（電機(jī)與電器專業(yè)論文）永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)研究.pdf

a b s t r a c t p m s mh a st h ea d v a n t a g eo fs m a l l e rv o l u m e ，h i g h e re f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t y o v e rt h ei n d u c t i o nm o t o r t h e r e f o r et h er e s e a r c ho np m s mh a se n t e r e dan e ws t a g e s i n c et h e19 8 0 sw i t ht h ei m p r o v e m e n to fr a t i ob e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h e p r i c eo ft h ep mm a t e r i a la n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s t h ep a p e ro r i g i n a t e sf r o mt h ep m s mi t s e l f , t h em a t hm o d e lo fp m s mw a s d e d u c e da n do b t a i n e d ，a n dt h et o r q u ec h a r a c t e ro fp m s m ，p o w e rc h a r a c t e ra n d e f f i c i e n c yw e r ea n a l y z e d d e t a i l so ft h ev e c t o rc o n t r o l ( v c ) o fp m s mi sp r e s e n t e d i nt h ep a p e r , a n dt h ea n a l y s i so fs e v e r a lc i r c u i tc o n t r o ls t r a t e g i e so fv ct h e o r y a p p l i e dt ot h ep m s mc o n t r o l ，w h i c hi n c l u d et h ei d = 0c o n t r o l ，c o s 9 = 1c o n t r o la n d t h em a xt o r q u e c u r r e n tc o n t r 0 1 ac o m p l e t ed i g i t a lp m s mv cs y s t e mb a s e do nd s p i sd e v e l o p e dw i t ht h es o f ta n dh a r dw a r ed e s i g np l a n sg i v e n t h ep a p e rd i s c u s s e st h e t h e o r yo fw e a k e nf l u xs p e e dc o n t r o lo fp m s m a n dt h er e a s o nw h yt h ew e a k e nf l u x s p e e de x t e n d i n gi sd i f f i c u l t ，a n dt h e nb r i n g so u tt h es t a t o rc u r r e n to p t i m u mc o n t r o l s t r a t e g y d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) t h e o r yi sa n o t h e ra d v a n c e dc o n t r o lt h e o r ya f t e r v ct h e o r yi nt h es p e e dc o n t r o lf i e l d t h ea p p l i c a t i o no fd t ct h e o r yo np m s mi s d i s c u s s e da n dan e ws t r a t e g yi sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do ns v p w m ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wp e r f e c td y n a m i cp e r f o r m a n c e ，m i n o rs t a t i ce r r o ra n dg o o dr o b u s t n e s s c h a r a c t e r js t j c k e yw o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；f l u x w e a k e nc o n t r o l ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i i 湖南大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)弼的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究戲果。除了文中特別加以標(biāo)漣引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 毫在文中以驥確方式標(biāo)弱。本入憲全意識羈本聲明鮑法德后果出本人承擔(dān)。 作者簽名： 水瓣冬 西鬏；彩年歲羹，囂 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 鬢并彝國家畜關(guān)郝 或巍橡送交論文戇復(fù)印傳鄹邀子版，允誨論文被查耀秘氆 閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全郝或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行 襝索，可瀲采霜彩竄、縮印或鞠搖等復(fù)稠手段僳存窩匯編本攀位論文。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密口，在年解密后遁糟本授權(quán)書。 2 、不保密鞠。 ( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”) 作者簽名：似；6 蔓聾 導(dǎo)師簽名矗亨蠶 日期：朋z 年歲月糾日 鼙期：硝年手弼v 霞 永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)研究 第1 章緒論 1 1 永磁同步電機(jī)發(fā)展概況 永磁問步電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕、慣性小、響應(yīng)快、高轉(zhuǎn)矩慣量比和高 速度重量比，高效率和高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，高功率因數(shù)，以及省電和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。 所以自2 0 世紀(jì)8 0 年代開始，各國學(xué)者和研究人員都紛紛致力于高磁場永磁材料、 永磁式電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理論和應(yīng)用研究，取得了卓有成效的研究和開發(fā)成 果。目前，包括微特電機(jī)、中小型電機(jī)和大型發(fā)電機(jī)在內(nèi)的各類電機(jī)都可以采用 永磁同步電動(dòng)機(jī)。例如，它可應(yīng)用于汽車電控、儀表、計(jì)算機(jī)外設(shè)、航空航天設(shè) 備、音像設(shè)備等。特別是“八五”期間，我國不少專業(yè)研究單位和工礦企業(yè)在調(diào)整 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速技術(shù)開發(fā)和全面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國產(chǎn)化的主導(dǎo)思想基礎(chǔ) 上，大力開展了永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性應(yīng)用研究，取得了一定的 成果。然而，就整體研究水平和有關(guān)技術(shù)難點(diǎn)方面的研究，有待進(jìn)一步的認(rèn)識， 深化和發(fā)展。 永磁同步電機(jī)的發(fā)展是與永磁體材料的發(fā)展密切相關(guān)的。1 9 世紀(jì)2 0 年代出 現(xiàn)的世界上第一臺電機(jī)就是用永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場的永磁電機(jī)，但當(dāng)時(shí)所用的永 磁材料是天然磁鐵礦石，磁能密度很低，用它制成的電機(jī)體積龐大，不久就被電 勵(lì)磁電機(jī)所取代。 由于各種電機(jī)迅速發(fā)展的需要和電流充磁器的發(fā)明，人們對永磁材料的機(jī) 理、構(gòu)成和制造技術(shù)進(jìn)行了深入研究，相繼發(fā)現(xiàn)了碳鋼、鎢鋼( 最大磁能積約 2 7 k j m 3 ) 、鈷鋼( 最大磁能積約7 2 k j m 3 ) 等多種永磁材料1 1 1 。特別是2 0 世紀(jì)3 0 年代出現(xiàn)的鋁鎳鈷永磁( 最大磁能積現(xiàn)可達(dá)8 5 k j m 3 ) 和5 0 年代出現(xiàn)的鐵氧體永磁 ( 最大磁能積現(xiàn)可達(dá)4 0 k j m 3 ) ，磁性能有了很大的提高，各種微型和小型電機(jī)又 紛紛采用永磁體勵(lì)磁【2 1 。永磁電機(jī)的功率小至數(shù)毫瓦，大至幾十千瓦，在軍事、 工農(nóng)業(yè)和日常生活中得到了廣泛的運(yùn)用，產(chǎn)量急聚增加。 但是，鋁鎳鈷永磁的矯頑力偏低( 3 6 1 6 0 k a m ) ，鐵氧體永磁的剩磁密度不高 ( o 2 - 0 4 4 t ) ，限制了它們在電機(jī)中的應(yīng)用范圍。直到2 0 世紀(jì)6 0 年代和8 0 年代， 稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁( 二者統(tǒng)稱為稀主永磁) 相繼問世，它們所具有的高剩磁 密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線的優(yōu)異磁性能特別適合于制造電機(jī)， 從而使永磁電機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的歷史時(shí)期 3 1 。 隨著稀士永磁材料的出現(xiàn)和發(fā)展，永磁同步電機(jī)的研究和開發(fā)大致可以分成 三個(gè)階段： 碩士學(xué)位論文 1 ) 2 0 世紀(jì)6 0 年代后期和7 0 年代，由于稀土鈷永磁價(jià)格昂貴，研究開發(fā)重 點(diǎn)是用于航空、航天等高科技領(lǐng)域中使用的高性能電機(jī)。 2 ) 上個(gè)世紀(jì)8 0 年代，特別是1 9 8 3 年出現(xiàn)價(jià)格相對較低的釹鐵硼永磁后， 國內(nèi)外的研究開發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)到工業(yè)和民用電機(jī)上。稀土永磁的優(yōu)異磁性能，加上電 力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，使許多傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)被稀土永磁電 機(jī)來代替，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的高性能。 3 ) 進(jìn)入上世紀(jì)9 0 年代以來，隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是 釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價(jià)格的逐步降低以及電力電子器件 的進(jìn)一步發(fā)展，促使永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)工藝和控制技術(shù)等方 面的研究工作出現(xiàn)了嶄新的局面，有關(guān)的學(xué)術(shù)論文和科研成果大量涌現(xiàn)，形成了 以電磁場數(shù)值計(jì)算和等效磁路解析求解相結(jié)合的一整套分析研究方法和計(jì)算機(jī) 輔助分析軟件，稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。 1 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域 永磁同步電動(dòng)機(jī)與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，可以顯著提高功 率因數(shù)( 可達(dá)到1 、甚至為容性) ，減少了定子電流和定子電阻損耗，而且在穩(wěn)定 運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗的降低而減小風(fēng)扇( 小容量電機(jī)甚 至可以去掉風(fēng)扇) 和相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，從而可以使效率比同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提 高2 _ 8 【4 1 。而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)在2 5 1 2 0 額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較 高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著【5j 。這類電動(dòng)機(jī)一般都在 轉(zhuǎn)子上設(shè)有起動(dòng)繞組，具有在某一頻率和電壓下直接起動(dòng)的能力，又稱為異步起 動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)。 隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和功率器件價(jià)格的不斷降低，人們越來越多的 用變頻電源和交流電動(dòng)機(jī)組成交流調(diào)速系統(tǒng)來代替直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。在交流 電動(dòng)機(jī)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)與電源頻率保持恒定的關(guān)系，這 一固有特性使得它可直接用于開環(huán)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，尤其適用于由同一變頻電源 供電的多臺電機(jī)要求準(zhǔn)確同步傳動(dòng)系統(tǒng)中，這可簡化控制系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)無刷 運(yùn)行，而且較高的功率和功率因數(shù)可以減小價(jià)格昂貴的配套變頻電源的容量，因 而在各種調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛這類電機(jī)通常由變頻器頻率的逐步提高 來起動(dòng)，轉(zhuǎn)子上可以不設(shè)置起動(dòng)繞組。德國制成的用于艦船推進(jìn)的6 相變頻電源 供電的1 0 9 5 k w 、2 3 0 r m i n 稀土永磁電動(dòng)機(jī)，與過去使用的直流電動(dòng)機(jī)相比，體 積減小6 0 左右，總損耗降低2 0 左右，而且省去了電刷和換向器，維護(hù)方便 6 1 。 變頻器供電的永磁電動(dòng)機(jī)加上轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成自同步永磁電動(dòng) 機(jī)，它既具有電勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)異調(diào)速性能，又實(shí)現(xiàn)了無刷化，這在要求高 2 采磁瓣步鴦魂撬數(shù)字話控到系統(tǒng)耩究 控翱精度秘裹霹囂縫粒場合，熱軍事、靛空、簸天、數(shù)控枧臻、熱王中心、軛器 人、電動(dòng)汽車、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器等方面都獲得了廣泛的運(yùn)用 2 1 。其中 愛泡勢波形秘供魄電流波形都怒矩形波豹電動(dòng)蟪，遙鬻稼為燹捌直流電動(dòng)楓；反 電勢波形和供電電流波形為正弦波的電動(dòng)機(jī)，稱為正弦波永磁弼步電動(dòng)機(jī)，簡稱 永磁弱步電動(dòng)瓠，本文耢究約怒囂者委弦波供電豹永韃目步魄動(dòng)極。 電動(dòng)汽車是當(dāng)前汽率發(fā)展的新方向，一些發(fā)達(dá)國家每年均投入大量經(jīng)費(fèi)用于 磅剿葶翼開發(fā)，箕孛電機(jī)彝傳動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心駐，猿土瘩磁電機(jī)以其體積小、 效率高、性能優(yōu)昴而成為新一代電動(dòng)汽車的酋選方案c 7 】。隨蔚人民生活水平的不 叛提裹，黠家曩魄器的要求越來越裹。例如家翅空調(diào)糕，既楚耗電大臀，又是噪 聲的主要來源，熟發(fā)展懣勢是使用能無級調(diào)速的永磁同步電渤機(jī)。它能根據(jù)室溫 豹變化，囊動(dòng)調(diào)整到適寰戇轉(zhuǎn)速下長對闋運(yùn)轉(zhuǎn)，不但減少了噪聲和搬動(dòng)，使人的 感覺更為舒適，而且比不調(diào)速的空調(diào)器節(jié)電l 3 。 綜上艨述，永磁同步奄動(dòng)機(jī)的主要瘦用領(lǐng)域包括： 1 ) 軍事、航空、航涎領(lǐng)域； 2 ) 控制糖發(fā)愛求離領(lǐng)域，始數(shù)控機(jī)床、工業(yè)規(guī)器入控制等； 3 ) 交通工具控制領(lǐng)域，如電動(dòng)汽牽控制f 8 】； 4 ) 家建電器控制領(lǐng)域，如漿用空調(diào)、電冰箱等。 1 3 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景 自從上個(gè)世紀(jì)8 0 年代以來，隨著電機(jī)調(diào)速控制理論、電力電予和微電子技術(shù) 豹迅速發(fā)嬡以及永磁材料性能份格比的不叛掇離，永磁同步墩動(dòng)極的變頻調(diào)速進(jìn) 入了深入研究和廣泛應(yīng)用的階段。由于水磁同步電動(dòng)機(jī)自身熙有比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更 為優(yōu)越的性能，褥且其d q 變換算法擺對篾單、電瓠轉(zhuǎn)子磁極的搜爨易于捻測， 因此交流調(diào)速的矢量控制理論在承磁閥步電動(dòng)機(jī)的控制領(lǐng)域也得到了同樣的重 援，有關(guān)水磁網(wǎng)步電動(dòng)楓矢量控劁研究的成暴虢續(xù)發(fā)表，對矢量控制的不尉電流 控制策略的研究成為了永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制研究的重點(diǎn)部分【9 】f 1 ?！俊緇 。與此 同時(shí)，對嫩磁同步電動(dòng)枧豹調(diào)遙控制性能也提出了更糕豹要求；高憾能的永磁同 步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)除了要有良好的轉(zhuǎn)斑性能外。還戍具有較寬的調(diào)逋范圍。隨著 永磁同步電動(dòng)枧轉(zhuǎn)矩的增加，電機(jī)定予繞組的反應(yīng)電動(dòng)勢必然升高，當(dāng)反電動(dòng)勢 達(dá)到電機(jī)的額定電壓或是逆交器的直流側(cè)電聰時(shí)，電桃的輸入電流將不能跟蹤控 制器豹輸出給定電流，弓 起電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩的降低。此時(shí)，愛設(shè)法減小永磁同步 電動(dòng)機(jī)的反應(yīng)電動(dòng)勢即弱磁控鍘，以增加高速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力 1 2 1 ”】【1 4 】。由于永磁同步電動(dòng)枕的主磁場是由永磁體產(chǎn)生，不能像纛流電動(dòng)機(jī)或 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣弱磁，途給永磁同步電動(dòng)機(jī)的高速憾功率遮行帶采了新的問題 【1 5 】【1 6 】【17 1 碩士學(xué)位論文 進(jìn)入8 0 年代中后期后，永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有代表性的幾項(xiàng)重 大研究突破為：1 9 8 6 年，t m j a h n s 等人研制出具有代表性的內(nèi)置式永磁同步電 動(dòng)機(jī)矢量控制伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)是用于飛機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能 優(yōu)良等特點(diǎn)，為其后的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的步伐【”】。1 9 9 1 年一1 9 9 3 年間，日 本的s m o r i m o t o 等人提出的內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)矩性能的矢量控制系 統(tǒng)，其方法是根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況，調(diào)整電流矢量的相角，充分利用內(nèi)置式永磁 同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率的輸出 18 1 1 9 】。而后，w l s o n g 發(fā)表了“凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行能力”的論文，主要討論了凸極式永 磁同步電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行區(qū)域與電機(jī)凸極率的關(guān)系。但是，它們的設(shè)計(jì)思路是 盡量增大電機(jī)的凸極率以減少電機(jī)中永磁體的用量，并同時(shí)提高了電機(jī)的“弱磁” 性能。實(shí)際上，當(dāng)電機(jī)凸極率很大，而永磁體用量很少時(shí)，此時(shí)的電機(jī)就其本質(zhì) 來說更應(yīng)屬于一臺帶有永磁體的磁阻電機(jī)而并非永磁同步電動(dòng)機(jī)。這類電機(jī)的 “弱磁”能力雖然很高，但由于永磁體發(fā)出的磁場很低，電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的轉(zhuǎn)折速 度一般很低 2 0 l 。 近幾年來，隨著電力電子器件、高速信號處理器等的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理 論的應(yīng)用，電機(jī)調(diào)速控制，包括永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)又出現(xiàn)了新的發(fā)展方向， 主要包括以下幾個(gè)方面： ( 1 ) 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型分析方法的發(fā)展f 2 0 】【2 1 i ( 2 ) 現(xiàn)代控制理論的引入【2 2 】【2 3 】 ( 3 ) 人工智能技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 2 4 1 與此同時(shí)國內(nèi)交流調(diào)速領(lǐng)域的學(xué)者也對永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速進(jìn)行了大量 的研究：西北工業(yè)大學(xué)的韓英桃等對永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的最佳方案進(jìn) 行了研究【1 6 j ；徐廣人等對永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁場進(jìn)行了分析【1 7 】；合肥工業(yè) 大學(xué)的萬文斌博士等對電動(dòng)機(jī)的高性能電流控制器進(jìn)行了研究，提出了線性 m i m o 狀態(tài)反饋控制及空間電壓矢量p w m 控制【2 5 】【2 6 】；西北工業(yè)大學(xué)的馬瑞卿 教授等就稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)和中的效率、諧波及失步等關(guān)鍵技 術(shù)進(jìn)行了研究【2o j ；山東大學(xué)的徐衍亮博士對永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率特性及擴(kuò)速 能力進(jìn)行了深入的研究1 13 j 【1 4 】；南航的田淳博士及同濟(jì)大學(xué)的陶生桂教授對永磁 同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了研究2 7 】【2 8 l 2 9 】；白駛，劉宴等對永磁同步電動(dòng) 機(jī)的d s p 控制進(jìn)行了研究，并提出了基于d s p 的矢量控制系統(tǒng)【3 0 兒3 1 】：姚光中對 內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效電路進(jìn)行了研究【2 2 】以及湖南大學(xué)的歐陽紅林教授 等對永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制進(jìn)行了研究【2 。另外，清華大學(xué)和中科院電 工研究所也先后開發(fā)研制了電動(dòng)汽車的交流永磁電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)方式的目益向自動(dòng)化發(fā)展的需要，對作為其中重要組成部 4 永磁離勞電磚輥鼗字住控制轟統(tǒng)磽究 分豹現(xiàn)錢泡璃駐系統(tǒng)提爨了越寒越褻懿性愛窺技術(shù)要求，強(qiáng)隸疆曩步邀動(dòng)極為核 心的電伺服系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)速商，功率密度大等特點(diǎn)，已日漸成 麥魄埂爨驅(qū)動(dòng)系綻豹主滾，蘢其怒在對精度積樓戇都窩較裹要求的中，l 、功率飼駐 領(lǐng)域更是黛有取代傳統(tǒng)贏流伺服系統(tǒng)的趨勢。從其應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)和永磁同步電 動(dòng)搬囊鼴系統(tǒng)叁巍技本豹發(fā)震寒籬，今露永磁圈步電動(dòng)援飼殿系統(tǒng)將囪善以下兩 個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是適用于簡易數(shù)控機(jī)床、辦公自動(dòng)化設(shè)備、家用電器、計(jì)尊機(jī) 終潮設(shè)備以及對黢戇要求苓嘉鶼工韭運(yùn)動(dòng)控利等頒域的楚蕈、戲本低的永磁閹步 電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)；另一個(gè)方向則是適用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工設(shè) 備精纓繪避驅(qū)動(dòng)以及敦空、靛天爆的嘉性能豹余數(shù)字識、碧能純、柔性化的痰磁 同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)。而后者作為更能充分體現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的 發(fā)摟方淘，逛必將是今瓣永磁嗣步電動(dòng)巍援鼴系統(tǒng)的壤點(diǎn)發(fā)怒方自。 1 。4 永磁間步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究意義及本文的主要研究內(nèi)容 在電侗服系統(tǒng)中，交流伺服系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的直流伺服系統(tǒng)已是大勢所趨，而 永磁秘步嘏動(dòng)援德赧系統(tǒng)因俸積小、效率裹、功率密度大薅必將成為交滾飼服系 統(tǒng)的“主流”。近舔來，隨著永磁材料性能價(jià)格比的不斷提高以及電力電子技術(shù)的 迅速發(fā)震，在全夔賽藍(lán)銎內(nèi)對永磁爨步旗動(dòng)輥調(diào)速系縫茲磣 突進(jìn)入了個(gè)全疆發(fā) 展的時(shí)代。我國永磁材料資源豐富，稀士資源蘊(yùn)藏量膀世界蔭位，如何充分利用 臻資源臻勢，大力開發(fā)蹇性能豹瘩磁邀楓調(diào)遮系統(tǒng)，縭小與發(fā)達(dá)匿家在這方面 的麓距已是一件刻不容緩的事情。因此，加強(qiáng)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究具 舂藏要豹壤論意義和實(shí)溺馀蘧。 國內(nèi)對永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)逮控制系統(tǒng)進(jìn)行了很多的研究，但主要還存在以下 不是之處： 1 ) 國內(nèi)對永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究工作主委側(cè)重予電動(dòng)機(jī)本體的研究，對其 調(diào)遮控刳系統(tǒng)的研究工佟擺對較少。 2 ) 對于永磁同步電渤機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)的研究聯(lián)論和仿真研究較多，生產(chǎn) 實(shí)際中應(yīng)趨豹成果較少；對于矢量控鍘系統(tǒng)磅究較多【3 2 1 ，兩對于其他先進(jìn)的電 機(jī)控制方法，如真接轉(zhuǎn)矩控制穰永磁同步電動(dòng)機(jī)上的運(yùn)用研究較少； 3 ) 出于受到逞內(nèi)的設(shè)備、經(jīng)費(fèi)等條件的隈制，對國際上電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中的 前沿性課題研究較少。對最新出現(xiàn)的電氣傳動(dòng)研究方向，如：自適_ 陂控制技術(shù)、 人工智能趣控刳技術(shù)及籠速度鏜感器技術(shù)與應(yīng)用同國際先進(jìn)水乎還有較大差距。 針對國內(nèi)外對永磁同步電幼機(jī)調(diào)蘧系統(tǒng)的研究情況，特剮是我國研究的現(xiàn) 狀，本論文豹主凝研究工作包括以下幾點(diǎn)： 1 ) 對永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行研究，推譯和建立永磁同步電動(dòng)桃的 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，為控制娥略的磺究提供基礎(chǔ)。 2 1 研究永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的幾種電流控制策略，通過仿真對比其工 作特性，著重研究凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方法，尋求其定子電流最優(yōu)控制 策略，并進(jìn)行仿真研究。 3 1 設(shè)計(jì)和建立基于d s p 的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，為進(jìn)一步的研究提供 硬件平臺。 6 詈。 查鍪耋莖塞莖壘塞莖蘭簍簍薹鎏萎童：= 第2 章永磁茼步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 2 1 三相靜止坐標(biāo)下的永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 為了建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模整，通常先做翔下假設(shè) 1 ) 電機(jī)的磁路是線性的，不計(jì)磁路飽和、磁滯和渦流的影響； 2 ) 三相繞組怒完全對稱的，在空聞互差1 2 0 0 ，不計(jì)逮緣效應(yīng)； 3 ) 忽略齒槽效應(yīng)，定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁動(dòng)勢，忽略高次 諧波； 4 ) 不計(jì)鐵心損耗。 將定予繞組中a 相繞組的軸線作為空閑嫩標(biāo)的參考軸線口。在確定磁鏈和 電流正方向后，永磁同步電動(dòng)機(jī)在a 、b 、c 搬標(biāo)系下的定予電壓方程為”m ： “。；瓢+ 三 ( 2 1 ) 磁鏈方程為： 帆= l 。 。+ 緲，只一) ( 2 2 ) 式中囅= 釜?！??！?。f ，= p 。i 。毛f ，致= 阮妒。礦。 lm m 1 c o s 8 t = l 村m 如掰wl ，e 一 c o s ( 0 2 ，r 1 3 ) l 【塒d 一z cj c o s ( e + 2 z ：舊j o of c a 、b 、c 三稿繞綴電流 虬、“r a 、b ，c 三相繞組電壓； 既、礦。、a 、b 、c 三翱繞組交鑲靜慧磁鏈； r 。電予繞組的電阻； 毛、島、電視定予繞纓虐感； 塒。定子x 繞組與y 繞組聞的互朦； 礦，轉(zhuǎn)予永磁體弦撅昀磁磁鞴鏈輻德； 日轉(zhuǎn)子d 軸超前定子a 相繞組軸線的電角度。 扶以上豹數(shù)攀模型中可見。在a 、b 、c 坐標(biāo)系中，柬磁嗣步魄滋枧鞠數(shù)學(xué) 模型比較復(fù)雜，電機(jī)參數(shù)與轉(zhuǎn)予位置角護(hù)有關(guān)，這是系統(tǒng)非線性的根源所在。如 暴直接依耀三耜游韭坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，控糍系統(tǒng)茲設(shè)詩將菲常復(fù)雜，復(fù)雜鮑 算法會大大的增加控制器的響應(yīng)周期，控制效果肯定也不會理想，因此，必須利 愿坐標(biāo)變換，將褒參數(shù)轉(zhuǎn)換成囂參數(shù)，得爨常參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。 2 2 坐標(biāo)變換理論 2 2 1 變換原理 永磁同步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速也屬于交流調(diào)速領(lǐng)域，因此交流調(diào)速蟾有關(guān)理論 對于永磁同步電動(dòng)機(jī)也同樣適用，這其中就瓴括坐標(biāo)變換理論。坐標(biāo)變換的基本 思想就是將交流電機(jī)的物理模型等效的變換成類似囊流電機(jī)的模式，然后褥模仿 直流電機(jī)進(jìn)行控制。不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁 動(dòng)勢相等 3 2 】。 交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組a 、b 、c 通以三相平衡的正弦電流l 。、l 。、e 、 時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢耀旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)辨f ，它在空間呈砸弦分布，勢以同步速度 慨按a b c 相序旋轉(zhuǎn)，這樣的物理模型如圖2 1 a ) 所示。 8 c 霸一f 9 聲；略 a氈 ii ”ai 0i 黜麓 b ) 豳2 1等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)物理模型 a ) 三棚交流繞綴b ) 兩相交流繞組c ) 旋轉(zhuǎn)的黌流繞組 但麓，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢并不一定菲要三栩不可，除了單相以外，二相、三相、 閼褶、等任意多相的對稱繞組，通以多相平衡電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢， 當(dāng)然黻兩稻為最簡單。圖2 1 b ) 中繪出了兩楣靜止繞組搿、，它們在空間上相 蓑9 0 。，通阻時(shí)間上相差9 0 0 的兩褶平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢f 。當(dāng) 圈2 1 a ) 和2 1 b ) 的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，則可認(rèn)為這兩個(gè)繞組是 等效繞巍。 褥考慮闡2 。i c ) 中的兩個(gè)匝數(shù)相等并鬟櫥甄垂直的繞組m 和t ，其中分別通 黻直流憊流f 。和f ，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢f ，箕位置褶對繞組來說蔻靜止的。如采讓 憊含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵芯戳同步漣度吼旋轉(zhuǎn)，剩磁動(dòng)勢f 自然也旋轉(zhuǎn)起來， 成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。撼這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖2 1 a ) 和2 1 b ) 中 酶磁雅勢一樣，鄢么這套旋轉(zhuǎn)的鲞流繞組氌就和黼兩套閹定的交流繞組等效了。 8 承磁l 司步電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)研究 由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢為準(zhǔn)則，圖2 1 a ) 的三幸臼交流繞組、圖 2l b ) 的兩相交流繞組和圖2l e ) 的旋轉(zhuǎn)直流繞組等效?；蛘哒f，在三相靜止坐標(biāo) 下的i ri ”t 、在兩相靜止坐標(biāo)下的、i 口和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)下的直流電流f 。、 i ，是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。坐標(biāo)變換的任務(wù)就是求出f 。、i 。、i c 與i 。、f 。以及i 。、i ，之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系。 2 2 2 功率不變條件下的坐標(biāo)變換矩陣 假設(shè)在某坐標(biāo)系下的某系統(tǒng)的電壓和電流向量分別為“和i ，在新的舉標(biāo)系 下，電壓和電流向量變成了和i ， 其中 而 定義新相量與原向量的坐標(biāo)變換關(guān)系為： “= c u u i = c , i 假定變換前后功率不變，則 p = u l l i + “2 i 2 + + u i 。= f 7 “ 1 ” - l l - t ，2 ： t z “ ( 2 3 ) ( 2 4 ) f 2 5 1 = 甜：f i + “：藝十+ “：藝= i r u 。( 2 6 、 將式( 2 5 ) 代入式( 2 6 ) 有： i r u = ( e f 。) 7 e u l = i r c j e = i r “ 因此 q 巴= e( 2 7 ) 式中：e 單位矩陣。 式( 2 7 ) 就是在功率不變條件下變換矩陣的關(guān)系。在一般情況下，為了使變換 矩陣簡單好記，把電壓電流變換矩陣取為同一矩陣，即令 e = c l = c( 2 8 ) 則式( 2 7 ) 變換為c 7 c = e即c = c 。1 f 2 9 1 由此可得結(jié)論：在變換前后功率不變，且電壓和電流取相同的變換矩陣的條什下， 變換矩陣的逆于其轉(zhuǎn)置相等，這種變換其實(shí)就是止交變換。 9 鞏噸；k；“一 碩士學(xué)位論文 2 2 3 矢量控制坐標(biāo)變換矩陣 前面介紹了坐標(biāo)變換的目標(biāo)和原理，這一節(jié)中將介紹幾種在電機(jī)控制中經(jīng)常 用到的幾種坐標(biāo)變換。包括三相二相變換( 3 2 變換) 、二相二相旋轉(zhuǎn)變換( 2 s 2 r 變換) 及三相靜止到任意速度旋轉(zhuǎn)二相坐標(biāo)的變換( 3 s 2 r 變換) 。 ( 1 ) 靜止三相二相變換( c l a r k 變換) 三相二相變換是從三相靜止坐標(biāo)a 、b 、c 到二相靜止坐標(biāo)口、的變換， 對應(yīng)了圖2 1 a ) 到2 1 b ) 的等效交換，設(shè)該變換滿足功率不變約束條件。 圖2 2 a ) 繪出了a 、b 、c 和口、兩個(gè)坐標(biāo)系，并且取d 軸和a 軸重合。設(shè) 三相系統(tǒng)每相繞組的有效匝數(shù)為n 3 ，二相系統(tǒng)每相繞組有效匝數(shù)為，各相磁 動(dòng)勢均為有效匝數(shù)及其瞬時(shí)電流值的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸 上。設(shè)磁動(dòng)勢波形是正弦分布，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢與二項(xiàng)總磁動(dòng)勢相等時(shí)，兩套繞 組瞬時(shí)磁動(dòng)勢在口、盧軸上的投影都應(yīng)該相等，即 11 2 = n 3 i a n 3 i ac o s 6 0 。一n 3 i cc o s 6 0 。= n 3 ( 一q 1 - t 口一f c )( 2 1 0 ) 二z 廳 n 2 i f = n 3 s i n 6 0 。n 3 f cs i n 6 0 。= n 3 ( i b - i c )( 2 1 1 ) 上 為了便于求反變換，在二相系統(tǒng)上再人為的增加一項(xiàng)零軸磁動(dòng)勢n 2 i ，并定 義 2 i o = k n 3 ( i 4 + + i c )( 2 1 2 ) 將式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 合在一起，寫成矩陣形式，得 式中 l一三 。魚 x k ，3 l 2 s2 瓦 i i = c 3 m ，l 略1 ( 2 13 ) j蚓 1 一三一三 22 。巫一巫 22 k kk 這就是三相坐標(biāo)系到二相坐標(biāo)系的變換矩陣。 根據(jù)功率不變的約束條件 c s = c 甚。 1 0 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) d 口 c 一峰一 上2 笪? 以一心 = 1j k0 。，。l 瘩磁鞘步電動(dòng)氍數(shù)字純拄剜累統(tǒng)研究 可求得蘭：擘，k ：毒 2 v3 2 那么，三掃到二根功率不鱉變換矩陣則為： j1 1 1 ，；胃。害孚 | 土上上 l 頓壓冱 ( 2 16 ) ( 2 1 7 ) 相應(yīng)的反變換矩陣，即從靜l e 二輻坐標(biāo)系到靜止三相坐標(biāo)系鷯變換矩陣為： o ： 2 3l 22 31 22 9 、。 蘼：) 盞爵、 ( 2 8 ) 圈2 2 坐標(biāo)變換中空閘矢量位譬圖 a ) 靜止三相和睜止兩相坐標(biāo)系b ) 靜止兩磺和旋轉(zhuǎn)三相坐標(biāo) ( 2 ) 靜止三相二相旋轉(zhuǎn)變換( p a r k 變換) 這種坐標(biāo)交換是胰靜止的= 相g 、聲坐標(biāo)變換到戳同步速q 旋轉(zhuǎn)的二襁m 、 t 坐標(biāo)系下，對應(yīng)了圖2 1 b ) 到2 1 c ) 的等效變換。將“、歸坐標(biāo)和m 、t 坐標(biāo)廁 在一起。如圖2 2 b ) 所示。匿中，靜止坐標(biāo)系的兩瑗交流電流、f 。幫麓轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系的兩個(gè)直流電流i 。、 ，產(chǎn)生同樣的以同步速，旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢一。 在圖2 2 b ) 中，m 軸、t 轆和矢量 ( 墨) 都疆旋轉(zhuǎn)，因此分量乞、f ，的蜻值 不變，相當(dāng)于m 、t 繞組的直流磁動(dòng)勢 而d 、口坐標(biāo)軸是靜止的，口軸與m 軸 靜夾角p 隨時(shí)聞面交換，因藏撕生口軸釉蘆軸土靛分_ 鬟乇和如靜楱壤也隨時(shí)閩變 化，這相當(dāng)于口、盧繞組交流磁動(dòng)勢的瞬時(shí)值。由圖可見，f 。、i 。和f 。、l ，之間 。 ，|2；一2 圈慪 茹 島 蘭 hq 碳士學(xué)位論文 存在以下關(guān)系： ，2 ，。? 8 伊一：f s l n p9 ) 吆= j ms i l l 伊千2rc o s 妒 寫成矩陣形式，有 盼暖：新朝c 2 r 2 s ；：1 b ： 式中，二穗凝轉(zhuǎn)坐豁系至l 二糟靜壹坐稼系酌變換矩陣為 c 2 m ，：罡：叫m 妒l ( 2 1 2 1 ) s i n 妒c o s 穢l 相應(yīng)的反變換矩陣為 c ：川，2 l 鬈鞠 億：， ( 3 ) 靜止三穗飪意遴疫旋轉(zhuǎn)二梗炎按 如果要從三相靜止坐標(biāo)系a 、b 、c 變換到任意速度旋轉(zhuǎn)的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d 、q 、0 ，其中“0 ”是羹了求逆方霞囂孬緩設(shè)黲零轆，霹蘇裂鼴蔻瑟泌經(jīng)導(dǎo)窶戇變歉 矩陣，現(xiàn)將a 、b 、c 坐標(biāo)系變換成靜止的口、0 坐標(biāo)系，然后再將口、 0 坐標(biāo)系變換到d 、臥o 坐標(biāo)系。鼴耆可慕愛c ：班，變換短陣，哭霉凝糕薅中懿 下標(biāo)m 、t 換成d 、q ，零軸仍為原來的假設(shè)軸，并令d 軸與口軸的夾角為0 ，即 m 、t 坐標(biāo)系中的妒。那么經(jīng)過鼴步變換褥拭三項(xiàng)靜止坐標(biāo)系a 、b 、c 變羧 到任意速度旋轉(zhuǎn)的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d 、q 、0 的變換矩陣為； 。，：蚓店ic。sinso口“cosn(co曰-fi腳20。)，痂cos(po+嚴(yán)120。) l 壓正壓 怫七c o 東s oz ：篡- s i n o ：囊 f 2 2 3 ) f 2 2 4 ) 2 。3 蠢迷坐標(biāo)下的永磁嗣步電動(dòng)枕的數(shù)學(xué)模型 d q 軸數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)桃控制系統(tǒng)最有效的工其，因?yàn)?j 龜時(shí)艇標(biāo)轆釉磁鏈都阻同步速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)數(shù)學(xué)模型中參數(shù)為常參數(shù)，它不僅可翻 于分桁正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也可用于分析電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。 永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)研究 但永磁同步電動(dòng)機(jī)和異步電機(jī)相比，有交、直軸電樞反應(yīng)的問題，因此有必 要說明電樞反應(yīng)對電機(jī)參數(shù)到底產(chǎn)生了什么影響。 根據(jù)雙反應(yīng)理論，文獻(xiàn) 3 7 】中導(dǎo)出了凸極同步電機(jī)定子相自感和相問百感 為： l = + j 2c o s 2 0 上b = l 。o + l 。2c o s 2 ( 口一1 2 0 。) l c = 己柚+ l ，2c o s 2 ( o + 1 2 0 0 ) m = m 一m + m ；2 c o s 2 0 ( 2 2 5 ) m c = 吖d = 一m s o + m s 2e o s 2 ( o 一1 2 0 。) m n = m = 一m m + m nc o s 2 o + 1 2 0 。) 其中，。和，。是定子自感和互感平均值，t ：和帆：是定子自感和互感二 次諧波幅值，這和一般的異步電機(jī)的定子側(cè)電感表達(dá)式有明顯的不同。 對( 2 2 ) 式三相靜止坐標(biāo)系磁鏈方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，即： c 3 m ，”= g s j2 r g ，( 晶2 ，c 3 s j2 r i 。+ p ，c 2 ，f a o )( 2 2 6 ) 而k j = g 。，bi qi o = g 。，i 。 c ，s i2 e ，c 2 ，2 ， ：-；i-薯sin目oeo。is?；瞣-l-1。2：0。)，一eo。證s(徊o+l+1。2：0。)， l4 7拒拒 c o s 0 外o s ( ：明 c o s ( o + 1 2 0 。) 一s i n 0 ：1 4 2 一s i n ( 0 - 1 2 0 。) 萬1 一s i n 0 + 1 2 0 ) 萬1 m 。 l m i l h 上+ m + 曇t 2 oo 0 + 一曇n o 0 0 上2 m ；o 。以一括懌! 舉j ! 舉j l 西 一4 i萬 = 竹脅0o l + l d = 上。+ 鳩。+ ；上。厶= l , o + m 。一；丘：，厶= 丘o - 2 m 。，可得永磁同步電 動(dòng)機(jī)d q 坐標(biāo)系下的磁鏈方程： d l 劉 肘m 工 _le_l_-e_【 封 ，一弘揚(yáng) 一 十 。妒夠 嘴 一 卜 讎琳怵 勱 驢警咖”墨 缸。= d 警- + c o y ：a + r ： q ( 2 2 s ) 鰳堿牛警 其中彩= 足掰。，只為電楓轉(zhuǎn)予的極對數(shù)，國；為轉(zhuǎn)孑蛾棱角度度，攀位為r a d s 戮上雄惑了永磁同步電動(dòng)輟戇奄磁特瞧方程，事囂將推導(dǎo)其裁械特檻方程。 根撰機(jī)電能量轉(zhuǎn)抉髑毫楓綾一理論可知，電專嚏鯰電磁轉(zhuǎn)矩為： z 二一最毛( 礦，i ：) ( 2 2 9 ) 式中；。表示暾結(jié)果的虛部，“”表示取共扼復(fù)數(shù)。 峻予零黟分愛不涉及極電鹱量轉(zhuǎn)羧，簸炎囂考慮囊軸分星移交毒鑫分慧，郅： l y s = 矗+ ，礦4( 2 3 0 ) li ；= 島+ 熱 、 由式2 。2 9 和2 1 3 0 可得： 乙= 點(diǎn)，。( 礦；i ：= 一蜀厶【( 妒# + 歹妒。) 1 ) ，凸極率直接決定了磁阻轉(zhuǎn)矩的大小，而對隱極式轉(zhuǎn) 子結(jié)構(gòu)l 。= l 。( p = 1 ) ，無凸極效應(yīng)，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。因此，可以有效的利用 凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，增加電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，擴(kuò)大其調(diào) 速范圍。 電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，式2 3 4 中的微分項(xiàng)為0 ，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為 1 乙= 只 f 。s i n f l + ( k l q ) s i n 2 f l 】 上 p 2 只【i q + ( k 一三g ) 屯2 q 】2 吾【?？? ( x d x g ) 屯。 ( 2 3 7 ) 而電壓方程可表示為： 相應(yīng)的輸入功率 。一吐+ 峨 ( 2 3 8 ) “q = c o l a i a + 緲礦，+ r i 口 。 只= 吼心= 彬，s i n + 丟( 局一五) o s m 2 吖2 月 ( 2 3 9 ) 電磁功率： 只m 釧厶2 專t m 釧 g t i q + ( 乙- - l q ) 彬?！? e o i q + ( x a - x q ) 謝。 電機(jī)功率因數(shù)： c o s q , = c o s ( f l 一爭 其中萬是電機(jī)的功角，t a n 艿= 菌j r i 5 萬c o 了s f l i + z x i q l i , s 礦i n 而f l 2 4 小結(jié) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) 本章闡述了首先討論了靜止三相到靜止兩相、靜止兩相到旋轉(zhuǎn)兩相及靜止三 相到旋轉(zhuǎn)兩相的坐標(biāo)變換原理和變換方程。而后，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)在三相靜 止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用坐標(biāo)變換理論得到了永磁同步電動(dòng)機(jī)在d 、q 坐標(biāo) 系下的電壓、磁鏈及轉(zhuǎn)矩方程，即永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，為下面章節(jié)的分析 論述提供了鋪墊。 1 6 ：詈查堡墾耋皇塑墼墼耋些堡竺至簍圣塞 墨 第3 章永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制 3 1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本控制方式 3 1 1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制 開環(huán)v f 控制是永磁同步電動(dòng)機(jī)最簡單的一種控制方式j(luò) 如圖3 1 所示。轉(zhuǎn) 子 二帶有鼠籠的永磁同步電動(dòng)機(jī)一般采用這種控制方式，這種混合結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一 個(gè)附加的異步轉(zhuǎn)矩分量，因此，在逆變器供電時(shí)，這種永磁同步電動(dòng)機(jī)不要位置 傳感器的情況下可以穩(wěn)定運(yùn)行。這種開環(huán)控制很簡單，只需要按圖3 1 所示的簡 單的恒定v f 控制算法，就能獲得開環(huán)的轉(zhuǎn)速控制用于不要求快速響應(yīng)的負(fù)載 如泵類和風(fēng)機(jī)等。按照這種方式，使用s p w m 調(diào)制法，就可以使供電電壓的基 波幅值隨指令成比例的線性增長，從而保持磁通的恒定。 速度指 圖31混合武永磁同步電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 這種控制方式的晟大缺點(diǎn)是負(fù)載和速度指令不能突然變化，否則容易造成永 磁同步電動(dòng)的失步，使電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)永磁體失磁，損壞電動(dòng)機(jī)。 3 1 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制 為獲得高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，通常需要轉(zhuǎn)子位置傳感器，以實(shí) 現(xiàn)連續(xù)的白同步功能。對永磁同步電動(dòng)機(jī)，按照其特定的驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)，通常需 要能提供等效數(shù)字分辨率或更高的絕對編碼器。在某些高性能的裝置中，位置傳 轉(zhuǎn)矩 指令 圈3 2永磁同步電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圈 圈32永磁同步電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圈 碩士學(xué)位論文 感器的分辯舉是很耋露的，它是很煎要的，它是影響永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)諸 多因索重的一個(gè)。 為獲得高性能的永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，高質(zhì)量的相電流控制是第二個(gè)關(guān) 鍵因繁。圖3 。2 是一個(gè)具有電流矢爨控制的永磁嘲步電動(dòng)機(jī)閉囂控制原理框圖。 電流調(diào)節(jié)器加上自麓步功能就可以按照控制指令將瞬時(shí)電流矢艟f 。配鬣于轉(zhuǎn)予 幽參考平面的任何方向，儀受最大電流和調(diào)節(jié)囂飽和的限制，從而完成對電動(dòng) 機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控稍。 3 2 永磁隧步電動(dòng)撬矢量控裁 黔魄：曩瞄 j ， 1 5 3 3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本電磁關(guān)系 正弦永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行時(shí)與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的 運(yùn)行性能要受到逆變器的制約。最為明顯的是電動(dòng)機(jī)的相電壓有效值的極限值 u 。和相電流有效值的極限值，。要受到逆變器直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出 電流的限制。當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓最大值為璣時(shí)，y 型接法的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的 最大基波相電壓有效值 u m 。麗u c 。忑u e ( 3 - 2 ) v jv o 而在d q 軸系統(tǒng)中的電壓極限值為”。= 3 。 3 3 1 電壓極限橢圓 ，黥c 電流極限圓 ，i 穆。| 。f 么ln 一 frt、。、 、夕弋7 7 ，j t 義二二二妾 速度增加 圖3 3 電壓極限橢圓和電流極限圓 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值 “= 廂 將式( 2 5 9 ) 代入上式，可得穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)的電壓方程 “= ( - o ) l q i q + r l i a ) 2 + ( r o l a i a + o ) g ：, , + r l i q ) 2 一 ( 3 3 ) = 正巧了麗再瓦歷i 酉 ( 3 4 ) 由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高的轉(zhuǎn)速，電阻遠(yuǎn)小于電抗，因此電阻上的電壓降 可以忽略不計(jì)，上式可簡化為 1 9 “= 肛瓦了百瓦麗= 瓜歷百瓦；而 ( 3 5 ) 以“。代替上式中的u ，有 ( 三。屯) 2 + ( l d i d + 。) 2 = ( l i m c o ) 2 ( 3 6 ) 當(dāng)l 。l 。時(shí)，上式是一個(gè)橢圓方程，當(dāng)l d = l 。時(shí)( 即電動(dòng)機(jī)為表面突出時(shí)轉(zhuǎn) 子磁路結(jié)構(gòu)) ，上式是一個(gè)以( 一虬l(fā) 。，0 ) 為圓心的圓方程，下面的分析以l 。l 。為 例進(jìn)行。將式( 3 6 ) 表示在圖3 3 的i 。，i 。平面上，即可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓 極限軌跡電壓極限橢圓。對于某一給定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子電流 矢量不能超過該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡，最多只能落在橢圓上。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提 高，電壓極限橢圓的長軸和短軸與轉(zhuǎn)速成反比的相應(yīng)縮小，從而形成了一組橢圓 曲線。 3 3 2 電流極限圓 電動(dòng)機(jī)的電流軌跡方程為 + i ：= ( 3 7 ) 上式中i 。為3 7 。，i 。為電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大相電流基波有效值，式( 3 7 ) 表示 的電流矢量軌跡為一以i a ，i 。平面上坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓( 示于圖3 3 中) 。 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定予電流空間矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限橢圓，也不 能超出電流極限圓。如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為腳。時(shí)電流矢量的范圍只能是圖3 1 中 a b c d e f 所包含的面積。 3 3 _ 3 恒轉(zhuǎn)矩軌跡 電流基值為i b = l d ，轉(zhuǎn)矩基值為瓦= p q ：l 。，阻抗基值為r 。= c o l 。( 下 文的標(biāo)幺化均以上述各量為基值) ，把式( 2 3 7 ) 標(biāo)幺化，當(dāng)l 。l 。時(shí)可以得到 廠1 藝= 訃s i n + 寺( 1 一p ) s i n 2 f li = f ：+ (