基于matlab的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真

摘要

本文首先介紹了永磁同步電機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，然后介紹了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理，接著建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上用MATLAB進(jìn)行了仿真，最后進(jìn)行了仿真及仿真結(jié)果的分析。

永磁同步電機(jī)是具有非線性、強(qiáng)耦合性、時變性的系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中會受到負(fù)載擾動等多因素影響。以往研究永磁同步電機(jī)的做法是在硬件上搭建一個平臺進(jìn)行模擬，但是這樣在做實(shí)驗(yàn)中難免會造成一些損失，而且硬件上的反饋會比較長研究周期長。目前在國內(nèi)外關(guān)于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀上來講，基于MATLAB環(huán)境下仿真模型的構(gòu)建下進(jìn)行研究，這可極大的縮短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步電機(jī)時，我們可以把那些擾動因數(shù)做成模擬信號給予模型，這樣可以準(zhǔn)確的定性分析實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。

關(guān)鍵字：永磁同步電機(jī)，空間矢量調(diào)制，MATLAB仿真，數(shù)學(xué)模型。

ABSTRACT

Inthefirst,thispaperintroducesthedomesticandinternationaldevelopmentstatusofPermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM),givesaexplanationaboutitsbasictheory,structure.Thenitbuildsamathematicalmodel,andusesMATLABtosimulatethatmodel.

ThePMSMisanonlinear,strong-couplingandtime-varyingsystem,sointheoperationprocess,itwillbeinfluencedbymanyfactorssuchasloaddisturbance.Therere,itisnecessarytotakeactionwhenresearchingthecontrolmethodofPMSM.Theformerresearchmethodissettingupaplatformonhardwaretoperformexperimensbutitisundesirable,becauseitoftencausesomeloss,andthefeedbackcycleislongerthanresearchcycle.AsfordomesticandinternationalcurrentsituationontheresearchofPMSM,itisobviousthatresearchingunderthesimulationmodelcreatedbyMATLABcouldgreatlyreducethecostandcycleofresearchment.WhenusingMATLABtobuildsimulationmodelontheresearchofPMSM,wecantransformthesedisturbancefactorsintoanalogsignal,makingaqualitativeanalysistodrawconclusionsfromthem.

Keywords：PMSM,SVPWM,MATLABsimulation,mathmaticalmodel

目錄

TOC\o"1-4"\h\z\u

摘要

I

ABSTRACT

II

目錄

III

第一章緒論

1

1.1研究背景及意義

1

1.1.1研究背景

1

1.1.2研究的目的及意義

1

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2

1.2.1國內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀

2

1.2.2國外研究現(xiàn)狀及趨勢

2

1.3本文的主要內(nèi)容

3

第二章永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

5

2.1引言

5

2.2永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

5

2.3永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

6

2.3.1PMSM在ABC坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

6

2.3.2PMSM在坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

8

2.3.3PMSM在dq0坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

9

2.4永磁同步電機(jī)的控制策略

11

2.5本章小節(jié)

12

第三章永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制

14

3.1引言

14

3.2永磁同步電動機(jī)的矢量控制

14

3.3空間矢量脈寬調(diào)制概念

15

3.4SVPWM模塊的建立

17

3.5本章小結(jié)

23

第四章基于Matlab的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立

24

4.1引言

24

4.2MATLAB軟件的介紹

24

4.3永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體模型的建立

25

4.4仿真參數(shù)調(diào)試及結(jié)果分析

28

4.5本章小結(jié)

29

第五章總結(jié)與展望

30

5.1全文總結(jié)

30

參考文獻(xiàn)

31

致謝

33

第一章緒論

1.1研究背景及意義

1.1.1研究背景

隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。而永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能使電機(jī)的功率因數(shù)更高、轉(zhuǎn)子參數(shù)變的可測、效率更高等特點(diǎn)，近年來永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究也越來越受到國內(nèi)外專家學(xué)者的重視[1]。

而對于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究主要是依據(jù)Matlab的仿真，在Matlab中進(jìn)行永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（PMSM）建模仿真方法的研究，以往大部分的研究是采用的是節(jié)點(diǎn)電流法對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后通過列寫nt文件來建立PMSM的仿真模型。這實(shí)質(zhì)上是一種整體分析方法，但是在此模型基礎(chǔ)上修改控制算法或添加、刪除閉環(huán)會顯得極不方便。為了克服這一不足，本文利用的是將控制單元模塊化的仿真方法。

對于研究永磁同步電機(jī)的研究人員來講，只需通過修改系統(tǒng)參變量或人為加入不同擾動因素來考察不同實(shí)驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，或者模擬相同的實(shí)驗(yàn)條件，比較不同控制策略的優(yōu)劣，來分析和設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，就可為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供新的思路。

1.1.2研究的目的及意義

近十年來，隨著永磁材料、電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展。永磁同步電動機(jī)控制存在的硬件問題得以逐步解決。永磁同步電機(jī)由于體積小，重量輕，磁性能穩(wěn)定，具有較高的運(yùn)行效率、較小的轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)矩脈動、可支持高速運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)中，諸如高性能機(jī)床進(jìn)給、位置控制、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等眾多領(lǐng)域同步電機(jī)得到了廣泛應(yīng)用[2]。但是為了得到更好的控制效果更高效的生產(chǎn)效率對于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究提出了新的更高的要求。

本課題主要研究基于Matlab的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真，在Simulink中建立整個調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型并給出仿真結(jié)果。該課題主要是為了在研究永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時搭建好一個仿真的平臺，能夠在研究過程中及時的實(shí)現(xiàn)研究要求的控制策略進(jìn)行相關(guān)的條件給予模擬，以代替以往只能在實(shí)際硬件中進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)的研究。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1國內(nèi)研究歷史及現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)70年代開始跟蹤開發(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。主要研究機(jī)構(gòu)是北京機(jī)床所、西安微電機(jī)研究所、中科院沈陽自動化所等。80年代之后開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，直到2000年，國產(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越大的市場空間，國內(nèi)幾家單位開始推出自己品牌的交流伺服產(chǎn)品。目前國內(nèi)主要的伺服品牌或廠家有森01(和利時電機(jī))、華中數(shù)控、廣數(shù)、南京埃斯頓、蘭州電機(jī)廠等。其中華中數(shù)控、廣數(shù)等主要集中在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域[2]。

1.2.2國外研究現(xiàn)狀及趨勢

在國外上，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、以及伺服專用模塊。如貝加萊(B&R)-V業(yè)自動化公司推出的ACOPOSmulti驅(qū)動系統(tǒng)采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，每個軸模塊可以提供1-2個伺服軸控制，并集成了一個24VDC的輔助電源模塊，為驅(qū)動器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個到直流總線的鏈接，來獲得開路、短路和過載保護(hù)。在國內(nèi)，我們還沒有看到有廠商進(jìn)行類似的模塊式設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品中融入機(jī)器安全概念。國外廠商伺服產(chǎn)品每5年就會換代，新的功率器件或模塊每2-5年就會更新一次，新的軟件算法則日新月異，總之產(chǎn)品生命周期越來越短?？偨Y(jié)國內(nèi)外伺服廠家的技術(shù)路線和產(chǎn)品路線，結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下一些最新發(fā)展趨勢：

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)動系統(tǒng)的高效率化，包括逆變器驅(qū)動電路的優(yōu)化，加減速運(yùn)動的優(yōu)化，再生制動和能量反饋以及更好的冷卻方式等。

2．直接驅(qū)動：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)百萬脈沖級)，更高采樣精度和數(shù)據(jù)位數(shù)、速度更快的DSP，無齒槽效應(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)動器配置有大量的參數(shù)和豐富的菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下，方便地設(shè)置各種工作方式，適用于各種場合，可以驅(qū)動不同類型的電機(jī)，也可以適應(yīng)不同的傳感器類型甚至無位置傳感器?？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)動器都具備負(fù)載慣量測定和自動增益調(diào)整功能，有的可以自動辨識電機(jī)的參數(shù)，自動測定編碼器零位，有些則能自動進(jìn)行振動抑止。將電子齒輪、電子凸輪、同步跟蹤、插補(bǔ)運(yùn)動等控制功能和驅(qū)動結(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)測性維護(hù)技術(shù)，使得人們可以通過Intemet及時了解重要技術(shù)參數(shù)的動態(tài)趨勢，并采取預(yù)防性措施。比如：關(guān)注電流的升高，負(fù)載變化時評估尖峰電流，外殼或鐵芯溫度升高時監(jiān)視溫度傳感器，以及對電流波形發(fā)生的任何畸變保持警惕[3]。

1.3本文的主要內(nèi)容

本文主要目的是通過Matlab中的sumlink環(huán)境中進(jìn)行永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真調(diào)試，具體的內(nèi)容如下：

第一章緒論：通過各種資料了解本課題的研究背景及意義，分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及研究趨勢。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，研究提升已有的系統(tǒng)的性能需要一個利于研究的平臺，在這一點(diǎn)上國內(nèi)外的差距在于我們國內(nèi)的研究重視還不夠。

第二章永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型：分析建立了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型的，具體的細(xì)分到PMSM在三種不同坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程以及它們之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并簡單了解了PMSM的控制策略。

第三章永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制：主要講解關(guān)于PMSM的核心空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）的仿真模型的建立，要用的工具有MATLAB軟件，了解SVPWM的概念以及建立SVPWM模塊。

第四章基于Matlab的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立：講述了PMSM仿真模塊整體的建構(gòu)以及仿真參數(shù)的調(diào)試及結(jié)果分析的一章，通過分塊建構(gòu)模型，最后集成整體模型的方式完成整體建構(gòu)[4]。

第五章總結(jié)與展望：總結(jié)本文的主要研究內(nèi)容，并對后續(xù)要做的進(jìn)行展望。

第二章永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

2.1引言

20世紀(jì)80年代，永磁材料特別是具有高磁能積、高強(qiáng)磁力、低廉價(jià)格的銣鐵硼永磁材料的發(fā)展，使人們研制出了價(jià)格低廉、體積小巧、性能高的永磁同步電機(jī)[5]。永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子通常使用永磁體，無電勵磁電動機(jī)的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和勵磁損耗問題，運(yùn)行的效率和功率因數(shù)都較高，因而此類永磁同步電機(jī)在數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)領(lǐng)域中逐漸成為了主流[5]。本章在簡要介紹永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)和分類的基礎(chǔ)上，分析推導(dǎo)出永磁同步電機(jī)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。

2.2永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動電流的永磁同步電機(jī)。本文主要以三相正弦波驅(qū)動永磁同步電機(jī)作為研究對象。和普通同步電機(jī)一樣，永磁同步電動機(jī)由定子，轉(zhuǎn)子和端蓋等部件組成。定子由定子鐵心(由沖有槽孔的硅鋼片受壓而成)、定子繞組(在鐵芯槽中嵌入三相電樞繞組)構(gòu)成。定子和普通感應(yīng)電動機(jī)基本相同，也是采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機(jī)運(yùn)行時的鐵耗。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及磁滯組成，其主要作用是在電動機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠大的磁場強(qiáng)度，與通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動自身的運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實(shí)心的，也可以用疊片疊壓而成。圖2-1為永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，轉(zhuǎn)子鐵心上可以有電樞繞組。為了減少電動機(jī)的雜散損耗，定子繞組通常采用星形接法[6]。

圖2-1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)轉(zhuǎn)子極對數(shù)的不同，永磁同步電動機(jī)分為單極電動機(jī)和多極電動機(jī)兩大類。目前制作轉(zhuǎn)子的材料多采用高性能的永磁材料有：AINiCo(鋁鎳鉆鐵磁性合金材料)、Ferrites(鐵氧體磁性材料)、RareEarth(稀土族磁性材料)、MnAIC(錳鋁碳磁性材料)、Ceramic(陶瓷磁性材料)anNdFeB(銣鐵硼合金磁性材料)等。目前我國的銣鐵硼磁性材料特性水平達(dá)到世界的先進(jìn)水平，因此開發(fā)和研制銣鐵硼永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)具有得天獨(dú)厚的有利條件。

對于無刷直流電機(jī)構(gòu)成的運(yùn)動控制系統(tǒng)，通常有著成本低廉、材料利用率高以及控制方式簡單等優(yōu)點(diǎn)。但由于無刷直流電機(jī)原理上存在固有缺陷，使得其轉(zhuǎn)矩脈動較大，鐵心附加損耗較大，因此只適用于一般精度及性能要求的場合；而交流永磁同步電機(jī)作為一種特殊的同步電動機(jī)，它能夠克服無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的不足，具有優(yōu)良的控制性能，在交流驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用更為廣泛。目前，永磁同步電機(jī)已經(jīng)成為高性能驅(qū)動系統(tǒng)的主體。

永磁同步電機(jī)從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上大致可以分為兩大類：表面式永磁同步電機(jī)SPMSM(SurfacePermanentManetSynchronousMotor)和內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)IPMSM(InteriorPermanentMagnetSynchronousMotor)。對采用稀土永磁的電機(jī)來說，由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近于1，所以表面凸極式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu);而表面插入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。表面式永磁同步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間磁路分布均勻，基本上與轉(zhuǎn)子位置無關(guān);內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子具有明顯的磁極，定子與轉(zhuǎn)子之間磁路是不均勻的，與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。表面式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)上較簡單，轉(zhuǎn)子直徑較小，從而降低轉(zhuǎn)動慣量，它有較大的磁路氣隙，若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感，利于電機(jī)動態(tài)性能的改善。一般永磁同步電機(jī)多采用這種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)是將永磁體裝于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，制造工藝較為復(fù)雜，但機(jī)械強(qiáng)度高，一般適于弱磁控制的高速運(yùn)行場合[7]。

2.3永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

下面我們將以三相正弦波電流驅(qū)動的永磁同步機(jī)(PMSM)為研究對象，分析永磁同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系下的、永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系下的及在dq0坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程，并將分析三種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換。

2.3.1PMSM在ABC坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

本文所研究的對象為表面式PMSM，它與普通電勵磁同步電機(jī)的定子一樣有A，B，C三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關(guān)系。由于定子和轉(zhuǎn)子之間存在相對運(yùn)動，使得這種電磁耦合關(guān)系十分復(fù)雜，給電機(jī)的分析和控制帶來了困難。為了簡化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，做如下假設(shè)[8]：

(1)忽略磁飽和，不計(jì)鐵心的渦流損耗和磁滯損耗，認(rèn)為磁路是線性的；

(2)定子繞組三相對稱，各相繞組的軸線在空間上互差120度；

(3)電機(jī)定子電樞繞組的空載電勢是正弦波

(4)定子繞組電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波；

(5)轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組；

(6)永磁體的電導(dǎo)率為零。

PMSM的定子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ尤嗬@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)子位置角有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈也與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，轉(zhuǎn)子永磁體在每相繞組中產(chǎn)生反電勢。由此，得到三相PMSM在定子靜止三相ABC坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程為[9]：

(2.1)

式(2.1)中：

為定子三相繞組磁鏈；

為定子三相繞組自感系數(shù)；

為定子X繞組和Y繞組的互感系數(shù)；

為永磁磁極與定子繞組交鏈的最大磁鏈。

定子繞組的自感系數(shù)和互感系數(shù)均為的函數(shù)，且互感系數(shù)滿足關(guān)系、、。

三相永磁同步電機(jī)在定子靜止三相ABC坐標(biāo)下的電壓方程為

(2.2)

式(2.2)中：

為定子相電壓；

R為定子繞組每相電阻；

為定子相電流。

2.3.2PMSM在坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

定子靜止三相ABC坐標(biāo)系統(tǒng)到定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換為

(2.3)

其中Clarke變換陣[10]為：

（2.4）

將式（2.4）改寫為

（2.5）

在式(2.5)兩邊左乘Clarke變換陣后，得到定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程

(2.6)

式（2.6）中

（2.7）

將式（2.2）改寫為

（2.8）

式(2.8)中P為求導(dǎo)符號，在方程式兩邊左乘Clarke變換矩陣后，可得到定子靜止兩坐標(biāo)系統(tǒng)下的電壓方程

(2.9)

經(jīng)過Clarke變換后，定子磁鏈方程和電壓方程的系數(shù)矩陣仍然與轉(zhuǎn)子位置角有關(guān)，分析計(jì)算比較麻煩，需進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角的解耦變化。

2.3.3PMSM在dq0坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程

dq0坐標(biāo)系統(tǒng)是隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的，其d軸（直軸）與轉(zhuǎn)子的磁場方向重合（定向），q軸（交軸）逆時針超前d軸電角度[11]。如圖2-2所示。

圖2-2靜止與同步坐標(biāo)系

定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)到轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)變換為

（2.10）

其中park變換陣為

（2.11）

由此，可得三相永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)系統(tǒng)下的磁鏈方程和電壓方程為

（2.12）

（2.13）

式中，一轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

在本系統(tǒng)中，三項(xiàng)永磁同步電機(jī)定子繞組采用星形連接，三相定子電流在電樞繞組中性點(diǎn)滿足基爾霍夫電流定律，即三相電流相加等于零，因此定子電流的零序分量等于零，可以計(jì)算得定子磁鏈和定子電壓的零序分量也等于零[12]。

因此，三相永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)下的磁鏈方程和電壓方程就可以簡化為

（2.14）

（2.15）

即：

由此可見，三相永磁同步電機(jī)必須建立在轉(zhuǎn)子dq0坐標(biāo)系統(tǒng)下才能實(shí)現(xiàn)角度解耦。

2.4永磁同步電機(jī)的控制策略

永磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常用的矢量控制策略有[13]：

（1）控制；

（2）最大轉(zhuǎn)矩電流比控制：

（3）單位功率因數(shù)控制；

（4）最小損耗控制等。

每種控制策略都有其優(yōu)缺點(diǎn)，但是針對永磁同步電機(jī)不同控制目標(biāo)下的矢量控制策略進(jìn)行比較分析，目前最常用到的控制策略主要是電流控制。的控制稱為磁場定向控制，這種控制方法簡單，計(jì)算量小，沒有電樞反應(yīng)中電機(jī)的去磁問題，因此應(yīng)用的比較廣泛[14]。

電流控制旨在將永磁同步電機(jī)d軸電流控制為零，是永磁同步電機(jī)最常用的控制策略。將代入永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程有：

（2.22）

因?yàn)殡姍C(jī)的所有電流都用來產(chǎn)生電磁力矩，控制效率較高。其缺點(diǎn)是隨著輸出端轉(zhuǎn)矩的增加，電機(jī)的端電壓增加較快，功率因此下降，于是對逆變器的容量要求有所提高，無法充分利用電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，不能發(fā)揮其輸出轉(zhuǎn)矩的能力。

假定轉(zhuǎn)子磁場恒定，則電磁轉(zhuǎn)矩Te與q軸電流Isq成正比，即電磁轉(zhuǎn)矩與定

子電流呈線性關(guān)系，從而使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)得到簡化，這是Isd=0控制的優(yōu)點(diǎn)，在已知轉(zhuǎn)矩指令Te*時，電機(jī)dq軸電流指令分別如下：

(2.23)

于是得到永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)控制方程：

（2.24）

要使實(shí)際電流跟隨給定參考值，上式中還加入反饋控制量。下面以比例積分PI調(diào)節(jié)為例，于是得系統(tǒng)最終控制方程式：

(2.25)

采用控制方法是基于轉(zhuǎn)子磁通定向的矢量控制方法，這種控制方法比較簡單，其突出的優(yōu)點(diǎn)是沒有電機(jī)直軸電樞反應(yīng)，不會引起電機(jī)永磁體的去磁現(xiàn)象，并且可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制[15]。不足之處是沒有考慮電機(jī)效率和功率因數(shù)等問題。

2.5本章小節(jié)

本章從永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立了永磁同步電機(jī)在三種坐標(biāo)系下的磁鏈和電壓方程，分別是ABC坐標(biāo)系，坐標(biāo)系，dq0坐標(biāo)系，以及三種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變換，并初步簡單的介紹了下關(guān)于永磁同步電機(jī)的控制策略主要常用的是電流控制。

第三章永磁同步電機(jī)矢量控制及空間矢量脈寬調(diào)制

3.1引言

矢量控制是交流電機(jī)的一種高性能控制技術(shù)，其基本思想是根據(jù)坐標(biāo)變換理論將交流電機(jī)兩個在時間相位上正交的交流分量轉(zhuǎn)換為空間上正交的兩個直流分量，從而把交流電機(jī)定子電流分解成勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量兩個獨(dú)立的直流控制量[16]，分別實(shí)現(xiàn)對電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的控制，然后再通過坐標(biāo)變換將兩個獨(dú)立的直流控制量還原為交流時變量來控制交流電機(jī)，大大提高了調(diào)速的動態(tài)性能。

根據(jù)第二章推導(dǎo)的永磁同步電機(jī)運(yùn)動學(xué)方程式可以知道，對傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制是通過對電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制與調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制是交流電氣傳動系統(tǒng)的控制核心。在矢量控制系統(tǒng)中，通過對永磁同步電機(jī)的直軸電流和交流電流控制就能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)的交直軸電流可以有不同的組合方式，這就有了永磁同步電機(jī)的不同的矢量控制。本章對用于永磁同步電機(jī)矢量控制和空間矢量的調(diào)制（SVPWM）技術(shù)深入研究并建立了SVPWM模塊[17]。

3.2永磁同步電動機(jī)的矢量控制

矢量控制思想是1971年由德國Blaschke等人提出的，首先是應(yīng)用在感應(yīng)電機(jī)中。從那時起人們運(yùn)用矢量控制理論為改善IM的伺服驅(qū)動性能做了大量研究。矢量控制的原理和方法同樣可以應(yīng)用于三相永磁同步電動機(jī)PMSM?？梢哉f，正是因?yàn)檫\(yùn)用了矢量控制理論，才使PMSM的伺服驅(qū)動性能達(dá)到直流電動機(jī)的水平，甚至超過了直流電動機(jī)。眾所周知，在他勵直流電動機(jī)中，勵磁磁場與電樞磁動勢間的空間角度由電刷和機(jī)械換向器所固定，通常情況下，兩者正交。因此，當(dāng)勵磁不變時，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩間存在線性關(guān)系，通過單獨(dú)調(diào)節(jié)電樞電流可以直接控制轉(zhuǎn)矩。為使電動機(jī)在高速區(qū)能以恒功率方式運(yùn)行，還可以單獨(dú)調(diào)節(jié)勵磁，進(jìn)行弱磁控制。正是因?yàn)樵诤軐挼倪\(yùn)行范圍內(nèi)都能提供可控轉(zhuǎn)矩，直流電動機(jī)才在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[18]。

在同步電動機(jī)中，勵磁磁場與電樞磁動勢間的空間角度不是固定的，它隨負(fù)載而變化，特別在動態(tài)情況下，這將會引起磁場間十分復(fù)雜的作用關(guān)系，因此也就不能簡單地通過調(diào)節(jié)定子電流來控制轉(zhuǎn)矩。倘若能夠利用電動機(jī)外部的控制系統(tǒng)，即通過外部條件能對定子磁動勢相對勵磁磁動勢的空間角度實(shí)施定向控制，就可以直接控制兩者間的空間角度。我們將此稱為“角度控制”。若對定子電流幅值也能獨(dú)立地直接控制，就將永磁同步電動機(jī)模擬為他勵直流電動機(jī)。這實(shí)際是對定子電流空間矢量相位和幅值的控制，所以稱之為“矢量控制”[19]。

永磁同步電動機(jī)的矢量控制與異步電動機(jī)、電勵磁同步電動機(jī)一樣，都是一種基于磁場定向的控制策略，只是前者轉(zhuǎn)子永磁體所提供的磁場恒定，加之其結(jié)構(gòu)和參數(shù)各異，故控制方法和其它電機(jī)也有所不同。同步電動機(jī)按照磁鏈定向控制的方法分類可以分為四種控制方案：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。根據(jù)角(定子電流相對的空間角度)的控制范圍，矢量控制有三種形式。

(l)方式。

在這種方式下，，轉(zhuǎn)矩表達(dá)式變?yōu)椋?。電磁轉(zhuǎn)矩僅僅依靠交軸電流與，從而實(shí)現(xiàn)了力矩表達(dá)式中的交、直軸電流解耦，達(dá)到了矢量控制的目的。永磁同步電動機(jī)的電流磁勢與勵磁磁勢正交，當(dāng)磁路為線性時，定子電樞電流對轉(zhuǎn)子勵磁磁場既無助磁作用也無去磁作用，永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流交軸分量成正比，且電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)最大。

(2)方式。

在這種方式下，，定子電樞繞組電流存在直流分量，且該直流分量對永磁體的勵磁磁場有去磁作用，永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)工作在基速以上時，可以在該方式控制下實(shí)現(xiàn)弱磁升速控制。

(3)方式。

在這種方式下，，電樞繞組電流存在直軸分量，且該直軸分量對轉(zhuǎn)子勵磁磁場有助磁作用永磁同步電動機(jī)工作在該方式下可在一定程度上提高其輸出轉(zhuǎn)矩[20]。

凸極永磁同步電機(jī)組成的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，可以靈活地利用磁阻轉(zhuǎn)矩。例如，在基速以下恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)中，控制角，使其在范圍內(nèi)，就可以提高轉(zhuǎn)矩值。在恒功率運(yùn)行區(qū)，通過調(diào)整和控制角可以提高輸出轉(zhuǎn)矩和擴(kuò)大速度范圍。

3.3空間矢量脈寬調(diào)制概念

從原理上講，SVPWM以三相對稱正弦波電壓供電時交流電機(jī)產(chǎn)生的理想圓形磁鏈軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際電機(jī)產(chǎn)生的理想圓形磁鏈軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁鏈圓，從而達(dá)到較高的控制性能[21]。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8個基本空間矢量中兩個相鄰的有效矢量及零矢量，并根據(jù)各自作用時間不同來等效電機(jī)所需的空間電壓矢量，其原理圖如圖3-1所示。

圖3-1SVPWM向量和扇區(qū)

對于任意空間矢量時，假設(shè)位于第I扇區(qū)，把它沿、的方向分解。設(shè)PWM的周期為T，在T內(nèi)導(dǎo)通時間為，導(dǎo)通時間為，或，導(dǎo)通時間為，可得：

同時將分解為平面上的兩個空間矢量和，并考慮到功率不變條件下坐標(biāo)變換雖然有變換前后兩個系統(tǒng)功率不變的優(yōu)點(diǎn)，但由于三相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)的繞組匝數(shù)不等，應(yīng)用空間矢量計(jì)算時應(yīng)把它在各相坐標(biāo)軸上的投影再乘于。從圖3-1我們可以得到：

由上式就可以求得：

SVPWM調(diào)制模式采用連續(xù)開關(guān)調(diào)制模式。每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只切換一個功率開關(guān)器件，以減少開關(guān)損耗。它由3段零矢量和4段相鄰的兩個非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開始，中間和結(jié)尾。開關(guān)順序?yàn)椋篣o(000)，U4(100)，U6(110)，U7(111)，U6(110)，U4(100)，Uo(000)。作用時間依次為：，，，，，，[22]。

按上述方法可以計(jì)算出其它五個扇區(qū)。

3.4SVPWM模塊的建立

在SVPWM技術(shù)中，首先要確定合成電壓矢量所處的扇區(qū)，再次要計(jì)算出基本矢量的作用時間和開關(guān)時間。電壓空間矢量SVPWM波形產(chǎn)生模塊：以兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓分量和作為輸入，通過扇區(qū)判斷、作用時間計(jì)算、過調(diào)制判斷、矢量切換時間點(diǎn)計(jì)算、各相占空比分配等功能模塊輸出PWM波形，輸出PWM脈沖來控制三相逆變器晶體管功率開關(guān)器件的導(dǎo)通或者斷開狀態(tài)向外供電，從而實(shí)現(xiàn)三相交流永磁同步電機(jī)的電壓空間矢量調(diào)制[23]。

(一)扇區(qū)選擇

根據(jù)圖3-1中各扇區(qū)與，的關(guān)系，判斷如下：當(dāng)>0時，令A(yù)=1，否則A=0；當(dāng)時，令B=1，否則B=0；當(dāng)時，則C=1，否則C=0。確定扇區(qū)號N=A+2B+4C，得到扇區(qū)與N的對應(yīng)關(guān)系如表3-1，模型如圖3-2所示。

表3-1各扇區(qū)與N的對應(yīng)關(guān)系

扇區(qū)號

I

II

III

IV

V

VI

N

3

1

5

4

6

2

圖3-2扇區(qū)判斷模型

（二）計(jì)算基本矢量的作用時間

以扇區(qū)1為例，用最近的兩個相鄰基本電壓空間矢量，和零矢量合成參考矢量，在坐標(biāo)系下分解為和，如圖3-3所示

圖3-3參考電壓矢量映射圖

在周期內(nèi)，作用時間為，作用時間為，作用時間為，根據(jù)矢量作用等效有：

由圖3-3根據(jù)三角關(guān)系得：

有空間矢量的定義式有：，根據(jù)以上三式計(jì)算得：

若定義：

則在不同扇區(qū)其相鄰的兩個基本電壓空間矢量和的作用時間（對應(yīng)，，），（對應(yīng)，，）可以按表3-2取值。

表3-2扇區(qū)與非零矢量作用時間的對應(yīng)關(guān)系

扇區(qū)號123456

-ZZX-X-YY

XY-YZ-Z-X

在一般不發(fā)生過調(diào)制的情況下，有，，最大值是，它是6個基本矢量形成的正六邊形的內(nèi)切圓。

對應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊如圖3-4：

圖3-4仿真模塊圖

令，，。計(jì)算模型如圖3-3。則N與矢量作用時間互和疋的對應(yīng)關(guān)系如表3-2所示：

表3-3基本矢量作用時間

N

1

2

3

4

5

6

Z

Y

-Z

-X

X

-Y

Y

-X

X

Z

-Y

-Z

由于和和一定要小于或等于T(即PWM調(diào)制周期)，所以還要進(jìn)行飽和判斷，當(dāng)時，應(yīng)?。海?。其模型實(shí)現(xiàn)如下：

圖3-5xyz/t1t2仿真模塊圖

（三）計(jì)算開關(guān)作用時間

令，，，則N與開關(guān)作用時間，，。之間的對應(yīng)關(guān)系如表3-3所示，該模型如圖3-6所示。

表3-4開關(guān)作用時間

N

1

2

3

4

5

6

圖3-6計(jì)算ta，tb，tc

圖3-6計(jì)算Tcm1，Tcm2，Tcm3

（四）生成PWM波形

計(jì)算得到的，，值與等腰三角形進(jìn)行比較，就可以生成對稱空間矢量PWM波形PWMl、PWM3、PWM5。將生成的PWM1、PWM3、PWM5進(jìn)行非運(yùn)算就可以生成PWM2、PWM4和PWM6[21]。模型如圖3-5所示。

圖3-7生成PWM波模型

3.5本章小結(jié)

本章分析了SVPWM的概念及相關(guān)的原理，并通過分析計(jì)算了其中的四個模塊分別為（扇區(qū)選擇，基本矢量作用時間的計(jì)算，開關(guān)作用時間的計(jì)算，生成PWM波模塊等）來深入了解SVPWM的構(gòu)成并建立好了SVPWM的模型。

第四章基于Matlab的永磁同步調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建立

4.1引言

在電氣行業(yè)常常是軟件伴隨著硬件的研發(fā)而一路發(fā)展下來的每年都有新型的電子材料的出現(xiàn)帶動著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展到現(xiàn)今為止永磁同步電機(jī)(PMSM)系統(tǒng)在大范圍伺服系統(tǒng)中得以應(yīng)用，對于它的研究要求周期短盡可能的跟上硬件的發(fā)展，因而建立一個基于MATLAB的PMSM的仿真模型用于研究具有重要的意義[24]?；谇懊鎺渍路治龅腜MSM的數(shù)學(xué)模型，及空間矢量脈寬調(diào)制的基礎(chǔ)上，借助于Matlab強(qiáng)大的仿真建模能力，在Matlab/Simulink中我們可以建立永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。

4.2MATLAB軟件的介紹

MATLAB是功能強(qiáng)大的科學(xué)及工程計(jì)算軟件，它不但具有以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的強(qiáng)大數(shù)學(xué)計(jì)算和分析功能，而且還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設(shè)計(jì)能力。MATLAB的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，除數(shù)學(xué)計(jì)算和分析外。還被廣泛地應(yīng)用于自動控制，系統(tǒng)仿真，數(shù)字信號處理，圖形圖像分析，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，人工智能，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通信工程，金融系統(tǒng)等領(lǐng)域。

在MATLAB中的Simulink改變了以往實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真和模擬的傳統(tǒng)方法，它提供了大量的系統(tǒng)模塊，包括了信號運(yùn)算顯示和系統(tǒng)等多方面的功能，可以創(chuàng)建各種類型的仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)豐富的仿真功能，用戶也可以自定義自己的模塊，進(jìn)一步擴(kuò)展模型的范圍和功能。

為了創(chuàng)建大型系統(tǒng)，Simulink提供了系統(tǒng)分層次排列的功能，類似于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在Simulink中可以將系統(tǒng)分為高級到低級的幾個層次，每層又可以細(xì)分為幾個部分，每層系統(tǒng)構(gòu)建完成后，將各層連接起來構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。

模型創(chuàng)建完成后，可以啟動系統(tǒng)的仿真功能分析系統(tǒng)的動態(tài)特性。Simulink內(nèi)置的分析工具包括各種仿真算法，系統(tǒng)線性化，尋求平衡等，仿真結(jié)果可以以圖片的方式顯示在示波器的窗口，以便于用戶觀察系統(tǒng)的輸出結(jié)果。Simulink的輸出結(jié)果可以以變量的形式保存起來，并輸入到MATLAB中以便完成進(jìn)一步的分析。

Simulink可以仿真線性或非線性系統(tǒng)，并能夠創(chuàng)建連續(xù)時間，離散時間或二者的混合的系統(tǒng)。Simulink還支持多采樣頻率系統(tǒng)，及不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率進(jìn)行組合，可以仿真較大較復(fù)雜的系統(tǒng)[25]。

模型的創(chuàng)建與定義，模型的分析以及修正是使用Simulink的三大步驟，如下圖顯示了典型的Simulink的工作框圖。

圖4-1Simulink的工作框圖

4.3永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體模型的建立

在Matlab7.0的Simulink環(huán)境下．利用Sim-PowerSystems(簡稱PSB)中豐富的模塊庫．通過分析PMSM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上．提出了建立控制系統(tǒng)仿真模型的方法。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，雖然PSB模塊是在Simulink基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。但PSB中的模塊與Simulink中的模塊大多不能直接連接．要通過PSB提供的兩類中間接口模塊來實(shí)現(xiàn)這兩種模塊中信號的傳遞：一類是電壓、電流測量模塊，將PSB中的電壓、電流等電路信號轉(zhuǎn)換為Simulink可接受的信號；另一類是受控電壓源、受控電流源模塊，將Simulink信號轉(zhuǎn)換為PSB中的電路信號，這兩類模塊在Simulink和PSB之間起到了橋梁的作用，通過它們就可以將PSB與Simulink連接到一起。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4-2所示。該控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：主電路部分(包括三相交流電源、二極管不控整流電路、逆變電源模塊)。電路檢測模塊(檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，位置)，速度控制、矢量變換及脈沖產(chǎn)生模塊。電機(jī)本體等。

圖4-2三相PMSM轉(zhuǎn)子磁場定向電壓空間矢量控制系統(tǒng)框圖

PMSM本體的仿真模型可以直接使用PSB中自帶的電機(jī)模塊，只要根據(jù)仿真的要求合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)就可以了。電流環(huán)為PI控制器，系統(tǒng)中檢測電機(jī)的相電流，，位置信號，和轉(zhuǎn)速。，通過Clarke和Park變換，得到直軸電流和交軸電流。將給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速做差，產(chǎn)生的偏差通過滑?？刂破鞯淖饔?，得到交軸電流的給定信號，直軸電流給定信號，將交軸和直軸給定信號，分別與坐標(biāo)變換得到的實(shí)際電流，做差，得到的偏差通過兩個PI控制器的作用，得到和，，經(jīng)過Park反變換得到，。，經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）得到六路PWM波形，然后通過驅(qū)動逆變器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，從而使永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

參照交流電機(jī)的解耦思想，將三相永磁同步電機(jī)的三相定子繞組坐標(biāo)系(ABC)，等效變換為兩相靜止坐標(biāo)系()，再經(jīng)過Park變換變換為dq坐標(biāo)系，使得其d軸和永磁轉(zhuǎn)子N極同向，所以就可以像直流電機(jī)那樣，通過調(diào)節(jié)直流量來控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的解耦。

（1）坐標(biāo)變換模塊

圖4-3的仿真圖

圖4-4的仿真模塊圖

圖4-5的仿真模塊圖

圖4-6仿真模塊圖

根據(jù)PMSM整體框圖及各個小模塊我們可以構(gòu)建出永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體模型如下：

圖4-6永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)整體仿真圖

4.4仿真參數(shù)調(diào)試及結(jié)果分析

仿真中的相關(guān)參數(shù)為：定子電阻R=2.8750，=8.5mH，=8.5mH，轉(zhuǎn)動慣量J=，極對數(shù)=2。仿真時，取=150，=875，=4000，給定轉(zhuǎn)速300r/min，仿真時間為0.2秒，在t=0.05時刻電機(jī)加2的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖4-8三相電流波形

仿真時，將PI控制的幅值都限制在[-20A，20A]，可以看出定子三相電流的波形基本呈正弦波，有一定的畸變，在0.05秒突加2的負(fù)載后有一個明顯的躍升，符合預(yù)計(jì)的結(jié)果。

圖4-9轉(zhuǎn)矩波形

通過圖可以看出轉(zhuǎn)矩的波形在0.05s突加2負(fù)載時有明顯的跳變，跳變時間只有0.02秒左右，控制效果較好。

圖4-9轉(zhuǎn)速波形

在轉(zhuǎn)速給定為300r/min的情況下，當(dāng)0.05s負(fù)載突變?yōu)?時，轉(zhuǎn)速會有一個脈動，PI控制器控制的轉(zhuǎn)速要經(jīng)過一個較短的調(diào)節(jié)時間就能再次跟上給定，需要大約0.35秒。

本次仿真成功的實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在Matlab/Simulink中的模擬仿真，并得到了較好的仿真結(jié)果，為今后實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

4.5本章小結(jié)

本章首先講解了Matlab中關(guān)于Simulink建立模塊的相關(guān)知識，然后分析并建立了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整體模型，在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)設(shè)定，最后對得出的仿真結(jié)果進(jìn)行了相應(yīng)的分析與總結(jié)。

第五章總結(jié)與展望

5.1全文總結(jié)

MATLAB技術(shù)年得到了迅猛的發(fā)展，它可以用于語言處理、圖像處理、高速控制、數(shù)字通訊等多種領(lǐng)域。由于它能把數(shù)字信號處理的一些理論和算法實(shí)時實(shí)現(xiàn)，并迅速推廣到應(yīng)用方面，因此得到了學(xué)術(shù)界和工程界的高度重視。因此本文把MATLAB技術(shù)用于高性能的PMSM調(diào)速系統(tǒng)在理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用方面都有一定意義，具有先進(jìn)性。本文在查閱大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上通過分析建立永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以及空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB中的Simulink環(huán)境中建立了相關(guān)的仿真模塊，利用這些模塊最后搭建出一個完整的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，利用到的Simulink技術(shù)代替以往復(fù)雜的仿真方式為研究永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的人們提供便利。在本課題的研究與開發(fā)過程中，主要完成了一下工作：

在查閱了國內(nèi)外有關(guān)PMSM的工作原理及其運(yùn)行特點(diǎn)的有關(guān)資料的基礎(chǔ)上，采用SVPWM矢量控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上建立PMSM數(shù)學(xué)模型。

通過網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)資料學(xué)習(xí)使用MATLAB軟件，在Simulink中建立SVPWM模塊，搭建起完整的PMSM模型，并作出了仿真結(jié)果。

5.2研究展望

由于本人的時間及精力有限，論文的撰寫過程中難免有些不足，在本文的基礎(chǔ)上還可以做以下展望：

(1)本文的仿真是針對永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，在本文的理論及仿真基礎(chǔ)上還可以加位置環(huán)，完成整個私服系統(tǒng)的仿真。

(2)本文速度環(huán)的調(diào)節(jié)，用的是PI控制算法，它是一個傳統(tǒng)的控制算法，在一些高要求的場合不能滿足要求，可以采用控制效果更好的控制算法來控制，有待后續(xù)的學(xué)習(xí)和研究。

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[25]爾桂花，竇日軒．運(yùn)動控制系統(tǒng)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2002．

致謝

首先感謝我的指導(dǎo)老師，本論文是在他的悉心指導(dǎo)和關(guān)懷下完成的。在整個課題研究期間，張老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的專業(yè)知識以及忘我的工作熱情對我的一生都有著非常深遠(yuǎn)的影響，并激勵我不斷努力學(xué)習(xí)和工作，向著更高的人生目標(biāo)奮斗!此外，課題研究期間，使我受益的不僅是張老師廣博的知識，豐富的經(jīng)驗(yàn)，更為重要的是張老師在為人，為師，以及科研中的踏踏實(shí)實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

在論文的撰寫期間，我要感謝許多讓我分享他們寶貴經(jīng)驗(yàn)和知識的老師及朋友。與此同時，感謝給我大量指導(dǎo)的師兄等，他們給我提出了許多寶貴的意見，給了我不少幫助。在此表示最深的謝意。

感謝我的家人，在我的成長過程中，他們給了我無私的愛和永遠(yuǎn)的支持與鼓勵，在此向他們表示衷心的感謝。

最后，對評審論文的各位專家、學(xué)者表示衷心的感謝！

附錄資料：不需要的可以自行刪除

C語言編程規(guī)范(僅供參考)

1.基本要求

1.1程序結(jié)構(gòu)清析，簡單易懂，單個函數(shù)的程序行數(shù)不得超過100行。

1.2打算干什么，要簡單，直接了當(dāng)，代碼精簡，避免垃圾程序。

1.3盡量使用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)和公共函數(shù)。

1.4不要隨意定義全局變量，盡量使用局部變量。

1.5使用括號以避免二義性。

2.可讀性要求

2.1可讀性第一，效率第二。

2.2保持注釋與代碼完全一致。

2.3每個源程序文件，都有文件頭說明，說明規(guī)格見規(guī)范。

2.4每個函數(shù)，都有函數(shù)頭說明，說明規(guī)格見規(guī)范。

2.5主要變量（結(jié)構(gòu)、聯(lián)合、類或?qū)ο螅┒x或引用時，注釋能反映其含義。

2.7常量定義（DEFINE）有相應(yīng)說明。

2.8處理過程的每個階段都有相關(guān)注釋說明。

2.9在典型算法前都有注釋。

2.10利用縮進(jìn)來顯示程序的邏輯結(jié)構(gòu)，縮進(jìn)量一致并以Tab鍵為單位，定義Tab為6個

字節(jié)。

2.11循環(huán)、分支層次不要超過五層。

2.12注釋可以與語句在同一行，也可以在上行。

2.13空行和空白字符也是一種特殊注釋。

2.14一目了然的語句不加注釋。

2.15注釋的作用范圍可以為：定義、引用、條件分支以及一段代碼。

2.16注釋行數(shù)（不包括程序頭和函數(shù)頭說明部份）應(yīng)占總行數(shù)的1/5到1/3。

3.結(jié)構(gòu)化要求

3.1禁止出現(xiàn)兩條等價(jià)的支路。

3.2禁止GOTO語句。

3.3用IF語句來強(qiáng)調(diào)只執(zhí)行兩組語句中的一組。禁止ELSEGOTO和ELSERETURN。

3.4用CASE實(shí)現(xiàn)多路分支。

3.5避免從循環(huán)引出多個出口。

3.6函數(shù)只有一個出口。

3.7不使用條件賦值語句。

3.8避免不必要的分支。

3.9不要輕易用條件分支去替換邏輯表達(dá)式。

4.正確性與容錯性要求

4.1程序首先是正確，其次是優(yōu)美

4.2無法證明你的程序沒有錯誤，因此在編寫完一段程序后，應(yīng)先回頭檢查。

4.3改一個錯誤時可能產(chǎn)生新的錯誤，因此在修改前首先考慮對其它程序的影響。

4.4所有變量在調(diào)用前必須被初始化。

4.5對所有的用戶輸入，必須進(jìn)行合法性檢查。

4.6不要比較浮點(diǎn)數(shù)的相等，

如：10.0*0.1==1.0，不可靠

4.7程序與環(huán)境或狀態(tài)發(fā)生關(guān)系時，必須主動去處理發(fā)生的意外事件，如文件能否

邏輯鎖定、打印機(jī)是否聯(lián)機(jī)等。

4.8單元測試也是編程的一部份，提交聯(lián)調(diào)測試的程序必須通過單元測試。

5.可重用性要求

5.1重復(fù)使用的完成相對獨(dú)立功能的算法或代碼應(yīng)抽象為公共控件或類。

5.2公共控件或類應(yīng)考慮OO思想，減少外界聯(lián)系，考慮獨(dú)立性或封裝性。

5.3公共控件或類應(yīng)建立使用模板。

附：C＋＋編程規(guī)范,delphi作相應(yīng)的參考

1適用范圍

本標(biāo)準(zhǔn)適用于利用VisulC++,BorlandC++進(jìn)行軟件程序開發(fā)的人員.。

.2變量命名

命名必須具有一定的實(shí)際意義,形式為xAbcFgh,x由變量類型確定,Abc、Fgh表示連續(xù)意

義字符串,如果連續(xù)意義字符串僅兩個,可都大寫.如OK.

具體例程:

BOOL類型bEnable;

ch*charchText

c*類對象cMain（對象實(shí)例）

h*Handle（句柄）hWnd

i*int

n*無符號整型

p*指針

sz,str*字符串

wWORD

x,y坐標(biāo)

Char或者TCHAR類型與WindowsAPI有直接聯(lián)系的用szAppName[10]形式否則用

FileName[10]形式,單個字符也可用小寫字母表示;

Int類型nCmdShow;

LONG類型lParam;

UINT類型uNotify;

DWORD類型dwStart;

PSTR類型pszTip;

LPSTR類型lpCmdLine

LPTSTR類型lpszClassName;

LPVOID類型lpReserved

WPARAM類型wParam,

LPARAM類型lParam

HWND類型hDlg;

HDC類型hDC;

HINSTANCE類型hInstance

HANDLE類型hInstance,

HICON類型hIcon;

intiTmp

floatfTmp

DWORDdw*

String,AnsiStringstr*

m_類成員變量m_nVal,m_bFlag

g_全局變量g_nMsg,g_bFlag

局部變量中可采用如下幾個通用變量：nTemp，nResult，I，J（一般用于循環(huán)變量）。

其他資源句柄同上

.3常量命名和宏定義

常量和宏定義必須具有一定的實(shí)際意義;

常量和宏定義在#include和函數(shù)定義之間;

常量和宏定義必須全部以大寫字母來撰寫,中間可根據(jù)意義的連續(xù)性用下劃線連接,每一

條定義的右側(cè)必須有一簡單的注釋,說明其作用;

資源名字定義格式:

菜單:IDM_XX或者CM_XX

位圖:IDB_XX

對話框:IDD_XX

字符串:IDS_XX

DLGINIT:DIALOG_XX

ICON:IDR_XX

.4函數(shù)命名

函數(shù)原型說明包括引用外來函數(shù)及內(nèi)部函數(shù)，外部引用必須在右側(cè)注明函數(shù)來源：模

塊名及文件名,如是內(nèi)部函數(shù)，只要注釋其定義文件名;

第一個字母必須使用大寫字母,要求用大小寫字母組合規(guī)范函數(shù)命名,必要時可用下劃線

間隔,示例如下：

voidUpdateDB_Tfgd(TRACK_NAME);file://ModuleName:r01/sdw.c

voidPrintTrackData(TRACK_NAME);file://ModuleName:r04/tern.c

voidImportantPoint(void);file://ModuleName:r01/sdw.c

voidShowChar(int,int,chtype);file://LocalModule

voidScrollUp_V(int,int);file://LocalModule

.5結(jié)構(gòu)體命名

結(jié)構(gòu)體類型命名必須全部用大寫字母,原則上前面以下劃線開始;結(jié)構(gòu)體變量命名必須用

大小寫字母組合，第一個字母必須使用大寫字母,必要時可用下劃線間隔。對于私有數(shù)

據(jù)區(qū)，必須注明其所屬的進(jìn)程。全局?jǐn)?shù)據(jù)定義只需注意其用途。

示例如下：

typedefstruct

{

charszProductName[20];

charszAuthor[20];

charszReleaseDate[16];

charszVersion[10];

unsignedlongMaxTables;

unsignedlongUsedTables;

}DBS_DATABASE;

DBS_DATABASEGdataBase;

6控件的命名：

用小寫前綴表示類別

用小寫前綴表示類別：

fm窗口

cmd按鈕

cobcombo，下拉式列表框

txt文本輸入框

lablabal，標(biāo)簽

imgimage，圖象

picpicture

grdGrid，網(wǎng)格

scr滾動條

lst列表框

frmfram

7注釋

原則上注釋要求使用中文;

文件開始注釋內(nèi)容包括:公司名稱、版權(quán)、作者名稱、時間、模塊用途、背景介紹等,復(fù)

雜的算法需要加上流程說明;

函數(shù)注釋包括:輸入、輸出、函數(shù)描述、流程處理、全局變量、調(diào)用樣例等,復(fù)雜的函數(shù)

需要加上變量用途說明;

程序中注釋包括:修改時間和作者、方便理解的注釋等;

引用一:文件開頭的注釋模板

/******************************************************************

**文件名:

**Copyright(c)1998-1999*********公司技術(shù)開發(fā)部

**創(chuàng)建人:

**日期:

**修改人:

**日期:

**描述:

**

**版本:

**

******************************************************************/

引用二:函數(shù)開頭的注釋模板

/*****************************************************************

**函數(shù)名:

**輸入:a,b,c

**a

**b

**c

**輸出:x

**x為1,表示...

**x為0,表示...

**功能描述:

**全局變量:

**調(diào)用模塊:

**作者:

**日期:

**修改:

**日期:

**版本

****************************************************************/

引用三:程序中的注釋模板

/**/

/*注釋內(nèi)容*/

/**/

8程序

a.程序編碼力求簡潔，結(jié)構(gòu)清晰，避免太多的分支結(jié)構(gòu)及太過于技巧性的程序，

盡量不采用遞歸模式。

b.編寫程序時，亦必須想好測試的方法，換句話說，”單元測試”的測試方案應(yīng)

在程序編寫時一并擬好。

c.注釋一定要與程序一致。

d.版本封存以后的修改一定要將老語句用/**/封閉，不能自行刪除或修改,并要

在文件及函數(shù)的修改記錄中加以記錄。

e.程序中每個block的開頭”{"及"}”必須對齊，嵌套的block每進(jìn)一套，

縮進(jìn)一個tab，TAB為4個空格,block類型包括if、for、while、do等關(guān)鍵字引出的。

f.對于比較大的函數(shù)，每個block和特殊的函數(shù)調(diào)用，都必須注明其功能，舉例如下

：

count.divisor=1193280/freq;//computethepropercount

OutByte((unsignedshort)67,(unsignedchar)182);//tell8253thata

countiscoming

OutByte((unsignedshort)66,count.c[0]);//sendlow-orderbyte

OutByte((unsignedshort)66,count.c[1]);//sendhigh-orderbyte

×××××××××××××××××××××××××××××××××××××××

bcb，delphi中的變量命名：

遵循匈牙利命名法，命

名必須有意義，制定如下規(guī)定

窗體：以大寫的W開始，如About版權(quán)窗體，命名為WAbout

文件：以大寫的F開始，如About版權(quán)窗體，文件命名為FAbout.cpp

按鈕(Button)：如退出按鈕，命名為btnExit

……

基類：加base標(biāo)記，如報(bào)表基類,窗體命名為：WBaseRep,文件命名為FBaseRep.cpp

轉(zhuǎn)貼

>1.在.h/.cpp的開頭應(yīng)有一段格式統(tǒng)一的說明，內(nèi)容包括：

>a.文件名(FileName)；

>b.創(chuàng)建人(Creater)；

>c.文件創(chuàng)建時間(Date)；

>d.簡短說明文件功能、用途(Comment)。

好習(xí)慣

>2.除非極其簡單，否則對函數(shù)應(yīng)有注釋說明。內(nèi)容包括：功能、入口/出口參數(shù)，必

要

>時還可有備注或補(bǔ)充說明。

還是好習(xí)慣

>3.每列代碼的長度推薦為80列，最長不得超過120列；折行以對齊為準(zhǔn)。

太寬了，我的限制是60列，因?yàn)槲谋痉绞较缕聊灰还?0列，如果你用BC這一類的編輯

器，窗口邊框等又要占據(jù)一定空間，所以80列太寬

>4.循環(huán)、分支代碼，判斷條件與執(zhí)行代碼不得在同一行上。

很對

>5.指針的定義，*號既可以緊接類型，也可以在變量名之前。

>

>例：可寫做：int*pnsize;

>

>也可寫做：int*pnsize;

>

>但不得寫做：int*pnsize;

建議采用第二種，除非附加另外一條規(guī)定：一次只聲明一個變量，否則就會讓人混淆，

比如：

int*a,b;

看起來b好像也是個指針，其實(shí)不是。

>6.在類的成員函數(shù)內(nèi)調(diào)用非成員函數(shù)時，在非成員函數(shù)名前必須加上"::"。

這一條我倒覺得并不是必需的，我的看法是決不要讓你的類成員函數(shù)和全局函數(shù)的名稱

相同（或類似）

>7.函數(shù)入口參數(shù)有缺省值時，應(yīng)注釋說明。

>

>例：BOOLCWpsDib::PaintDIB(CDC*pDC,CRect&rc,

>intnBrightness,file://*=0*//

>BOOLbGrayScalefile://*=FALSE*//)

每個變量寫一行，必要時加上/*in,out*/注釋

>8.elseif必須寫在一行。

應(yīng)該盡量避免elseif這樣的結(jié)構(gòu)

>9.與‘{’、‘}’有關(guān)的各項(xiàng)規(guī)定：

>

>9.1‘{’、‘}’應(yīng)獨(dú)占一行。在該行內(nèi)可有注釋。

>9.2‘{’必須另起一行，‘{’之后的代碼必須縮進(jìn)一個Tab。‘{’與‘}’必須在

同

>一列上。

>9.3在循環(huán)、分支之后若只有一行代碼，雖然可省略‘{’、‘}’，但不推薦這么

>做。若省略后可能引起歧義，則必須加上‘{’、‘}’。

持保留意見，因?yàn)镚NU的代碼規(guī)范是這樣的：

if(NULL==ptr)

{

//dosomethinghere

}

或者

if(NULL==ptr){

//dosomethinghere

}

爭論哪個更好并沒有意義，關(guān)鍵是統(tǒng)一，如果用VC當(dāng)然你的辦法最方便，可是如果你用

emacs或者vi，就不是這樣了。

>10.與空格有關(guān)的各項(xiàng)規(guī)定。

>

>10.1在所有兩目、三目運(yùn)算符的兩邊都必須有空格。在單目運(yùn)算符兩端不必空格。

但

>在‘—>’、‘::’、‘.’、‘[’、‘]’等運(yùn)算符前后，及‘&’（取地址）、‘*

>’（取值）等運(yùn)算符之后不得有空格。

>10.2for、while、if等關(guān)鍵詞之后應(yīng)有1個