基于MATLAB永磁電機(jī)的矢量控制的異調(diào)速控制仿真

1、基于MATLAB永磁電機(jī)的矢量控制的異調(diào)速控制仿真姓名：張xx學(xué)號：113220110x華北電力大學(xué)2014年4月摘 要 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)及其控制系統(tǒng)占有著舉足輕重的地位。具有更高的運(yùn)行精度，更大的調(diào)速范圍，更短的調(diào)節(jié)時間的電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)是現(xiàn)代化工業(yè)控制領(lǐng)域的熱門研究方向。而永磁同步電機(jī)因其自身優(yōu)良的特性，逐漸成為了工業(yè)控制中電機(jī)伺服系統(tǒng)中的主流電機(jī)，因此研究能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工業(yè)控制要求的永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)有著越來越重要的意義。 本文研究永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。在深入學(xué)習(xí)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，仿真方面分析了永磁同步電機(jī)矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，建立了一個電流、速

2、度雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)MATLAB仿真模型，通過仿真驗(yàn)證了此方案具有實(shí)際的可行性，并取得了較好的仿真控制效果。 關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī); 矢量控制系統(tǒng); SVPWM; MATLAB Abstract In the modern industrial production, electrical machines and control systems occupy a decisive position. With increased running accuracy, greater speed range, shorter adjustment time is the development o

3、f electric control system of a modern industrial control research directions in the field. Characteristics of permanent magnet synchronous motor for its own good, gradually became mainstream motor to motor servo system in industrial control, so research to adapt to the requirements of modern industr

4、ial control of permanent magnet synchronous motor control system having an increasing significance. Study on permanent magnet synchronous motor vector control system in this article. Learn principles of mathematical models and vector control of permanent magnet synchronous motor based on simulation

5、analysis of permanent magnet synchronous motor vector control strategy implementation, set up a current, MATLAB simulation of double closed loop speed control system model and simulation results verify the feasibility of this programme with the actual, and obtain a better simulation of control effec

6、ts.KEYWORD: PMSM; Vector Control System; SVPWM; MATLAB摘 要I第1章 緒論31.1 課題研究的背景31.1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r31.1.2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展31.1.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展5第2章 建模與仿真62.1 建模與仿真的定義62.2 實(shí)際系統(tǒng)62.3 模型與建模關(guān)系72.4 仿真關(guān)系82.5 建模與仿真工作內(nèi)容82.6本章小結(jié)9第3章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型103.1 永磁同步電動機(jī)的概述103.1.1 同步電機(jī)的基本原理103.1.2 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)103.1.3 永磁同步電機(jī)的分類113.1.

7、4 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用123.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型143.2.1 電壓平衡方程143.2.2 磁鏈方程153.2.3 感應(yīng)電動勢153.3 坐標(biāo)變換173.3.1 三相靜止坐標(biāo)系(A-B-C軸系)183.3.2 兩相靜止坐標(biāo)系(-軸系)183.3.3 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q軸系)183.3.4 三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系間的變換(3s/2s)193.3.5 兩相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的變換(2s/2r)203.4 永磁同步電機(jī)在各個坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型213.4.1 永磁同步電機(jī)A-B-C坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型213.4.2 永磁同步電機(jī)-坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型233.4.3 永磁同步電

8、機(jī)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型243.5 本章小結(jié)27第4章 永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)284.1 永磁同步電機(jī)的控制策略及仿真284.1.1 矢量控制(SVPWM)284.1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)294.1.3 基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)294.1.4 模型參考自適應(yīng)控制(MRAS)294.1.5 基于狀態(tài)觀測器控制304.1.6 智能控制304.2 永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)304.2.1 永磁同步電機(jī)磁場定向矢量控制的基本原理304.2.2 永磁同步電機(jī)的矢量控制方法的選擇334.3 MATLAB仿真工具箱簡介334.4 永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模塊的建立344

9、.4.1 坐標(biāo)變換模塊354.4.2 SVPWM模塊354.4.3 逆變器模塊394.5 仿真研究404.6 本章小結(jié)44第5章 全文總結(jié)46參 考 文 獻(xiàn)47附 錄49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)開始應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。20 世紀(jì) 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的進(jìn)展，特別是剩磁高、矯頑力大而價格低廉的第三代新型永磁材

10、料釹鐵硼(NdFeB)的出現(xiàn)，極大地促進(jìn)了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。尤其值得一提的是我國是一個稀土材料的大國，稀土儲量和稀土金屬的提煉都居世界首位。隨著稀土材料技術(shù)的不斷發(fā)展，永磁材料的磁能積已經(jīng)做的很高，價格也早就滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，加上矢量控制水平的不斷提高，永磁同步電動機(jī)越來越顯出效率高、功率密度大、調(diào)速范圍寬、脈動轉(zhuǎn)矩小等高性能的優(yōu)勢。使我國在稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。新型永磁材料在電機(jī)上的應(yīng)用，不僅促進(jìn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、制造工藝等方面的改革，而且使永磁同步電機(jī)的性能有了質(zhì)的飛躍，稀土永磁同步電機(jī)正向大功率(超高速、大轉(zhuǎn)矩)微型化、智能化、高性能化

11、的方向發(fā)展，成為交流調(diào)速領(lǐng)域的一個重要分支12。由于受到功率開關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動控制技術(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)類似，但這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩存在較大的波動。為了克服這一缺點(diǎn)，人們在此基礎(chǔ)上又研制出帶有位置傳感器、逆變器驅(qū)動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，過分

12、依賴于電機(jī)的參數(shù)等等，因此，對控制策略中存在的問題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。1971年，德國學(xué)者相繼提出了交流電機(jī)的矢量變換控制的新思想、新理論和新技術(shù)，它的出現(xiàn)對交流電機(jī)控制技術(shù)的研究具有劃時代的意義。因?yàn)檫@種通過磁場定向構(gòu)成的矢量變換交流閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制性能完全可以與直流系統(tǒng)相媲美。而后，隨著電力電子、微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料科學(xué)的發(fā)展，矢量控制技術(shù)得以迅速應(yīng)用和推廣。矢量控制是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先應(yīng)用于三相感應(yīng)電動機(jī)，很快擴(kuò)展到三相永磁同步電機(jī)。由于三相感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子發(fā)熱會造成轉(zhuǎn)子參數(shù)變化，而轉(zhuǎn)子磁場的觀測依賴于轉(zhuǎn)子參數(shù)，

13、所以轉(zhuǎn)子磁場難以準(zhǔn)確觀測，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實(shí)踐上的不足之處。而永磁同步電機(jī)采用永磁體做轉(zhuǎn)子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機(jī)在小功率和高精度的場合應(yīng)用廣泛。隨后，1985年，由德國魯爾大學(xué)教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應(yīng)電動機(jī)的特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響這一問題。直接轉(zhuǎn)矩控制一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜動態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的發(fā)展。目前該技術(shù)成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動上。德國、日本、美國都競相發(fā)展此項(xiàng)

14、新技術(shù)34。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)，大大簡化了硬件，降低了成本，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門用于電機(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

15、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、觀測控制及狀態(tài)觀測器、線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)字信號處理器的全數(shù)字交流永磁伺服智能控4制系統(tǒng)是交流伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。1.1.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代仿真技術(shù)1的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)?？刂乒こ淌欠抡婕夹g(shù)較早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，控制工程技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代仿真技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。系統(tǒng)工程的發(fā)展進(jìn)一步完善了系統(tǒng)建模與仿真的理論體系，同時使系

16、統(tǒng)仿真廣泛應(yīng)用于非工程系統(tǒng)的研究和預(yù)測5。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不論是在理論還是實(shí)踐上都取得了豐碩的成果，積累了大量的體系仿真模型和行之有效的仿真算法。仿真技術(shù)目前仍然存在一些缺陷，例如建模方法尚不完善，研究同一個系統(tǒng)的同一個問題可以建立出不同的模型，而且有些社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的問題尚無法建立準(zhǔn)確的模型進(jìn)行求解。進(jìn)入90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的各個方面都取得了很大的發(fā)展6。為了獲得滿意的轉(zhuǎn)矩計(jì)算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文利用MATLAB軟件下的SIMULINK仿真工具對PMSM系統(tǒng)進(jìn)行仿真。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，它主要包括實(shí)際系統(tǒng)、

17、模型和計(jì)算機(jī)等三個部分，同時考慮三個基本部分之間的聯(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，它通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎(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關(guān)系 2.2 實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)是所關(guān)注的現(xiàn)實(shí)世界的某個部分，它具有獨(dú)立行為規(guī)律，是相互聯(lián)系又相互作用的對象的有機(jī)結(jié)合。實(shí)際系統(tǒng)可能是自然的或人工的、現(xiàn)在存在的或者未來

18、計(jì)劃的。例如，一個進(jìn)銷存儲系統(tǒng)是個人工系統(tǒng)，它包括經(jīng)理部、市場部、采購部、倉儲部和銷售部等部門，各個部門相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。總經(jīng)理負(fù)責(zé)各個部分之間的協(xié)調(diào)，并負(fù)責(zé)主要的決策。使系統(tǒng)獲得最大的利潤。剛開始建模時，對建模者而言，實(shí)際系統(tǒng)可表征為系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)源，即以X對T曲線為主要形式的行為數(shù)據(jù)源，X是實(shí)際系統(tǒng)中感興趣的變量，如房間里的溫度、大氣污染度等，T是時間軸，用秒、小時、日、月等度量，如圖2-2所示。圖2-2實(shí)際系統(tǒng)的一般表示對于一個系統(tǒng)來說，無論是大還是小，都包括三個要素：實(shí)體、屬性和活動。實(shí)體是指組成系統(tǒng)的具體對象，系統(tǒng)中的實(shí)體既具有一定的相對獨(dú)立性，又相互聯(lián)系構(gòu)成一個整體。例如，在進(jìn)銷存

19、儲系統(tǒng)中，經(jīng)理、部門、商品、倉庫、職員等都為實(shí)體。屬性是指對實(shí)體特征的描述，用特征參數(shù)或變量表示。實(shí)際系統(tǒng)不是孤立的存在的，任何一個系統(tǒng)都將由于系統(tǒng)之外的變化而受影響。這種對系統(tǒng)活動產(chǎn)生影響的外界因素稱為系統(tǒng)的環(huán)境。在系統(tǒng)建模的初始階段，應(yīng)考慮系統(tǒng)所處的環(huán)境，并首先應(yīng)劃分系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的邊界。系統(tǒng)邊界包圍系統(tǒng)中的所有實(shí)體。系統(tǒng)邊界的劃分在很大程度上取決于系統(tǒng)研究的目的。2.3 模型與建模關(guān)系構(gòu)造一個真實(shí)系統(tǒng)的模型，在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成為系統(tǒng)分析、研究的十分有效的手段。為了達(dá)到系統(tǒng)研究的目的，系統(tǒng)模型用來收集系統(tǒng)有關(guān)信息和描述系統(tǒng)有關(guān)實(shí)體。也就是說，模型是為了產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的一組指令，它可以用

20、數(shù)學(xué)公式、圖、表等形式表示。模型是對相應(yīng)的真實(shí)對象和真實(shí)關(guān)系中有些有用的和令人感興趣的特征的抽象，是對系統(tǒng)某些本質(zhì)方面的描述，它以各種可用的形式提供被研究系統(tǒng)的描述信息。模型描述可視為是對真實(shí)世界中的物體或過程的相關(guān)信息進(jìn)行形式化的結(jié)果。從某種意義上說，模型是系統(tǒng)的代表，同時也是對系統(tǒng)的簡化。另一方面，模型應(yīng)足夠詳細(xì)，以便從模型的實(shí)驗(yàn)中取得關(guān)于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)論8。由一個實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)造一個模型的任務(wù)一般包括兩方面的內(nèi)容：第一是建立模型結(jié)構(gòu)，第二是提供數(shù)據(jù)。在建立模型結(jié)構(gòu)時，要確定系統(tǒng)的邊界，還要鑒別系統(tǒng)的實(shí)體、屬性和活動。而提供數(shù)據(jù)則要求能夠包括在活動中的各個屬性之間有確定的關(guān)系，在選擇模型結(jié)構(gòu)

21、時，要滿足兩個前提條件：第一是要細(xì)化模型研究的目的，二是要了解有關(guān)特定的建模目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系。一般來說，系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有以下一些性質(zhì)910：(l)相似性。模型與研究系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性和變化規(guī)律，這就是說真實(shí)系統(tǒng)的“原型”與“替身”之間具有相似的物理屬性或數(shù)學(xué)描述。(2)簡單性。從實(shí)用的觀點(diǎn)來看，由于在模型的建立過程中，忽略了一些次要的因素和某些非可測變量的影響，因此實(shí)際的模型已是一個被簡化了的近似模型。(3)多面性。對于由許多實(shí)體組成的系統(tǒng)來說，由于其研究目的不同，就決定了所要收集的與系統(tǒng)有關(guān)的信息也是不同的，所以用來表示系統(tǒng)的模型不是唯一的。2.4 仿真關(guān)系仿真關(guān)系主要

22、關(guān)注的是計(jì)算機(jī)執(zhí)行模型所規(guī)定的指令的真實(shí)性，一個模型的程序能否真實(shí)地體現(xiàn)模型所具有的內(nèi)涵，稱之為程序的準(zhǔn)確性，要驗(yàn)證模型的有效性，需要把模型的行為同實(shí)際系統(tǒng)的行為進(jìn)行比較，這樣才不會把程序問題和模型問題混淆起來。這就要求我們必須懂得仿真過程，包括仿真機(jī)理和仿真策略。2.5 建模與仿真工作內(nèi)容任何一個科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究都會涉及建模與仿真的問題，建模與仿真成為當(dāng)今現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的主要內(nèi)容。其技術(shù)也滲透到各學(xué)科和工程技術(shù)領(lǐng)域。為了讓建模與仿真研究成果更好地被直接應(yīng)用或者用來指導(dǎo)將來的工作，使這項(xiàng)工作對科學(xué)與工業(yè)能有長期貢獻(xiàn)，并讓有關(guān)用戶和同行能更好理解和交流有關(guān)工作及實(shí)驗(yàn)。仿真建模表示內(nèi)容可規(guī)范如

23、下6-10：(1)模型和針對模型構(gòu)造的假設(shè)的非形式描述(2)模型結(jié)構(gòu)形式描述(3)執(zhí)行仿真的程序設(shè)計(jì)(4)仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果及分析(5)模型應(yīng)用的范圍、有效性(6)現(xiàn)在模型與過去的和將來的模型的關(guān)系2.6本章小結(jié)建模與仿真活動一般由下面五個要素組成：實(shí)際系統(tǒng)、實(shí)際框架、基本模型、集總模型和計(jì)算機(jī)。第3章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型3.1 永磁同步電動機(jī)的概述3.1.1 同步電機(jī)的基本原理同步電動機(jī)是一種交流電動機(jī)，其主要特點(diǎn)是電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電動機(jī)定子電流頻率以及電動機(jī)極對數(shù)存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。普通同步電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動機(jī)定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。電動機(jī)轉(zhuǎn)子有凸極式

24、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)同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速較小時，可采用結(jié)構(gòu)簡單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動機(jī)的勵磁繞組套在轉(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。同步電動機(jī)的工作原理，就是電動機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場以磁拉力拖著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)定子三相繞組接入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與電動機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁繞組接入直流電流而形成的轉(zhuǎn)子磁場相互作用。同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n=ns=60fs/pn。式中,fs為電源頻率；pn為電動機(jī)的極對數(shù)

25、；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型連接的對稱分布在槽中的繞組、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。如果在三相空間對稱的定子繞組中通入三相時間上也對稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會產(chǎn)生一個在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場，其轉(zhuǎn)速為n=ns=60fs/pn。式中，fs為電源頻率；pn為電動機(jī)的極對數(shù)；ns為同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。目前，永磁同步電機(jī)常用的永磁材料是

26、釹鐵硼合金(NdFeB)和釤鈷合金(SmCo5，SmCo17)。從永磁體安裝方式上，轉(zhuǎn)子分為表面粘貼式、表面插入式和內(nèi)置式，如圖3-1所示。(a)表面粘貼式 (b)為表面插入式 (c)內(nèi)置式圖3-1 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)其中圖3-1(a)為表面粘貼式，圖3-1(b)為表面插入式，圖 3-1(c)為內(nèi)置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導(dǎo)率近似等于真空磁導(dǎo)率，對于圖 3 -1(a)所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交、直軸電感相等，即Ld=Lq，表現(xiàn)出隱極性質(zhì)。而對其他結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Ld<Lq，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。前兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵

27、心的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉(zhuǎn)子直徑，從而降低了轉(zhuǎn)動慣量。若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感，有利于電機(jī)動態(tài)性能的改善。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常為條狀，位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，提供的磁通方向與轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場合13-16。對于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。通過合理的設(shè)計(jì)，表面式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦波反電勢。3.1.3 永磁同步電機(jī)的分類永磁同步電機(jī)的分類方法

28、很多。按轉(zhuǎn)子上有無起動繞組，可分為異步起動永磁同步電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)(無起動繞組的電動機(jī))；根據(jù)永磁鐵的形狀的不同，可分為表面式和嵌入式；根據(jù)感應(yīng)電動勢的不同，將永磁同步電機(jī)分為正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，正弦波永磁同步電機(jī)稱為永磁同步電機(jī)；按工作主磁場方向不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電驅(qū)繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；根據(jù)極對數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機(jī)和多極永磁同步電機(jī)；因?yàn)樵诳刂粕细咏谥绷麟姍C(jī)的控制，梯形波永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)11-16。由于永磁同步電動機(jī)中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機(jī)效率會增加。永磁同步電動機(jī)不存在相間

29、換流時的沖擊電流，所以永磁同步電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動遠(yuǎn)低于永磁無刷直流電動機(jī)。3.1.4 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī)的功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。在永磁同步電機(jī)中，用于勵磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵磁繞組，從而勵磁銅耗得以消除，轉(zhuǎn)子慣性也相應(yīng)的降低，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。與此同時，永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡單，且故障率也得到了減少；采用稀土永磁體后還可以增大氣隙磁密，電機(jī)轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。這些原因使其具有了普通電機(jī)所不具備的顯著特點(diǎn)：即輕型化、小尺寸、高性能化和高效節(jié)能

30、。雖然永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有如下共同的特點(diǎn)14-19：(1)體積小、質(zhì)量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大提高，與同容量的異步電機(jī)相比，體積和重量都有明顯的減小，使其適合應(yīng)用在許多特殊場合。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，不需要勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子銅耗。而且永磁同步電機(jī)在 25%-120%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)行時節(jié)能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動態(tài)響應(yīng)快。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電

31、機(jī)的動態(tài)響應(yīng)能力。(4)可靠性高。與直流電動機(jī)和電勵磁同步電動機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)械和電氣損耗，而且還不會產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單牢固、運(yùn)行可靠。(5)具有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速同步性和比較寬的調(diào)速范圍。對于要求多臺電動機(jī)同步運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，變頻電源可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，且調(diào)速控制方便，并在所有頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。(6)永磁同步電動機(jī)的缺點(diǎn)是失去了勵磁調(diào)節(jié)的靈活性；可能會出現(xiàn)退磁效應(yīng)；釹鐵硼永磁材料溫度系數(shù)較高，造成其磁性能和熱穩(wěn)定性較差；由于材料中含有大量的釹和鐵，容易銹蝕等。正是由于永磁同步電機(jī)這些優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外

32、許多領(lǐng)域用的特殊電機(jī)、高性能電機(jī)都采用永磁同步電機(jī)方案目前節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國基本國策，推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)可以促進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電梯拽引技術(shù)應(yīng)用了齒輪間接驅(qū)動系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動系統(tǒng)存在，使得整個驅(qū)動系統(tǒng)材料消耗較大、運(yùn)行效率低以及維護(hù)復(fù)雜、噪聲大等缺點(diǎn)。因此相比有齒輪驅(qū)動系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)直接無齒輪驅(qū)動的電梯系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機(jī)，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機(jī)，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動，提高了其運(yùn)行性能，通力公司開發(fā)了ECO

33、DISO永磁盤式無齒拽引機(jī)，應(yīng)用于機(jī)房電梯。永磁同步電機(jī)在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于永磁同步電機(jī)效率高，輕量化和高性能等特點(diǎn)，因此得到了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商青睞，比如船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)三大供應(yīng)商之一的西門子就開發(fā)出了以永磁同步電機(jī)為SPP推進(jìn)系統(tǒng)。效率較高的永磁同步電機(jī)是SPP系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機(jī)在混合動力汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電動機(jī)是各種電動車驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展方向之一。日本1965年就開始研制電動車，于1967年成立了日本電動車協(xié)會。1996年，豐田汽車公司研制的電動車RAV4就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步

34、電機(jī)可以達(dá)到最大功率50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。歐洲許多發(fā)達(dá)國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅(qū)動電機(jī)的選擇上，不同國家各有側(cè)重，英國、法國偏重于永磁無刷直流電機(jī)，德國偏重于開關(guān)磁阻電機(jī)。綜上，永磁電機(jī)得到了非常廣泛的應(yīng)用，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)已成為電機(jī)工業(yè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。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、分析電機(jī)的運(yùn)動規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)

35、的定子與普通勵磁同步電機(jī)的定子一樣都是三相對稱繞組。通常按照電動機(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、換相過程和電樞反應(yīng)的影響；(3)三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；(5)驅(qū)動二極管和續(xù)流二極管為理想元件；(6)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)子磁鏈在各相繞組中的磁鏈分別為 (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

36、同步電機(jī)的定子繞組很相似的，三相繞組空間分布，軸線互差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)生反電動勢。由此得到定子電壓方程式： (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

37、不僅與三相繞組電流有關(guān)，而且與轉(zhuǎn)子永磁極的勵磁磁場和轉(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)電動勢轉(zhuǎn)子永磁在氣隙中產(chǎn)生的正弦分布磁場，正弦分布磁場的幅值是恒定的，空間位置就是轉(zhuǎn)子永磁磁極的直軸位置，它相對于定子A相繞組軸線等于轉(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)子位置角隨時間變化時，由式(3-12)可知，轉(zhuǎn)子永磁磁場是一個幅值恒定不變、

38、幅值位置=隨轉(zhuǎn)子永磁磁極位置變化的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的幅值在空間的轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對每一相定子電樞繞組來說，旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場會在繞組中感應(yīng)電勢，稱為運(yùn)動電勢。由于圓形旋轉(zhuǎn)磁場對于空間任意一點(diǎn)確定的位置仍然表現(xiàn)為脈動的磁場，而且任意時刻圓形旋轉(zhuǎn)磁場的空間分布仍然具有正弦規(guī)律，因此由式(3-13)可以看出，對于每一相定子電樞來說，繞組軸線的空間位置角是確定的，轉(zhuǎn)子圓形旋轉(zhuǎn)磁場相當(dāng)于是兩個正交的脈振磁場的疊加20-23，如圖3-2所示：該圓形旋轉(zhuǎn)磁場從定子上觀測，相當(dāng)于一個同A相繞組軸線重合按照余弦規(guī)律變化的脈振磁場與另一個同A相繞組垂直按照正弦規(guī)律變化的脈振磁場的疊加，即有 (3-13)

39、(3-14)與A相繞組軸線正交的脈振磁場在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)電勢也是等于0。而與繞組軸線重合的脈振磁場則產(chǎn)生感應(yīng)電勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到A相繞組由轉(zhuǎn)子永磁磁場引起的感應(yīng)電勢為 (3-15)圖3-2 圓形磁場與脈振磁場其中轉(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)子永磁磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電勢分別為 (3-19) (3-20)三相繞組感應(yīng)電勢也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即 (3-21)由式(3-21)可知，永磁磁場在定子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢的幅值為，它不僅與轉(zhuǎn)子的

40、轉(zhuǎn)速成正比，還與轉(zhuǎn)子永磁磁場與定子電樞繞組匝鏈的磁鏈成正比。3.3 坐標(biāo)變換對于三相永磁同步電機(jī)來說，它是一個具有多變量、解耦合及非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，要想對它進(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，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磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，對這些給定量實(shí)時控制，就能達(dá)到直流電機(jī)的控制性能了。3.3.1 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，其繞組軸線分別為A、B、C，且彼此相差120°空間電角度，構(gòu)成了一個A-B-C三相坐標(biāo)系，如圖3

41、-3所示?？臻g矢量在三個坐標(biāo)軸上的投影分別為、，代表該矢量在三個繞組上的分量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，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)子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線，q軸逆時針超前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

42、.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、來表示，即用、來合成，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)寫為矩陣形式： (3-26)式(3-26)的變換被稱為clarke變換，如果按總磁勢、總功率不變的原則，上式方程右邊矩陣前加系數(shù)。當(dāng)然，也可以由兩相靜止坐標(biāo)變換為三相靜止坐標(biāo)，變換矩陣為： (3-27)式(3-27)的變換被稱為clarke反變換，按總磁勢、總功率不變的原則

43、，上式右邊矩陣前加系數(shù)。3.3.5 兩相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的變換(2s/2r)設(shè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與兩相靜止坐標(biāo)系軸的夾角為，則有： (3-28)寫成矩陣形式： (3-29)其反變換為： (3-30)式(3-29)變換稱為park變換，而式(3-30)變換稱為park反變換。3.4 永磁同步電機(jī)在各個坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型3.4.1 永磁同步電機(jī)A-B-C坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型三相永磁同步電機(jī)的定子繞組呈空間分布，軸線互差120°電角度，每相繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡，定子繞組內(nèi)部的磁鏈由定子三相電流和轉(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

44、在每相繞組中產(chǎn)生反電動勢。永磁同步電機(jī)三相集中繞組分別為A、B、C，各相繞組的中心線在與轉(zhuǎn)子軸垂直的平面上，如圖3-5所示。圖中定子三相繞組用三個線圈來表示，各相繞組的軸線在空間是固定的，M為轉(zhuǎn)子上安裝的永磁磁鋼的磁場方向，轉(zhuǎn)子上無任何線圈。電機(jī)以角速度順時針方向旋轉(zhuǎn)，其中為與A相繞組間的夾角，為時刻的夾角20-23。圖3-5 PMSM三相繞組 定子電壓方程為： (3-31)其中： 、為各相繞組兩端的電壓；、各相線電流；、各相繞組總磁通；、各相繞組電阻；為微分算子()。磁鏈方程： (3-32)其中：為各相繞組的自感；為各相繞組之間的互感；為永磁體磁鏈在各相繞組中的投影。根據(jù)假設(shè)，三相繞組在空間

45、上呈對稱分布，并且通入三相繞組中的電流也是對稱的，則有： (3-33)其中：為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈的幅值，對于特定永磁同步電機(jī)，值為常數(shù)；設(shè)有，則式(3-31)可寫為： (3-34)從式(3-31)可以看出，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為一組變系數(shù)的線性微分方程，不易直接求解。為此，必須使用其他的模型來等效該模型，以便于分析和求解。3.4.2 永磁同步電機(jī)-坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)由于定子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場相互作用，使得電機(jī)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩做功。為了使交流電機(jī)達(dá)到與直流電機(jī)一樣的控制效果，我們利用磁場等效的觀念對電機(jī)的模型進(jìn)行化簡，將三相繞組上的電壓方程轉(zhuǎn)化為兩相繞組上的電壓方程

46、，即可像控制直流電機(jī)那樣，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載電流和勵磁電流分別進(jìn)行獨(dú)立控制，并且使他們的磁場在空間位置上也能相差90°角度。圖3-6 PMSM兩相繞組當(dāng)三相繞組A、B、C通入三相平衡電流、 (相位相差120°，)時，在空間就會產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。若兩相繞組、，其在空間相差90°，當(dāng)通入兩相平衡電流、 (相位相差90°)時也產(chǎn)生一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，且與三相繞組產(chǎn)生的磁場具有完全相同的特點(diǎn)，那么這兩個磁場是等效的20-23。利用這個原理，把式(3-34)進(jìn)行變換。選取軸同A軸重合，軸超前軸90°(如圖3-6所示)，則同F(xiàn)A方向一致(FX為繞組上產(chǎn)生的磁勢，

47、下同)，超前90°角度，那么三相繞組在氣隙中產(chǎn)生的總磁勢就可以由兩相繞組、等效產(chǎn)生，即： (3-35)(N2、N3為不同坐標(biāo)系下繞組的匝數(shù))利用式(3-26)就可以得到兩相坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型： (3-36)其中：、為-坐標(biāo)系下定子電壓、電流；、為-坐標(biāo)系下定子電阻、電感。轉(zhuǎn)矩方程： (為電機(jī)極對數(shù)) (3-37)由式(3-36)、式(3-37)可見：電壓回路方程與變量個數(shù)減少了，這使分析問題變得很不方便。3.4.3 永磁同步電機(jī)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型利用磁場等效的觀點(diǎn)，我們把三相永磁同步電機(jī)的模型由三相繞組上的電壓方程簡化為兩相繞組上的電壓方程，但是從轉(zhuǎn)矩方程式(3-37

48、)可以看出輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與電流、以及有關(guān)，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制就必須控制、的頻率、幅值及相位，這樣電機(jī)控制仍然很不方便。為了便于控制，還必須同樣的用磁場等效的觀點(diǎn)把-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換為d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型20-23。如前述一樣，利用一個旋轉(zhuǎn)體來建立一個旋轉(zhuǎn)磁場。在旋轉(zhuǎn)體上放置兩個直流繞組，并通入直流電，再讓旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)就可得到一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，若該旋轉(zhuǎn)磁場的特性與前述旋轉(zhuǎn)磁場的特性完全相同，則可用它來等效后者，由此我們想到永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子及其d-q坐標(biāo)系。由于旋轉(zhuǎn)磁場的等效，可以進(jìn)一步把-坐標(biāo)系下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。即有： (3-38) (

49、N2、N4為對應(yīng)繞組匝數(shù))圖3-7 PMSM d-q坐標(biāo)系按照3.3.3節(jié)建立d-q坐標(biāo)系，如圖3-7，d-q軸的旋轉(zhuǎn)角頻率為，d軸與軸的初始位置角為，選取d軸與轉(zhuǎn)子主磁通方向一致，即，由式(3-29)和式(3-36)，可得到d-q坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型： (3-39)其中：、為d-q坐標(biāo)系下定子電壓、電流；、為-坐標(biāo)系下定子等效電感。 將式(3-39)轉(zhuǎn)化為電流形式： (3-40)磁鏈方程： (3-41)轉(zhuǎn)矩方程： (3-42)運(yùn)動方程： (3-43)其中：為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 為電機(jī)阻尼系數(shù)； 為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。其他方程： (3-44) (3-45)由式(3-40)可知，在d-q坐標(biāo)下對

50、永磁同步電機(jī)的控制只需對、進(jìn)行控制即可，這大大簡化了控制方法，而永磁體的磁鏈幅值恒定不變，采用時的控制方案，控制最為簡單，此時由式(3-42)知電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與有關(guān)，即控制的大小即可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。另外，對于永磁同步電機(jī)，和通常相差不大，因此可以近似認(rèn)為。3.5 本章小結(jié)本章節(jié)介紹了永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并給出永磁同步電機(jī)分析中進(jìn)行等效變換時用到的三種坐標(biāo)系：三相定子坐標(biāo)系(A-B-C)、兩相定子坐標(biāo)系(-)、兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q)；從三相定子坐標(biāo)系出發(fā)，建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，導(dǎo)出-坐標(biāo)系及d-q坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)介紹了d-q坐標(biāo)

51、系下的數(shù)學(xué)模型，最后給出了其運(yùn)動方程。為后續(xù)章節(jié)研究永磁同步電機(jī)仿真技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。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。矢量控制最早是在1971年由BLAS

52、HKE等人針對異步電動機(jī)提出的，其基本思想源于對直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。直流電機(jī)本身具有良好的解耦性，可以通過分別控制其電樞電流和勵磁電流達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁極的位置用來決定逆變器的觸發(fā)信號，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率。他勵直流電動機(jī)中，勵磁磁場和電樞磁通勢間的空間角度是由電刷和換向器所固定的，且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)矩間存在著線性關(guān)系。通過調(diào)節(jié)電樞電流就可以直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小。另外，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)都能夠提供可控轉(zhuǎn)矩，所以直流

53、電機(jī)才得以在電氣傳動領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。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，是隨負(fù)載而變化，尤其在動態(tài)情況下，將會引起磁場間十分復(fù)雜的作用關(guān)系，因此就不能簡單地通過調(diào)節(jié)定子電流來控制轉(zhuǎn)矩。利用電機(jī)外部的控制系統(tǒng)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，再對定子電流的幅值進(jìn)行獨(dú)立的直接控制，就將永磁同步電機(jī)模擬為他勵直流電動機(jī)。這實(shí)際就是對定子電流空間矢量相位和幅值的控制。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)它通過對定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其控制思想是通過實(shí)時檢測電機(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)器直接從一個離線計(jì)算的開關(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，對電機(jī)模型進(jìn)行簡化處理，沒有脈寬調(diào)制PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得較好的動態(tài)性能。但是也存在著一些不足：如逆變器開關(guān)頻率不固定；轉(zhuǎn)矩、電流脈動大；實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制需要很高的采樣頻率等24-29。4.1.3 基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)SVM-DTC控制是將矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合在一起，其理論基礎(chǔ)還是DTC控制理論，是基于轉(zhuǎn)矩角控制。根據(jù)轉(zhuǎn)矩角的變