc3259778631 緒論 PAGEREF _Toc325977863 h 1HYPERLINK l _Toc3259778641.1 永磁同步電機的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc325977864 h 1HYPERLI

2、NK l _Toc3259778651.2 永磁同步電機的研究意義 PAGEREF _Toc325977865 h 2HYPERLINK l _Toc3259778661.3 論文主要研究容 PAGEREF _Toc325977866 h 3HYPERLINK l _Toc3259778672 永磁同步電機系統(tǒng) PAGEREF _Toc325977867 h 4HYPERLINK l _Toc3259778682.1 永磁同步電機的分類和結構 PAGEREF _Toc325977868 h 4HYPERLINK l _Toc3259778692.2 永磁同步電機的工作原理和特點 PAGEREF

3、 _Toc325977869 h 4HYPERLINK l _Toc3259778702.3 永磁同步電機數(shù)學模型 PAGEREF _Toc325977870 h 6HYPERLINK l _Toc3259778713 永磁同步電機控制策略 PAGEREF _Toc325977871 h 8HYPERLINK l _Toc3259778723.1 恒壓頻比控制 PAGEREF _Toc325977872 h 8HYPERLINK l _Toc3259778733.2 矢量控制 PAGEREF _Toc325977873 h 8HYPERLINK l _Toc3259778743.2.1 矢量控

4、制的組成和原理 PAGEREF _Toc325977874 h 9HYPERLINK l _Toc3259778753.2.2 矢量控制的控制方式 PAGEREF _Toc325977875 h 10HYPERLINK l _Toc3259778763.2.3 矢量控制的坐標變換 PAGEREF _Toc325977876 h 11HYPERLINK l _Toc3259778773.2.4 矢量控制的基本方程 PAGEREF _Toc325977877 h 16HYPERLINK l _Toc3259778783.3 直接轉矩控制 PAGEREF _Toc325977878 h 17HYPE

5、RLINK l _Toc3259778793.3.1 定子磁鏈控制 PAGEREF _Toc325977879 h 18HYPERLINK l _Toc3259778803.3.2 空間矢量控制 PAGEREF _Toc325977880 h 21HYPERLINK l _Toc3259778813.4 直接轉矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較 PAGEREF _Toc325977881 h 21HYPERLINK l _Toc3259778823.5 小結 PAGEREF _Toc325977882 h 22HYPERLINK l _Toc3259778834基于Matlab/Simulink的

6、永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真 PAGEREF _Toc325977883 h 23HYPERLINK l _Toc3259778844.1 電壓空間矢量脈寬調制原理 PAGEREF _Toc325977884 h 23HYPERLINK l _Toc3259778854.1.1 電壓空間矢量 PAGEREF _Toc325977885 h 23HYPERLINK l _Toc3259778874.1.2 零矢量的作用 PAGEREF _Toc325977887 h 25HYPERLINK l _Toc3259778884.1.3 空間電壓矢量控制算法 PAGEREF _Toc325977888

7、 h 26HYPERLINK l _Toc3259778894.2 坐標變換模塊 PAGEREF _Toc325977889 h 27HYPERLINK l _Toc3259778904.3 SVPWM模塊 PAGEREF _Toc325977890 h 28HYPERLINK l _Toc3259778914.3.1 扇區(qū)選擇 PAGEREF _Toc325977891 h 28HYPERLINK l _Toc3259778924.3.2 計算X、Y、Z和TX 、TY定義 PAGEREF _Toc325977892 h 28HYPERLINK l _Toc3259778934.3.3 計算矢

8、量切換點Tcm1，Tcm2，Tcm3 PAGEREF _Toc325977893 h 29HYPERLINK l _Toc3259778944.4 PMSM閉環(huán)矢量控制仿真模型 PAGEREF _Toc325977894 h 31HYPERLINK l _Toc3259778954.5 仿真結果 PAGEREF _Toc325977895 h 31HYPERLINK l _Toc3259778964.6 結束語 PAGEREF _Toc325977896 h 32HYPERLINK l _Toc3259778975 結論 PAGEREF _Toc325977897 h 33HYPERLINK

9、l _Toc3259778985.1 研究總結 PAGEREF _Toc325977898 h 33HYPERLINK l _Toc3259778995.2 未來研究方向和展望 PAGEREF _Toc325977899 h 34HYPERLINK l _Toc325977900致 PAGEREF _Toc325977900 h 35HYPERLINK l _Toc325977901參考文獻 PAGEREF _Toc325977901 h 36永磁同步電機控制系統(tǒng)設計與仿真摘 要由于永磁同步電機具有體積小、功率密度大、效率和功率因數(shù)高等明顯特點，從70年代末開始，永磁同步電機就得到廣泛重視。隨

10、著高性能永磁材料的發(fā)展和價格的不斷下降，永磁電機的應用越來越廣泛。尤其是近年來，隨著永磁材料的迅速發(fā)展和電力電子和控制技術的進步，永磁同步電機將越來越多地替代傳統(tǒng)電機，應用前景非常的樂觀，永磁電機與其驅動控制器設計也成了電機領域研究的熱點課題，因而對永磁同步電機的研究是非常有意義的。本文先對永磁同步電機與其相關技術的發(fā)展過程、研究現(xiàn)狀和趨勢進行了一個比較全面的闡述，然后對永磁同步電機的結構、性能進行了簡要介紹，最后講述了幾種永磁同步電機控制系統(tǒng)常用的控制策略。同時本文在分析永磁同步電機數(shù)學模型的基礎上,借助于Matlab強大的仿真建模能力, 在Matlab/Simulink中建立了PMSM 控

11、制系統(tǒng)的仿真模型,為PMSM控制系統(tǒng)的分析與設計提供了有效的手段和工具。此文借助這一手段在詳細分析了永磁同步電機矢量控制的機理，并提出了一套相應的矢量控制方案后，建立了仿真和試驗平臺，進行了仿真分析和實驗研究。關鍵詞： 永磁同步電機/Matlab/Simulink仿真/矢量控制Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Design And SimulationABSTRACTPermanent magnet synchronous motor has a small size, power density, higher efficie

12、ncy and power factor distinctive features, starting from the late 1970s, the permanent magnet synchronous motor to get wide attention. With the development of high-performance permanent magnet materials and declining prices, the application of permanent magnet motor is more extensive. Especially in

13、recent years, with the advances in the rapid development of permanent magnet materials and power electronics and control technologies, permanent magnet synchronous motor will increasingly replace traditional motor, the prospects are very optimistic, permanent magnet motor drive controller the design

14、 has become a hot topic of the motor areas of research, thus it is very significant to the study of permanent magnet synchronous motor.This article first a brief introduction to the structure of the permanent magnet synchronous motor, the performance, then a more comprehensive description of the dev

15、elopment status and trends of the permanent magnet synchronous motor and its related technologies, and finally about several permanent magnet synchronous motor control system commonly used in control strategies.In the analysis of permanent magnet synchronous motor mathematical model based on the hel

16、p of Matlabs powerful simulation modeling capabilities of Matlab/Simulink simulation model of the PMSM control system for PMSM servo control system analysis and design effective and tools.Text with the means of a detailed analysis of the mechanism of permanent magnet synchronous motor vector control

17、, and a corresponding set of vector control programs, the establishment of the simulation and test platform for the simulation analysis and experimental research.Keywords:permanent magnet synchronous motor / Matlab / Simulink Simulation / Vector Control1 緒論永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Machine

18、即PMSM)因其結構簡單、體積小、效率高和魯棒性強等優(yōu)點，廣泛用于電機性能和控制精度要求較高的伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床、電動汽車、航空航天等領域1。PMSM是一個非線性、多變量、強耦合系統(tǒng)，對系統(tǒng)參數(shù)攝動和外界擾動十分敏感，因此常規(guī)線性控制方法很難獲得理想的控制效果2。為了提高PMSM的控制性能，國外研究人員提出了許多非線性控制方法，主要有：反步法控制、反饋線性化控制、滑模控制、智能控制、自適應控制和自抗擾控制等，這些非線性控制方法改善了PMSM系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)魯棒性。1.1 永磁同步電機的發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀永磁電機是采用永磁體代替通電線圈勵磁的一種電動機。其起源很早，在19世紀20年代所出現(xiàn)

19、的第一臺電機就是由永磁體產(chǎn)生勵磁的永磁電機3，但當時所采用的永磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度低，所制成的電機體積大，不久便被電勵磁電機所取代。而早期對永磁同步電機的研究主要為固定頻率供電的永磁同步電機運行特性的研究，特別是穩(wěn)態(tài)特性和直接起動性能的研究。永磁同步電機的直接起動是依靠阻尼繞組提供的異步轉矩將電機加速到接近同步轉速，然后由磁阻轉矩和同步轉矩將電機牽入同步。上個世紀八十年代國外開始對逆變器供電的永磁同步電動機進行深入的研究。逆變器供電的永磁同步電機與直接起動的永磁同步電機的結構基本一樣，但在大多數(shù)情況下無阻尼繞組。阻尼繞組有以下特點：第一，阻尼繞組產(chǎn)生熱量，使永磁材料溫度上升；第二，阻

20、尼繞組增大轉動慣量，使電機力矩慣量比下降；第三，阻尼繞組的齒槽使電機脈動力矩增大。在逆變器供電情況下，永磁同步電機的原有特性將會受到影響，其穩(wěn)態(tài)特性和暫態(tài)特性與恒定頻率下的永磁同步電機相比有不同的特點。隨著價格低廉的釹鐵硼(NdFeB)永磁材料的出現(xiàn)，使永磁同步電機得到了很大的發(fā)展，世界各國(以德國和日本為首)掀起了一股研制和生產(chǎn)永磁同步電動機與其伺服控制器的熱潮，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人等小功率應用場合，永磁同步電動機伺服系統(tǒng)是主要的發(fā)展趨勢，加上永磁電機研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應用已有研究成果，使永磁電機在國防、工農業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應用。正向高轉速、高轉矩、

21、高功能化和微型化方面發(fā)展。我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用,所以在開發(fā)高磁場永磁材料方面我國具有得天獨厚的有利條件。又由于稀土永磁磁極，可以獲得較高的氣隙磁密。裝置結構緊湊采用永磁同步電機的永磁交流伺服系統(tǒng)可將同步電機改造為具備與直流伺服電動機相類似的伺服性能，并以其優(yōu)異性能成為精密電氣伺服控制系統(tǒng)的一種優(yōu)選方案，代表了電伺服技術的發(fā)展方向，有望得到廣泛的應用。盡管我國的稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平，但是這些優(yōu)勢還沒有完全發(fā)揮出來，因此，對我國來說，永磁同步電動機的發(fā)展還任重而道遠，還有很大潛力可開發(fā)。充分發(fā)揮我國稀土資

22、源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應用以稀土永磁電機為代表的各種永磁電機，對我國國防、工農業(yè)、航空事業(yè)的發(fā)展與綜合實力的提升具有重要的理論意義和實用價值。1.2永磁同步電機的研究意義正如前面幾節(jié)所述，永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、重量輕、反應快、效率高等優(yōu)點，隨著電力電子技術和控制技術的發(fā)展，永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)代高性能伺服系統(tǒng)中得到了極為廣泛的應用，尤其是近年來，隨著永磁材料的迅速發(fā)展，電力電子和控制技術的進步，稀土永磁同步電機將越來越多地替代傳統(tǒng)電機，應用前景非常的樂觀，因而對永磁同步電機的研究是非常有意義的。隨著我國航空工業(yè)的快速發(fā)展，普通電機難以滿足系統(tǒng)的要求。例如多電

23、飛機和全電飛機是未來飛機的重要發(fā)展方向，多電飛機和全電飛機在歐美等國家和地區(qū)已經(jīng)開始研制4，其中的關鍵技術之一就是用電力作動器取代目前廣泛應用的液壓作動器，而這種取代的基本條件是電力作動器的功率密度和動態(tài)性能能否達到液壓作動器的水平，目前的普通航空用電機還不能滿足該要求，因此必須研究和開發(fā)出性能更好的電機，為發(fā)展各種先進的航空設備和工業(yè)系統(tǒng)奠定基礎5。1.3論文主要研究容永磁同步電機隨著其本身的特點，在國外引起了人們的廣泛關注，所以其應用前景非?？捎^，并加上我國得天獨厚的最大稀土占有國的優(yōu)勢，永磁電機必會在我國形成一個應用高潮。所以本文主要講述了幾種永磁同步電機的控制方式，并重點分析了矢量控制

24、和直接轉矩控制。又由于矢量控制還是一個很不成熟的領域，還有很多的問題有待研究。為促進永磁同步電機控制理論的發(fā)展，本文對現(xiàn)有的一些永磁同步電機矢量控制方式進行了概括分析，提出了永磁同步電機矢量控制方案，并建立了一套完整的仿真和試驗平臺，為進一步研究永磁同步電機矢量控制提供了實用的物質基礎。本文分了五章節(jié)去講述了永磁同步電機：第一章主要講述了永磁同步電機在國外的發(fā)展概況、研究現(xiàn)狀、永磁同步電機的研究意義和本文主要研究容。第二章著重闡述了永磁同步電機系統(tǒng)，包括其結構、分類、特點和工作原理，以與永磁同步電機的數(shù)學模型。第三章著重介紹了永磁同步電機控制策略，包括恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制，并比

25、較了矢量控制和直接轉矩控制的優(yōu)缺點。第四章應用矢量控制在Matlab環(huán)境中對永磁同步電機進行建模和仿真。第五章是研究總結以與未來研究方向和展望。2 永磁同步電機系統(tǒng)永磁式同步電機結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結構，提高了效率。2.1 永磁同步電機的分類和結構永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉

26、子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波6。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型與控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(PMSM)調速系統(tǒng)或調速永磁同步電動機；而由梯形波(方波)永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(BLDCM)調速系統(tǒng) 7。永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同

27、步電動機主要可分為：表面式和置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而置式永磁同步電機的永磁體位于轉子部，永磁體外表面與定子鐵心圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁同步電動機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能特點有所不同。采用正弦波的永磁同步電動機可根據(jù)永磁體在轉子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉子的磁式永磁同步電動機；一是永磁體安放在轉子表面的外磁式永磁同步電動機；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步電動機。本節(jié)中采用的電機為凸裝式正弦波永磁同步電機，結構如圖

28、2-1所示，定子繞組一般制成多相，轉子由永久磁鋼按一定對數(shù)組成，本系統(tǒng)的電機轉子磁極對數(shù)為兩對，則電機轉速為n=60fp，f為電流頻率，P為極對數(shù)8。磁鋼 定子圖2-1 凸裝式正弦波永磁同步電機結構圖2.2 永磁同步電機的工作原理和特點永磁同步電機實際工作是一種交流電機，其定子運行是三相相差的交流電，而轉子則是永磁體。但是這種電機最大的優(yōu)勢就是交流電能量由直流提供，這樣就可以對電機進行精確的控制，而且解決了電刷帶來的壽命問題。與傳統(tǒng)異步電機相比，永磁同步電機具有以下特點。1高效率、高功率因數(shù)、節(jié)能用永磁體代替電勵磁，不需要無功勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)。定、轉子同步，轉子鐵心沒有鐵耗，PM

29、SM 的效率較電勵磁同步電機和異步電機要高。而且，PMSM 在25%耀120%額定負載圍均可以保持較高的功率因數(shù)和效率9，使電機在輕載運行時的節(jié)能效果更為顯著，這樣，在長期的使用中可以大幅度地節(jié)省電能。2動態(tài)響應快速、轉速平穩(wěn)PMSM 與異步電動機相比，具有較低的慣性，對于一定的電動機轉矩具有較快的響應，即轉矩/慣性比高10。3體積小、重量輕隨著高性能永磁材料的不斷應用，PMSM 的功率密度大大提高，與同容量異步電機相比，其體積和重量有較大的減少。4應用圍廣、可靠性高，在醫(yī)療器械、化工、輕紡、儀器儀表等領域均獲得應用。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，永磁同步電動機沒有電刷，簡化了結構，提高

30、了可靠性11。2.3 永磁同步電機數(shù)學模型當永磁同步電動機的定子通入三相交流電時，三相電流在定子繞組的電阻上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電產(chǎn)生的旋轉電樞磁動勢與建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組，并在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢；另一方面以電磁力拖動轉子以同步轉速旋轉。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應漏電動勢。此外，轉子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉速切割定子繞組。從而產(chǎn)生空載電動勢。為了便于分析，在建立數(shù)學模型時，假設以下參數(shù)：忽略電動機的鐵心飽和；不計電機中的渦流和磁滯損耗；定子和轉子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子圓按正弦分布，即忽略磁場中所有的空間諧波；各相繞組對稱

31、，即各相繞組的匝數(shù)與電阻一樣，各相軸線相互位移同樣的電角度12。在分析同步電動機的數(shù)學模型時，常采用兩一樣步旋轉(d，q)坐標系和兩相靜止(，)坐標系。圖2-2給出永磁同步電動機在(d，q)旋轉坐標系下的數(shù)學模型。(1)定子電壓方程為：（2-1） QUOTE （2-2）式中：r為定子繞組電阻；p為微分算子，p=d/dt；、為定子電流；、為定子電壓；、 QUOTE 分別為磁鏈在d，q軸上的分量； QUOTE 為轉子角速度(= QUOTE ； QUOTE 為電動機極對數(shù)。(2)定子磁鏈方程為： QUOTE （2-3） QUOTE （2-4）式中： QUOTE 為轉子磁鏈。電磁轉矩為： QUOTE

32、（2-5） (4)電動機的運動方程: QUOTE （2-6）式中：J為電機的轉動慣量。若電動機為隱極電動機，則 QUOTE ，選取、與電動機機械角速度為狀態(tài)變量，由此可得永磁同步電動機的狀態(tài)方程式為： （2-7）由式(2-7)可見，三相永磁同步電動機是一個多變量系統(tǒng)，而且、之間存在非線性耦合關系，要想實現(xiàn)對三相永磁同步電機的高性能控制，是一個頗具挑戰(zhàn)性的課題。圖2-2 定子、轉子參考坐標系3 永磁同步電機控制策略任何電動機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差90，因此可以獨立調節(jié)；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交

33、流電動機的轉矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制和磁場定向控制等方案。3.1 恒壓頻比控制恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制，最先被應用于異步電機的調速系統(tǒng)。一旦速度給定后，利用空間矢量脈寬調制轉化為期望的輸出電壓Uout進行控制，使電動機以一定的轉速運轉。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調速系統(tǒng)中，如風機、水泵，但因其依據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型。永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學模型為非線性、多變量，它含有與 QUOTE 或的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制

34、性能，必須對和、解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線性特性。3.2 矢量控制高性能的交流調速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對于交流電動機，目前使用最廣泛的當屬矢量控制方案。矢量控制也稱磁場定向控制，自1971年德國西門子公司FBlaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受矚目，已經(jīng)作為一種基本的原理和方法被普遍地采用13。它的基本思想是根據(jù)直流電機和交流電機在產(chǎn)生轉矩的基本原理上的相似性，經(jīng)過一定的數(shù)學變換或坐標變換，使二者的電路方程發(fā)生聯(lián)系，然后用模擬直流電機控制方法對交流電動機進行磁場和轉矩的分別控制，力圖改善異步電動機的轉矩控制特性，使之具有和直流機相似的特點

35、。因此矢量控制的關鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉矩控制性能，最終的實施是對、的控制。由于定子側的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，因此調節(jié)、控制和計算都不方便。需借助復雜的坐標變換進行矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。矢量控制的優(yōu)點在于調速圍寬，動態(tài)性能較好。不足之處是按轉子磁鏈定向會受電動機參數(shù)變化的影響而失真，從而降低了系統(tǒng)的調速性能。解決方法是采用智能化調節(jié)器可以提高系統(tǒng)的調速性能和魯棒性。3.2.1 矢量控制的組成和原理SVPWM模塊。采用先進的調制算法以減少電流諧波、提高直流母線電

36、壓利用率；電流讀取模塊。通過精密電阻或電流傳感器測量定子電流；轉子速度/位置反饋模塊。采用霍爾傳感器或增量式光電編碼器來準確獲取轉子位置和角速度信息，也可采用無傳感器檢測算法進行測量；PID控制模塊；Clark、Park與Reverse Park變換模塊。圖3-1 矢量控制原理圖將電流讀取模塊測量的相電流和 QUOTE ，經(jīng)過Clark變換將其從三相靜止坐標系變換到兩相靜止坐標系 QUOTE 和 QUOTE ； QUOTE QUOTE 和 QUOTE 與轉子位置 QUOTE 結合，經(jīng)過Park變換從兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉坐標系和 QUOTE ；轉子速度/位置反饋模塊將測量的轉子角速度 Q

37、UOTE 參考轉速 QUOTE 行比較，并通過PI調節(jié)器產(chǎn)生交軸參考電流； 交、直軸參考電流、與實際反饋的交、直軸電流、 QUOTE 進行比較，取直軸參考電流 QUOTE 為0。再經(jīng)過PI調節(jié)器，轉化為電壓 QUOTE 和 QUOTE ；電壓 QUOTE 和 QUOTE 與檢測到的轉子角位置 QUOTE 相結合進行反Park變換，變換為兩相靜止坐標系的電壓 QUOTE 和； 電壓 QUOTE QUOTE 和 QUOTE 經(jīng)過SVPWM模塊調制為六路開關信號從而控制三相逆變器的開通與關斷。 當 QUOTE * MERGEFORMAT QUOTE QUOTE QUOTE 變化時 QUOTE 產(chǎn)生偏

38、差 QUOTE * MERGEFORMAT ，PI調節(jié)器輸出設定值 QUOTE * MERGEFORMAT 和實際交軸電流比較, QUOTE 得到偏差 QUOTE ，用來調節(jié)實際交軸電流；如果直軸電流 QUOTE 不為0，因為直軸電流給定值為0，產(chǎn)生直軸電流 QUOTE ；以上兩個偏差電流 QUOTE QUOTE 和 QUOTE QUOTE 經(jīng)過PI調節(jié)器與反Park變換后為SVPWM調制算法提供兩相電壓、 QUOTE ，從而進一步調節(jié)電壓空間矢量，并通過逆變器來調節(jié)電機的轉速，然后重復上述過程，實現(xiàn)了轉速和電流的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.2.2 矢量控制的控制方式 QUOTE 控制定子電流中只有交

39、軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，電機的輸出轉矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉矩性能好，可以獲得很寬的調速圍，適用于高性能的數(shù)控機床、機器人等場合。電機運行功率因數(shù)低，電機和逆變器容量不能充分利用。 QUOTE 控制控制交、直軸電流分量，保持PMSM的功率因數(shù)為1，在 QUOTE 條件下，電機的電磁轉矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢?？梢猿浞掷媚孀兤鞯娜萘?。不足之處在于能夠輸出的最大轉矩較小。最大轉矩/電流比控制也稱為單位電流輸出最大轉矩的控制（最優(yōu)轉矩控制）。它是凸極PMSM用的較多的一種電流控制策略。當輸出轉矩一定時，逆變器輸出電流最小，

40、可以減小電機的銅耗。3.2.3 矢量控制的坐標變換Clarke（3s/2s）變換 QUOTE * MERGEFORMAT N3：三相繞組每相繞組匝數(shù) QUOTE N2：兩相繞組每相繞組匝數(shù)圖3-2 Clarke（3s/2s）變換各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其相關空間矢量均位于有關相的坐標軸上設磁動勢波形是正弦分布的，當三相總磁動勢與相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在軸上的投影都應相等，因此 QUOTE （3-1）考慮變換前后總功率不變，可得匝數(shù)比應為 QUOTE （3-2）可得 QUOTE （3-3）坐標系變換矩陣： QUOTE （3-4） QUOTE （3-5）如果三

41、相繞組是Y形聯(lián)結不帶零線，則有于是 QUOTE （3-6） QUOTE （3-7）Park（2s/2r）變換兩個交流電流、和兩個直流電流、，產(chǎn)生同樣的以同步轉速 QUOTE 旋轉的合成磁動勢 QUOTE 。d、q軸和矢量 QUOTE 都以轉速 QUOTE 旋轉，分量 QUOTE 、的長短不變。a QUOTE 軸與d軸的夾角 QUOTE 隨時間變化。圖3-3 Park（2s/2r）變換由圖可見， QUOTE 、和 QUOTE 、之間存在下列關系 QUOTE （3-8）寫成矩陣的形式，得 QUOTE （3-9）坐標系變換矩陣 QUOTE （3-10） QUOTE （3-11）電壓空間矢量由三組六個

42、開關（ QUOTE * MERGEFORMAT 、）組成。由于 QUOTE 與 QUOTE * MERGEFORMAT 、 QUOTE * MERGEFORMAT 與 QUOTE * MERGEFORMAT 、 QUOTE 與 QUOTE * MERGEFORMAT 之間互為反向，即一個接通，一個斷開，所以三組開關有 QUOTE 種開關組合。圖3-4 PWM逆變器模型若規(guī)定三相負載的某一相與“+”極接通時，該相的開關狀態(tài)為“1”態(tài)；反之，與“-”極接通時，為“0”態(tài)。則有8種可能的開關組合。表3-1 8種可能的開關組合狀態(tài)01234567010101010011001100001111逆變器7

43、種不同的電壓狀態(tài)：電壓狀態(tài)“1”至“6”零電壓關狀態(tài)“0”和“7”逆變器的輸出電壓用空間電壓矢量來表示，依次表示為 QUOTE （3-12）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)的對應關系圖、電壓狀態(tài)和開關狀態(tài)均以6個狀態(tài)為一個周期，相電壓幅值為兩種： QUOTE 和 QUOTE 。圖3-5 逆變器各量對應關系圖把逆變器的7個輸出電壓狀態(tài)放入空間平面，形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔60角度，6個工作電壓空間矢量的頂點構成正六邊形。圖3-6 6個工作電壓空間矢量的頂點構成的正六邊形選定定子坐標系中的與Park矢量復平面的實軸、其三相物理量Park

44、的矢量 QUOTE 為 QUOTE （3-13）式中 QUOTE 復系數(shù)旋轉空間矢量 QUOTE 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。若 QUOTE 三相負載的定子繞組接成星形，其輸出電壓的空間矢量Park矢量變換表達式為 QUOTE （3-14）對于狀態(tài)“1”Sabc=001 時；可知 QUOTE （3-15）則: QUOTE (3-16)電壓空間矢量的結論：逆變器六個工作電壓狀態(tài)給出了六個不同方向的電壓空間矢量。它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60度；電壓空間矢量的幅值不變，都等于2ud QUOTE /3；因此六個電壓空間矢量的頂點構成了正六邊形的

45、六個頂點；六個電壓空間矢量的順序如下，它們依次沿逆時針方向旋轉；零電壓狀態(tài)7位于六邊形中心。3.2.4 矢量控制的基本方程SM-PMSM的電壓和磁鏈方程： QUOTE （3-17） QUOTE （3-18） QUOTE * MERGEFORMAT ：定子相繞組 QUOTE * MERGEFORMAT ：定子相繞組電感 QUOTE * MERGEFORMAT ：定子相繞組互感 QUOTE * MERGEFORMAT ：轉子電角度 QUOTE * MERGEFORMAT ：轉子永磁磁鏈其中： QUOTE 磁鏈轉矩方程:（3-19） QUOTE （3-20）3.3 直接轉矩控制直接轉矩控制技術是用空

46、間矢量的分析方法直接在定子坐標系下計算并控制交流電機的轉矩，借助于雙位模擬調節(jié)器產(chǎn)生信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高性能控制。矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要復雜的矢量旋轉變換，而且電動機的機械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應矢量控制中的轉矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學者Depenbrock于上世紀80年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案，即直接轉矩控制(DTC)，在此之后越來越多的學者投入到永磁同步電機直接轉矩控制的研究。它采取定子磁鏈定向的方法，利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉矩進行調節(jié)，省掉了復雜的矢量變換，

47、其控制思想新穎，控制結構簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確等優(yōu)點14。DTC最早用于感應電動機，1997年L Zhong等人對DTC算法進行改造，將其用于永磁同步電動機控制。DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機的磁鏈和轉矩值后，即可對永磁同步電動機進行DTC。隨著現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的引入，涌現(xiàn)出許多基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制、非線性控制、變結構控制的直接轉矩控制系統(tǒng)，使直接轉矩控制技術得到進一步改善和提高。直接轉矩控制的目標是：通過選擇適當?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)磁鏈模值和電磁轉矩的跟蹤控制，其基本原理如圖3-7所

48、示。在圖3-7中，定子磁鏈和電磁轉矩分別采用閉環(huán)控制， QUOTE 、 QUOTE 分別為定子磁鏈模值和電磁轉矩的給定信號，作為反饋信號使用。根據(jù)誤差信號，轉矩調節(jié)器輸出轉矩增、減控制信號 QUOTE ；磁鏈調節(jié)器輸出磁鏈增、減控制信號 QUOTE 。開關表根據(jù) QUOTE 、 QUOTE ；以與估計器輸出的磁鏈扇區(qū)信號，選擇正確的定子電壓空間矢量，輸出控制字給Sa、Sb、Sc變器。 圖3-7 直接轉矩控制系統(tǒng)的基本原理框圖3.3.1 定子磁鏈控制直接轉矩控制系統(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)性能的交流電動機變壓

49、變頻調速系統(tǒng)。在它的轉速環(huán)里面，利用轉矩反饋直接控制電機的電磁轉矩，因而得名。工作原理：轉速正、反向和弱磁升速。磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉速調節(jié)器ASR的輸出作為轉矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。在轉矩環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當于一種擾動作用，因而受到轉矩環(huán)的抑制，從而改造了轉速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。結構特點轉速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉矩的給定信號；設置轉矩控制環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉速子系統(tǒng)的影響，從而使轉速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。轉矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調節(jié)器?？刂铺攸c與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制電動機的轉速和磁鏈，

50、但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點是：轉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矩和磁鏈分量，省去了旋轉變換和電流控制，簡化了控制器的結構。選擇定子磁鏈作為被控量，而不像VC系統(tǒng)中那樣選擇轉子磁鏈，這樣一來，計算磁鏈的模型可以不受轉子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學模型推導按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉子磁鏈定向時復雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復雜性對控制器并沒有影響。由于采用了直接轉矩控制，在加減速或負載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉矩響應，但必須注意

51、限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關器件，因此實際的轉矩響應的快速性也是有限的?？刂埔?guī)律和反饋模型除轉矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問題就是：轉矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型；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狀態(tài)。電壓空間矢量和逆變器的開關狀態(tài)的選擇根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時間。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，主電路開關頻率低，但定子磁鏈偏差較大；圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復雜，主電路開關頻率高，定子磁近恒定。該系統(tǒng)也可用

52、于弱磁升速，這時要設計好*s = f (w*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉速時的磁鏈給定值。DTC系統(tǒng)存在的問題由于采用砰-砰控制，實際轉矩必然在上下限脈動，而不是完全恒定的。由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準確度。這兩個問題的影響在低速時都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調速圍受到限制。為了解決這些問題，許多學者做過不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。3.3.2 空間矢量控制空間矢量在3.2.4節(jié)的第三條中已經(jīng)做了詳細介紹，這里不在重復說明。矢量、磁鏈矢量定子的二個相電流產(chǎn)生相應的二相磁動勢矢量，定子磁動勢是真實

53、的矢量，在電動機的實際空間中，它們的極性能容易地被確定。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。這相當于對三相電流ia、ib、ic施加Park變換。除此之外，異步電動機的其它二相變量也表示成空間矢量 ，磁鏈矢量包括定子磁鏈矢量、氣隙磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量。 3.4 直接轉矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實際應用的高性能交流調速系統(tǒng)。兩者都采用轉矩（轉速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動機動態(tài)數(shù)學模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 VC系統(tǒng)強調 Te與r的解耦，有利于分別設計轉速與磁鏈調節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調速圍

54、；但按r 定向受電動機轉子參數(shù)變化的影響，降低了系統(tǒng)的魯棒性。 DTC系統(tǒng)則實行Te 與s 砰-砰控制，避開了旋轉坐標變換，簡化了控制結構；控制定子磁鏈而不是轉子磁鏈，不受轉子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉矩脈動，低速性能較差，調速圍受到限制。下表列出了兩種系統(tǒng)的特點與性能的比較。表3-2 直接轉矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)特點與性能比較性能與特點 直接轉矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉子磁鏈轉矩控制砰-砰控制，有轉矩脈動連續(xù)控制，比較平滑坐標變換靜止坐標變換，較簡單旋轉坐標變換，較復雜轉子參數(shù)變化影響無有調速圍不夠寬比較寬3.5 小結這章詳細講述了矢量控制和直接轉矩控制的基本控制原理

55、并對它們進行了簡單的比較。在第四章將對永磁同步電機矢量控制仿真，而這一章節(jié)的容則為第四章容奠定基礎。4基于Matlab/Simulink的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真永磁同步電機（PMSM）是采用高能永磁體為轉子，具有低慣性、快響應、高功率密度、低損耗、高效率等優(yōu)點，成為了高精度、微進給伺服系統(tǒng)的最佳執(zhí)行機構之一。永磁同步電機構成的永磁交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)向數(shù)字化方向發(fā)展。在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，矢量控制原理以與空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）技術使得交流電機能夠獲得和直流電機相媲美的性能15。永磁同步電機（PMSM）是一個復雜耦合的非線性系統(tǒng)。本章在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過對P

56、MSM本體、d/q坐標系向a/b/c坐標系轉換等模塊的建立與組合，構建了永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真模型。仿真結果證明了該系統(tǒng)模型的有效性。 本章介紹了電壓空間矢量脈寬調制原理并給出了坐標變換模塊、SVPWM模塊以與整個PMSM閉環(huán)矢量控制仿真模型，給出了仿真模型結構圖和仿真結果。4.1 電壓空間矢量脈寬調制原理4.1.1 電壓空間矢量電機輸入三相正弦電壓的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉矩。直接針對這個目標，把逆變器和異步電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制PWM電壓，這樣的控制方法稱為“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量PWM

57、控制”?？臻g矢量是按電壓所加繞組的空間位置來定義的。在圖4-1中，A、B、C分別表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差120，三相定子相電壓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12016。圖4-1 三相電壓矢量將圖4-1的平面看成是一個復平面，則（4-1）三相合成的空間電壓矢量U1可寫為（4-2）由于 QUOTE UA(t)、UB(t)、UC(t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 QUOTE （4-3）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空間矢量，它

58、的幅值是每相電壓值的1.5倍，其旋轉的角速度等于正弦電壓量的角頻率。磁鏈和電流空間矢量、電壓平衡方程的矢量表示 QUOTE （4-4）在轉速不太低時，RI較小，故 QUOTE （4-5）式（4-5）表明：電壓矢量的大小等于磁鏈的變化率，而電壓矢量的方向就是磁鏈運動的方向。在調速系統(tǒng)中，電機由三相PWM逆變器供電，如圖4-2所示。為使電機對稱工作，必須三一樣時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的三個器件同時導通，而相應橋臂的另三個功率器件則處于關斷狀態(tài)。圖4-2 三相PWM逆變器逆變器共有8種工作狀態(tài)，即001、010、011、100、101、110、111、000。將其中6個非零的開關狀態(tài)

59、相電壓值代入式（4-2），可得到6個空間電壓矢量，如圖4-3所示。圖4-3 基本空間電壓矢量4.1.2 零矢量的作用在非零矢量作用的同時，插入零矢量的作用，讓電機的磁鏈端點“走走停?！?，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)恒磁通變頻調速。改變非零矢量的作用時間與總的作用時間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值。4.1.3 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?，F(xiàn)在以U1、U2作用區(qū)間為例，根據(jù)電壓和時間乘積平衡原理，可以得到任意一個參考電壓矢量Ur。圖4-4

60、U1 QUOTE * MERGEFORMAT 和U2 QUOTE * MERGEFORMAT 合成矢量Ur QUOTE * MERGEFORMAT （4-6） QUOTE （4-7） QUOTE （4-8）Udc QUOTE 為直流母線，M為調制比，t0、t1、t2 QUOTE 分別為零矢量U1、U2的作用時間，零矢量可以是 QUOTE U0或U1。4.2 坐標變換模塊三相永磁同步電機矢量控制的基本思想是把交流電機當成直流電機來控制，即模擬直流電機的控制特點進行永磁同步電機的控制。為簡化感應電機模型，可將電機三相繞組電流產(chǎn)生的磁動勢按平面矢量的疊加原理進行合成和分解，使得能夠用兩相正交繞組來等