永磁同步電機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)

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第一章永磁同步電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)

1.1永磁同步電機(jī)的基本工作原理

永磁同步電機(jī)的原理如下在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入三相

電流，在通入電流后就會(huì)在電動(dòng)機(jī)的定子繞組中形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，

由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定的，依據(jù)磁

極的同性相吸異性相斥的原理，在定子中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶

動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與定子中產(chǎn)生的旋

轉(zhuǎn)磁極的轉(zhuǎn)速相等，所以可以把永磁同步電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程看成

是由異步啟動(dòng)階段和牽入同步階段組成的。在異步啟動(dòng)的爭(zhēng)辯

階段中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是從零開(kāi)頭漸漸增大的，造成上訴的主

要緣由是其在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng)轉(zhuǎn)矩、

由轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱(chēng)而弓起的磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn)近等一系列的因素共同作用

下而引起的，所以在這個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速是振蕩著上升的。在起動(dòng)

過(guò)程中，只有異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)1?顆的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就是以這轉(zhuǎn)矩來(lái)得以加

速的，其他的轉(zhuǎn)矩大部分以制動(dòng)性質(zhì)為主。在電動(dòng)機(jī)的速度由

零增加到接近定子的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，在永磁體脈振轉(zhuǎn)矩的影

響下永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速有可能會(huì)超過(guò)同步轉(zhuǎn)速，而消滅轉(zhuǎn)速

的超調(diào)現(xiàn)象。但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的轉(zhuǎn)速振蕩后，最終在同步轉(zhuǎn)矩

的作用下而被牽入同步。

1.2永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋、及定子等各部件組成的。

一般來(lái)說(shuō)，永磁同步電機(jī)的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與一般

的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)格外格外的相像，主要是區(qū)分于轉(zhuǎn)子的獨(dú)特

的結(jié)構(gòu)與其它電機(jī)形成了差別。和常用的異步電機(jī)的最大不同

則是轉(zhuǎn)子的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極。

由于在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置有很多選擇，所以永磁同步電

機(jī)通常會(huì)被分為三大類(lèi)：內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式，如圖1.1

所示。永磁同步電機(jī)的運(yùn)行性能是最受關(guān)注的，影響其性能的

因素有很多，但是最主要的則是永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)。就面貼

式、插入式和嵌入式而言，各種結(jié)構(gòu)都各有其各自的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)資料專(zhuān)業(yè)共享

圖1-1

面貼式的永磁同步電機(jī)在工業(yè)上是應(yīng)用最廣泛的，其最主

要的緣由是其擁有很多其他形式電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如其

制造便利，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比較小以及結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)潔等。并且這種類(lèi)型

的永磁同步電機(jī)更加簡(jiǎn)潔被設(shè)計(jì)師來(lái)進(jìn)行對(duì)其的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其

中最主要的方法是把氣隙磁鏈的分布結(jié)搬計(jì)成近似正弦的分布，n尋其分

布結(jié)構(gòu)改成正弦分布后能夠帶來(lái)很多的優(yōu)勢(shì)，例如

能減小磁場(chǎng)的諧波以蛇所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，應(yīng)用以上的方法能夠很好的

改善電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式結(jié)構(gòu)的電機(jī)之所以能夠跟面貼式

的電機(jī)相比較有很大的改善是由于它充分的利用了它設(shè)計(jì)出的

磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對(duì)稱(chēng)性所生成的獨(dú)特的磁阻轉(zhuǎn)矩能大大的提

高了電機(jī)的功率密度，并且在也能很便利的制造出來(lái)，所以永

磁同步電機(jī)的這種結(jié)構(gòu)被比較多的應(yīng)用于在傳動(dòng)系統(tǒng)中，但是

其缺點(diǎn)也是很突出的，例如制作成本和漏磁系數(shù)與面貼式的相

比較都要大的多。嵌入式的永磁同步電機(jī)中的永磁體是被安置在

轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，相比較而言其結(jié)構(gòu)雖然比較簡(jiǎn)單，但卻有幾個(gè)很

明顯的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，由于有高氣隙的磁通密度，月以很明顯的

它跟面貼式的電機(jī)相比較就會(huì)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩；由于在轉(zhuǎn)子永

磁體的安裝方式是選擇嵌入式的，所以永磁體在被去磁后所帶

來(lái)的一系列的危急的可能性就會(huì)很小，因此電機(jī)能夠在更高的

旋轉(zhuǎn)速度下運(yùn)行但是并不需要考慮轉(zhuǎn)子中永磁體是否會(huì)由于離

心力過(guò)大而被破壞。

為了體現(xiàn)永磁同步電機(jī)的優(yōu)越性能，與傳統(tǒng)異步電機(jī)來(lái)進(jìn)

行比較，永磁同步電機(jī)特殊是最常用的稀土式的永磁同步電機(jī)

具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，運(yùn)行牢靠性很高；體積格外的小，質(zhì)量特殊的

輕；損耗也相對(duì)較少，效率也比較高；電機(jī)的外形以及大小可

以機(jī)敏多樣的變化等比較明顯的優(yōu)點(diǎn)。正是由于其擁有這么多

的優(yōu)勢(shì)所以其應(yīng)用范圍格外的廣泛，幾乎遍及航空航天、國(guó)防、

工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和日常生活等的各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電動(dòng)機(jī)與感

應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，可以考慮不輸入無(wú)功勵(lì)磁電流，因此可以格外

明顯的提高其功率因素，進(jìn)而削減了定子上的電流以及定子上

電阻的損耗，而且在穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)候沒(méi)有轉(zhuǎn)子電阻上的損耗，

進(jìn)而可以因總損耗的降低而減小風(fēng)扇(小容量的電機(jī)甚至可以

不用風(fēng)扇)以及相應(yīng)的風(fēng)磨損耗，從而與同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

相比較其效率可以提高2-8個(gè)百分點(diǎn)。

1.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)特性

先對(duì)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行爭(zhēng)辯，在分析定子和轉(zhuǎn)子的磁

動(dòng)勢(shì)間的轉(zhuǎn)速關(guān)系時(shí)，假定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為?r/min,所以轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢(shì)

相應(yīng)的轉(zhuǎn)速也為nr/min,所以定子的電流相應(yīng)的頻率是f=7X,

由于定子旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)的旋轉(zhuǎn)速度是由定子上的電流產(chǎn)生鬲，

所以應(yīng)為

60f60pn

叫=---------二---------------=n

pp60

(1.1)

可以看出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是與定子的磁動(dòng)勢(shì)的轉(zhuǎn)速相等的。

對(duì)于永磁同步電機(jī)的電壓特性爭(zhēng)辯，可以利用電動(dòng)機(jī)的慣例

來(lái)直接寫(xiě)出它的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式

U=E0+j/dxd+jlqxq

(1.2)

對(duì)于永磁同步電機(jī)的功率而言，同樣依據(jù)發(fā)電機(jī)的慣例

能夠得到永磁同步電機(jī)的電磁功率為

2

DUE。.*U11._

Pw=m-----smo+m——---------sin2d

%21%xj

(1.3)

對(duì)于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩而言，在恒定的轉(zhuǎn)速［下，轉(zhuǎn)

矩和功率是成正比的，所以可以得到以下公式

PMmUE.mU211

T=-=------sind+----------------sin2d

。］2。］Ixxd

(1.4)

其次章永磁同步電機(jī)物理模型開(kāi)環(huán)仿真

2.1永磁同步電機(jī)模塊及仿真

下面對(duì)永磁同步電機(jī)物理模型的開(kāi)環(huán)進(jìn)行仿真，在仿真之

前先介紹各個(gè)單元模塊，以便于對(duì)模型進(jìn)行更好的仿真。

2.1.1物理單元模塊

逆變器單元，逆變是和整流相對(duì)應(yīng)的，它的主要功能是把直

流電轉(zhuǎn)變成溝通電。逆變可以被分為兩類(lèi)，包括有源逆變以及

無(wú)源逆變。其中有源逆變的定義為當(dāng)溝通側(cè)連接電網(wǎng)時(shí)，稱(chēng)之

為有源逆變；當(dāng)負(fù)載直接與溝通側(cè)相連時(shí)，稱(chēng)之為無(wú)源逆變。

以圖2-1的單相橋式逆變電路的例子來(lái)說(shuō)明逆變器的工作

原理。

SIS3/

io負(fù)載

Ud

Uo

S2/S4/

圖2-1逆變電路

圖27中S1-S4為橋式電路的4個(gè)臂，它們是

由電力電子器件及其幫助電路組成的。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，S2、S3

斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓u。為正；當(dāng)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，u0

為負(fù)，其波形如圖2-2所示。

Uo

圖2-2逆變電路波形

通過(guò)這個(gè)方法，就可以把直流電轉(zhuǎn)變成溝通電，只要轉(zhuǎn)變

兩組開(kāi)關(guān)相應(yīng)的切換頻率，就可以轉(zhuǎn)變溝通電的輸出頻率。這

就是逆變器的工作原理。

當(dāng)負(fù)載是電阻時(shí)，負(fù)載電流i。和電壓u。的波形是相同的，

相位也相同。當(dāng)負(fù)載是阻感時(shí)，i。的基波相位滯后于u0的基波,

兩者波形的外形也不同，圖2-2給出的是阻感負(fù)載時(shí)的i。的波

形。設(shè)工時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4,同時(shí)合上S2、S3,則u。的極性馬上

變?yōu)樨?fù)的。但是，正是由于負(fù)載中存在著電感，其中的電流極

性仍將維持原來(lái)的方向而不能馬上轉(zhuǎn)變。這時(shí)負(fù)載電流會(huì)從直

流電源負(fù)極而流出，經(jīng)過(guò)S2、負(fù)載和S3再流回正極，負(fù)載電感

中儲(chǔ)存的能量會(huì)向直流電源發(fā)出反饋信號(hào)，負(fù)載電流要漸漸減

小，到七2時(shí)刻降到零，之后i。才開(kāi)頭并反向增大。S2、S3斷開(kāi),

S1、S4閉合時(shí)的狀況類(lèi)似。上面是S1-S4均為抱負(fù)開(kāi)關(guān)時(shí)的分

析，實(shí)際電路的工作過(guò)程要比這更簡(jiǎn)單一些。

逆變電路依據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可以被分為兩種：直

流側(cè)為電壓源的稱(chēng)為電壓型逆變電路；直流側(cè)為電流源的稱(chēng)為

電流型逆變電路。它們也分別被稱(chēng)為電壓源逆變電路和電流源

逆變電路。

三相電壓型逆變電路是由三個(gè)單相逆變電路而組成的。在

三相逆變電路中三相橋式逆變電路應(yīng)用的最為廣泛。如圖2-3

所示的三相電壓型橋式逆變電路是采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的,因此可

以很明顯的看出它是由三個(gè)半橋逆變電路組成的。

十。

圖2-3三相電壓型橋式逆變電路

如圖2-3所示的電路的直流側(cè)一般只用一個(gè)電容器就可以了，但

是為了便利分析，畫(huà)出了串聯(lián)的兩個(gè)電容器并且標(biāo)出假想的中點(diǎn)No

單相半橋和全橋逆變電路是具有很多相像點(diǎn)的，三相電壓型橋式逆變

電路也是以180度的導(dǎo)電方式作為其基本的工作方式，同一半橋上下

兩個(gè)臂交替著導(dǎo)電，每相之間開(kāi)頭導(dǎo)電的角度以120度相錯(cuò)開(kāi)。這樣

在任何時(shí)候，將會(huì)有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。也可能是上面一個(gè)下面兩個(gè),

也可能是上面兩個(gè)下面一個(gè)同時(shí)導(dǎo)通。它之所以被稱(chēng)為縱向換流是由

于每次換流都是在同一相上的兩個(gè)橋臂之間互換進(jìn)行。

逆變器的參數(shù)設(shè)置如圖2-4所示

BlockParameters:UniversalBridge

UniversalBridge(sask)(link)

Thisblockispleznentabridgeofselectedpowerelectronicsdevices.SeriesRC

snubbercircuitsareconnectedinparallelwitheachswitchdevice.PressHelpfor

suggestedsnubbervalueswhenthemodelisdiscretized.Foraostapplicationsthe

internalinductanceLonofdiodesandthyristorsshouldbesettozero

Cancel

圖2-4逆變器模塊參數(shù)設(shè)置

六路脈沖觸發(fā)器模塊，如圖2-5所示

Synchronized

6-PulseGenerator

alpha-deg<

AB<

<pulsesBC<

CA<

Block<

圖2-5六路脈沖觸發(fā)器模塊

同步六路脈沖發(fā)生器模塊可用于很多領(lǐng)域。六路脈沖觸發(fā)器的主要

部分是六個(gè)晶閘管。該模塊的輸出是一個(gè)六脈沖單獨(dú)同步的六晶閘管電壓

矢量。下面的圖表顯示了一個(gè)0度的a角的六路脈沖。如圖2-6所示

圖2-6六路脈沖觸發(fā)器輸出的脈沖

aipha_deg

輸入一個(gè)夕放射信號(hào)，以度的形式。該輸入可以連接到一個(gè)恒

定的模塊或者它可以連接到把握系統(tǒng)來(lái)把握發(fā)電機(jī)的脈沖

AB、BC、CA

為輸入的ABC三相的線(xiàn)電壓

Freq

頻率的輸入端口，這種輸入應(yīng)當(dāng)連接到包含在赫茲的基本頻率,

恒定的模塊。

BIock

六路脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置如圖2-7所示

QFunctionBlockParameters:Synchronized6-PulseGenerator

Synchronized6-pulsegenerator(aask)(link)

Usethisblocktofirethe6thyristorsofa6-pulseconverter.The

outputisavectorof6pulses(0~l)individuallysynchronizedon

the6cozmutationvoltages.Pulsesaregeneratedalphadegreesafter

theincreasingzero-crossingsoftheconautationvoltages.

OKCancelHelpApply

圖2-7六路脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置

2.1.2永磁同步電機(jī)模型仿真結(jié)果

本文在基于Matlab下建立了永磁同步電機(jī)的開(kāi)環(huán)電機(jī)模型

的仿真。

PMSM的參數(shù)設(shè)定為：電機(jī)的額定電壓為220V,額定電流為

3A,額定機(jī)械轉(zhuǎn)速為3000rpm,極對(duì)數(shù)為2,電磁輸出功率為900W,

定子阻抗為4.3Q,直軸感抗為0.027H,交軸感抗為0.067H,漏

磁通儲(chǔ)為0.272wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.00179kgm2,粘滯摩擦系數(shù)

B為0。

得到的仿真結(jié)果圖如圖2-9所示

圖2-9電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

從圖中的曲線(xiàn)可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值為3000N(pm),從電機(jī)

起動(dòng)開(kāi)頭，速度漸漸上升，達(dá)到給定值需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，換句話(huà)說(shuō)

就是電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而且在達(dá)到穩(wěn)定值四周時(shí)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)也比

較大，可能是由于永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，也可能是跟電機(jī)

沒(méi)有任何把握有關(guān)，期望在搭建了速度轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)把握后的轉(zhuǎn)速的響

圖270永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

從圖中可以看出，在永磁同步電機(jī)起動(dòng)后轉(zhuǎn)矩的值在零的

四周波動(dòng)，波動(dòng)范圍還是比較大，產(chǎn)生波動(dòng)的主要緣由還是電

機(jī)簡(jiǎn)單的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及在沒(méi)有任何把握的狀況下才消滅的，

期望在搭建成速度轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)把握下可以使其波動(dòng)的范圍減

小，無(wú)限的接近于零。

電流的仿真結(jié)果如圖2-11所示

圖271永磁同步電機(jī)電流曲線(xiàn)

對(duì)于永磁同步電機(jī)開(kāi)環(huán)物理模型仿真的電流，電流在電機(jī)

開(kāi)頭運(yùn)行時(shí)電流會(huì)在短時(shí)間內(nèi)上升并振蕩，但很快就接近與零

值并且在零值四周波動(dòng)。

第三章永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)仿真

3.1永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)仿真模型

在MATLAB下的SIMULINK環(huán)境中，利用其中的各種模塊，建

立了永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)把握系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)是由PI把

握器構(gòu)成的速度環(huán)和滯環(huán)電流把握器建■的電流環(huán)共同把握的

雙閉環(huán)把握系統(tǒng)。通過(guò)給定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的比較產(chǎn)生的誤差，

將產(chǎn)生的誤差信號(hào)送入PI把握器，再由PI把握器送達(dá)轉(zhuǎn)速把

握模塊。并通過(guò)坐標(biāo)變換產(chǎn)生的參考電流，與PMSM輸出的實(shí)際

電流相比較，再通過(guò)橋路逆變器產(chǎn)生輸入PMSM的三相電壓，經(jīng)

過(guò)坐標(biāo)變換后直接輸入到PMSM本體把握其運(yùn)行。最終達(dá)到在利

用雙閉環(huán)把握系統(tǒng)的把握下能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速相全

都的目的。

依據(jù)模塊化的思想，我們可以將系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)劃分為以

下幾個(gè)主要部分：

PMSM電機(jī)本體模塊，轉(zhuǎn)速控制模塊,轉(zhuǎn)矩控制模塊，坐標(biāo)變換模塊，電流控制模塊,

電壓逆變模塊。

3.1.1PMSM本體模塊

在整個(gè)仿真過(guò)程中，電機(jī)本體模塊是其中最重要的模塊之

o依據(jù)公式可得到永磁同步電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)速以及電子轉(zhuǎn)速公

式:

Iff八

3mdt

y

(3.1)

而

8廠(chǎng)

（P為極對(duì)數(shù)）

⑶2)

則可以建立如下的電機(jī)本體模塊，如圖3-2所示:

?1/S

Integrator

wr=0ifwr<0?6

out_6

Y<，K7

圖37PMSM電機(jī)本體模塊

3.1.2轉(zhuǎn)速把握模塊

轉(zhuǎn)速把握模塊是由比例積分把握器依據(jù)比例積分把握原

理建立的，如圖3-3所示的比例積分PI把握模塊。在本體模塊

中取的比例積分為0.5,積分增益為0.01,定子電流輸出的限

幅為［-5,5］。

Integrator

圖3-2PI把握模塊

3.1.3轉(zhuǎn)矩把握模塊

本次仿真是以常量轉(zhuǎn)矩把握為轉(zhuǎn)速把握的方式，即當(dāng)實(shí)際

轉(zhuǎn)速小于額定的轉(zhuǎn)速時(shí)，取交軸期望電流iq*與供應(yīng)的定子電流

.*

相等，而直軸的期望電流1,大小為0,角。二90?！銊t

(3.3)

由此可以看出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)交軸電流之間存在肯定的線(xiàn)性關(guān)

系。在仿真過(guò)程中是由程序?qū)崿F(xiàn)的，轉(zhuǎn)矩把握模塊也是依據(jù)以

上的原理建立的。

3.1.4坐標(biāo)變換模塊

在仿真中，主要有4個(gè)坐標(biāo)變換的模塊：兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

向兩相靜止坐標(biāo)系變換(d一q至ij?一°),兩相靜止的坐標(biāo)系

向三相坐標(biāo)是變換(a—p到abc),以及三相坐標(biāo)系向兩相靜

止坐標(biāo)系變換(abc到a—/3),兩相靜止坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)坐

標(biāo)變換(a—￡到d—q),同類(lèi)變換的電壓和電流變換式相同。

相應(yīng)的坐標(biāo)變換公式如下所示：

兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系向靜止坐標(biāo)系變換:

=idcos0-iqsinO

(3.4)

ip-idsin6+[cos。

(3.5)

兩相靜止坐標(biāo)系向三相坐標(biāo)系變換:

(3.6)

(3.7)

(3.8)

相應(yīng)的反變換為:

2k+

(3.9)

(3.10)

id=\acos0+ipsin。

(3.11)

iq--iasin8+i?cos0

(3.12)

依據(jù)坐標(biāo)變化公式（一）可以建立如圖3-3、圖3-4、

圖3-5.圖3-6的坐標(biāo)變換模塊。

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圖3-3d-g到o-夕坐標(biāo)變換

A1

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圖3?—4a—3到abc坐標(biāo)變換

1

in1

2

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3

Sum1Gain1out_2

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圖3—5abc到a-0坐標(biāo)變換

Product3

圖3—6a-3到d-q坐標(biāo)變換

3.1.5電流把握模塊

對(duì)于電流把握方式而言，接受的是滯環(huán)把握。首先確定一

個(gè)期望值，依據(jù)滯環(huán)的帶快要在期望值的兩側(cè)來(lái)確定一個(gè)范圍，

當(dāng)實(shí)際輸出電流達(dá)到滯環(huán)寬度以上的時(shí)候，就會(huì)輸出高值信號(hào)，

從而達(dá)到對(duì)輸出電流調(diào)整的目的。

滯環(huán)把握器的模塊是依據(jù)滯環(huán)把握原理搭建的，如圖3-7

所示。在圖3-7中首先將實(shí)際電流與期望電流進(jìn)行比較后產(chǎn)生

誤差，再經(jīng)過(guò)滯環(huán)把握器后產(chǎn)生三相電壓信號(hào)。然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)

規(guī)律非運(yùn)算器器件和類(lèi)型變換裝置產(chǎn)生IGBT橋路6個(gè)IGBT管

的門(mén)極脈沖信號(hào)。因同一相上的橋臂的管子觸發(fā)脈沖是相反的，

所以只要在原來(lái)的三相脈沖信號(hào)上加上規(guī)律非即可構(gòu)成相應(yīng)的

6路脈沖觸發(fā)信號(hào)，把握各個(gè)IGBT管的導(dǎo)通以及關(guān)閉。

在本次仿真中，滯環(huán)的寬度設(shè)為0.1當(dāng)期望電流與實(shí)際電

流的誤差不小于滯環(huán)帶的寬度時(shí)，滯環(huán)把握器即開(kāi)通，輸出值

為1,當(dāng)誤差小于滯環(huán)寬度的負(fù)值時(shí)，滯環(huán)把握器即關(guān)斷，輸出

為0。

1

labc

?1

gatesignal

2

Iref

Logical

Operator2

圖3—7滯環(huán)把握器結(jié)構(gòu)

3.1.6電壓逆變器模塊

電壓源逆變器如圖3-8所示，依據(jù)3.1.5小結(jié)小節(jié)中我們

爭(zhēng)辯的電流把握器，它能夠產(chǎn)生出IGBT的門(mén)極信號(hào)，并且通過(guò)

這個(gè)信號(hào)來(lái)把握每個(gè)IGBT管的導(dǎo)通以及關(guān)斷。由直流電源產(chǎn)生

的三相電流與三相實(shí)際電流值同時(shí)作用在負(fù)載上，依據(jù)誤差的

大小來(lái)產(chǎn)生輸入到PMSM的三相電壓Vabc,通過(guò)這個(gè)產(chǎn)生出來(lái)的

三相電壓來(lái)調(diào)整PMSM的實(shí)際轉(zhuǎn)速也能同時(shí)調(diào)整交直軸的電流，

最終達(dá)到實(shí)際值與期望值相等的目的。這個(gè)逆變橋的IGBT管是

選用的IRGIB10B60KD1o為了得到相對(duì)更好的電流波形，要在

IGBT橋路三相電流輸出端加上一個(gè)濾波器，右邊的負(fù)載電阻全

取為1。，直流電壓為20V,左下角獨(dú)立的部分是IGBT橋路中流

經(jīng)IGBT管的電流以及電壓的測(cè)量裝置，可通過(guò)它得到流經(jīng)每個(gè)

IGBT管的電壓和電流，要想得到IGBT管上的損耗功率只需將同

一個(gè)IGBT管的電壓電流和電壓相乘即可，要想得到在一段時(shí)間

內(nèi)單個(gè)IGBT管上的消耗功率的總和，可以在功率輸出端放上一

個(gè)積分器輸出值即可得到。

圖3—8電壓逆變器結(jié)構(gòu)

3.2仿真結(jié)果

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ContinuousToWorkspaces

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?Wf

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PM-SM

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LoadTorque

Gain1

60<-

Samploandhold

Samplingblock

圖3-9整體仿真框圖

本文基于MATLAB中的SIMULINK建立出了永磁同步電機(jī)

的雙閉環(huán)把握系統(tǒng)的電機(jī)模型，這是一種新的電壓變換結(jié)構(gòu)及

電流把握方法，以此方法為基礎(chǔ)對(duì)此雙閉環(huán)模型進(jìn)行了實(shí)際的

仿真。PMSM的參數(shù)設(shè)定如下：電機(jī)的額定電壓為220V,額定電

流為3A,額定機(jī)械轉(zhuǎn)速為1700rpm,極對(duì)數(shù)為2,電磁輸出功率

為900W,定子阻抗4.3Q,直軸感抗為0.027H,交軸感抗0.067H。

漏磁通乙為0.272wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.00179kgn?,粘滯摩擦系

數(shù)B為0.

本次仿真就是為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PMSM雙閉環(huán)把握系統(tǒng)的仿

真模型的靜、動(dòng)態(tài)性能是否得到改善，是否達(dá)到預(yù)想的結(jié)果以

及系統(tǒng)空載啟動(dòng)的性能是否良好它的優(yōu)越性能否體現(xiàn)出來(lái)，系

統(tǒng)先是在空載狀況下啟動(dòng)，在t=0.4s時(shí)突加負(fù)載2Nm,可以得

到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、直軸交軸電流以及A相電流的仿真曲線(xiàn)。

給定參考轉(zhuǎn)速為200rad/s,滯環(huán)寬度取為0.1。

圖370永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)把握轉(zhuǎn)速

15

圖3.11永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)把握轉(zhuǎn)矩

圖3.12永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)）電流曲線(xiàn)

圖3.14永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)i電流曲線(xiàn)

通過(guò)上面的仿真圖可以很明顯的看出：在給定的參考轉(zhuǎn)速不

變的狀況下，系統(tǒng)從接收到信號(hào)到能夠響應(yīng)需要的時(shí)間很短并

且上下的波動(dòng)不是很大總體來(lái)看還是很平穩(wěn)的，在起動(dòng)階段系

統(tǒng)是保持轉(zhuǎn)速恒定的，并且在空載穩(wěn)定速度下運(yùn)行時(shí)，不考慮

系統(tǒng)的摩擦轉(zhuǎn)矩，因此此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零，交軸和

直軸電流以及相電流的平均值也接近為零。在突然加上負(fù)載后，

轉(zhuǎn)速發(fā)生了突然的下降，但是又能比較快的恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速?zèng)]有靜差，但突然加上負(fù)載后，電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)

略有增大，這是由于開(kāi)關(guān)的頻繁切換所造成的。穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁

轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，直軸電流的平均值為零，交軸電流均值增

大，相電流為正弦波形，這很符合永磁同步電機(jī)的特性。仿真

結(jié)果表明電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能比較好，得到仿真之前預(yù)期的目的，

說(shuō)明建仿照真的方法是比較抱負(fù)的，是正確的。

第四章永磁同步電機(jī)開(kāi)環(huán)和雙閉環(huán)仿真比較

通過(guò)其次章的爭(zhēng)辯和分析，可以看出永磁同步電機(jī)在開(kāi)環(huán)的

運(yùn)行形式下，得到的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的波形跟我們想要的效

果有很大的差距，其中會(huì)消滅從起動(dòng)開(kāi)頭，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比

較長(zhǎng)，而且到達(dá)穩(wěn)定時(shí)的效果也比較差，波形很明顯。這主要

是由于開(kāi)環(huán)運(yùn)行的條件下系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題較多

(1)在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，各種參數(shù)間相互之間影響并且相互制

約著，所以很難再對(duì)調(diào)整器的參數(shù)進(jìn)行更好的調(diào)整，因而系統(tǒng)

的動(dòng)態(tài)性能的缺陷很明顯，在這種狀況下不是很抱負(fù)。

(2)任何擾動(dòng)在轉(zhuǎn)速消滅偏差后也無(wú)法調(diào)整，因而轉(zhuǎn)速動(dòng)

態(tài)降落較大。

相對(duì)開(kāi)環(huán)來(lái)講在第三章?tīng)?zhēng)辯的永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)把握

系統(tǒng)就對(duì)電機(jī)調(diào)整的優(yōu)勢(shì)就很明顯，如仿真結(jié)果表明：對(duì)永磁

同步電機(jī)雙閉環(huán)把握系統(tǒng)的仿真結(jié)果進(jìn)行波形分析，可以很清

楚的看到其的合理性，并且系統(tǒng)能夠在格外平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行,

跟開(kāi)環(huán)把握