畢業(yè)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)矢量控制方法的研究要點(diǎn)

1、 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 永磁同步電機(jī)矢量控制方法的研究論文答辯日期 答辯委員會(huì)主席 摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)（PMSM）由于性能優(yōu)越而得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。電子、計(jì)算機(jī)以及電力電子等技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了交流電氣傳動(dòng)控制的發(fā)展，控制理論的發(fā)展為永磁同步電機(jī)先進(jìn)控制策略的提出提供了理論依據(jù)。特別是在高精度和高可靠性控制系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)已逐步成為主流電機(jī)。加之我國(guó)稀土資源比較豐富，這就為永磁同步電機(jī)的控制研究提供了基礎(chǔ)，使之快速成為電機(jī)控制領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。為了提高永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制性能，使其達(dá)到更快的響應(yīng)速度，高精度的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能的控制效果，本文提出了定子最小電流控制和id=

2、0控制的矢量控制理論。這篇文章首先建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并探討了永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和定子最小電流比和id=0控制機(jī)理。建立SVPWM控制模塊控制逆變器功率開關(guān)管的通斷，并將兩種控制方法進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明取得了較好的控制效果。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)，矢量控制理論，SVPWM,定子最小電流，id=0控制目 錄摘 要.IAbstractII1 緒言1.1 課題研究的背景及意義.11.2 永磁同步電機(jī)的發(fā)展11.3 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類21.4 永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)21.5 永磁同步電機(jī)控制方法31.5.1 矢量控制31.5.2 直接轉(zhuǎn)矩控制32 建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模

3、型2.1 假設(shè)條件42.2 永磁同步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型4永磁同步電機(jī)的電壓回路方程4永磁同步電機(jī)的磁鏈方程42.2.3 永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程52.2.4 永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程62.3 永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型62.4 永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型63 永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和id=0控制的工作原理3.1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理83.1.1 三相/兩相變換（3s/2s）83.1.2 兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r）83.2 定子最小電流控制原理93.2.1 最大轉(zhuǎn)矩電流比 (MTPA )原理93.2.2 采用曲線擬和的方法反解MTP

4、A關(guān)系式103.3 id=0控制原理114 建立永磁同步電機(jī)定子電流最小控制的仿真模型4.1 仿真軟件平臺(tái)144.2 坐標(biāo)變換模塊144.3 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊154.4 電流反饋控制模塊204.5 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真215 仿真結(jié)果5.1電流控制方式和最小定子電流控制方式下的仿真出電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形235.2仿真結(jié)果分析246 總結(jié)與展望6.1 總結(jié)266.2 展望26致 謝28參考文獻(xiàn)291 緒言1.1 課題研究的背景及意義永磁同步電機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及人們的日常生活中。永磁同步電機(jī)，用永磁體代替了繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中

5、的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、節(jié)能效果明顯的永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪小Ｓ绕涫墙陙沓晒ρ邪l(fā)了高性能永磁材料以及永磁材料普遍應(yīng)用，使得永磁同步電機(jī)高速發(fā)展。同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷完善了永磁同步電機(jī)的控制性能，在相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域里正在取代直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。隨著永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，要求電機(jī)具有高精度、高可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力等，除了完善電機(jī)工藝制造的性能外，還可以通過對(duì)各種控制策略應(yīng)用于電機(jī)的控制，以此來提高的電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此探討和研究電

6、機(jī)優(yōu)良的控制策略具有重要意義。隨著各種控制理論及其相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的不斷發(fā)展與完善，永磁同步電機(jī)一定會(huì)在不久的將來更加廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活中。因此研究永磁同步電機(jī)定子電流最小控制，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值1。1.2 永磁同步電機(jī)的發(fā)展上世紀(jì)初，世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)。之后的30年左右出現(xiàn)了永磁同步電機(jī)，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)性能好、可靠性高等特點(diǎn)，受到社會(huì)各界研究學(xué)者和企業(yè)的青睞2。但在永磁同步電機(jī)誕生之初，永磁同步電機(jī)很少應(yīng)用于中小功率的調(diào)速系統(tǒng)。這主要是同步電機(jī)與異步電機(jī)的工作方式不同，永磁同步電機(jī)不能在電網(wǎng)電壓下自行起動(dòng)，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。在大

7、功率范圍內(nèi)有永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況，但這往往是用來改善企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)，不能作為普通電機(jī)使用。隨著各種控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用的目標(biāo)。隨著通用變頻器的系列產(chǎn)品的出現(xiàn)，使交流電機(jī)的變頻調(diào)速變?yōu)榱丝赡?。八十年代，稀土永磁材料的研制取得了重大的進(jìn)展，為調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。進(jìn)入九十年代，隨著永磁材料性能提升和完善以及控制技術(shù)飛速發(fā)展使得永磁同步電機(jī)的研發(fā)進(jìn)入又一個(gè)快速發(fā)展階段。與此同時(shí)，微型處理器和專用集成電路應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的高可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)也使得各種復(fù)雜控制方法的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)?？梢灶A(yù)見在不久的將來，更

8、多的先進(jìn)控制技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中，使得永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)得到進(jìn)一步的發(fā)展13。1.3 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類永磁同步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下可以自由旋轉(zhuǎn)的部分，主要是由轉(zhuǎn)軸永久磁鋼以及磁軛等部分構(gòu)成，主要作用是在氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠多的磁感應(yīng)強(qiáng)度；定子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下靜止的部分，主要是由硅鋼沖片、鑲嵌在槽內(nèi)的繞組以及固定在機(jī)殼上的鐵心等部分構(gòu)成。將三相對(duì)稱的空間電流通入定子的三相對(duì)稱的繞組，就可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓形空間磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)共同作用，產(chǎn)生電磁力，促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。因此通過改變定子三

9、相電源的相位和頻率，來改變轉(zhuǎn)子的速度和位置角。三相異步電機(jī)的控制方法類似于永磁同步電機(jī)的控制，采用矢量控制方法，通過坐標(biāo)變換，使得控制永磁同步電機(jī)像控制直流電機(jī)那樣簡(jiǎn)單高效。永磁同步電機(jī)的主磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形因轉(zhuǎn)子磁鋼的結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生正弦波和梯形波兩種。而永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使其避免了方波永磁同步電機(jī)的缺陷，具有優(yōu)良的控制性能，成為應(yīng)用較為廣泛的一種電機(jī)。故本文以下主要是對(duì)正弦波永磁同步電機(jī)建模，并對(duì)其控制進(jìn)行研究1。1.4 永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，無勵(lì)磁損耗小和轉(zhuǎn)子發(fā)熱低，極大地提高了電機(jī)的功率因

10、素和效率。同時(shí)由于永磁同步電機(jī)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和易于控制的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小容量的伺服系統(tǒng)中，具有優(yōu)良的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。永磁同步電機(jī)較他電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)1：(1)高性能永磁材料產(chǎn)生穩(wěn)定且較強(qiáng)的磁場(chǎng)，在給定功率下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，獲得較高的加速度；(3)定子與轉(zhuǎn)子接觸無滑環(huán)和電刷，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性高；(4)轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，因此無轉(zhuǎn)子銅耗，提高功率因素；(5)在轉(zhuǎn)速較低情況下，輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)性能高；(6)轉(zhuǎn)矩諧波抖動(dòng)小，可以平穩(wěn)調(diào)速。1.5 永磁同步電機(jī)控制方法 矢量控制上世紀(jì)七十年代，德國(guó)人F. Blaschke首先提出了矢量控制理論，交流電機(jī)的控制理論得到飛速發(fā)展。其基本原理是

11、：以永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)軸線為參考坐標(biāo)，將定子電流分解成相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈的方向相同為定子電流的勵(lì)磁分量，另一個(gè)正交于磁鏈方向產(chǎn)生定子電流轉(zhuǎn)矩分量；然后分別對(duì)其進(jìn)行控制，類似對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良。而且由于其控制結(jié)構(gòu)單一、控制策略較易實(shí)現(xiàn)從而使同步電機(jī)的矢量控制方法廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。永磁同步電機(jī)有不同的電流控制策略，主要是：(1) id=0控制；(2)最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制；(3)=1控制等。其中id=0控制是主要控制方式，本文主要對(duì)這種控制方式以及在這種控制方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行定子最小電流控制系統(tǒng)研究。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是由德國(guó)魯爾大學(xué)教授于1985

12、年首次提出了異步電機(jī)的的繼矢量控制技術(shù)之后的又一高性能的交流變頻控制技術(shù)3。采用空間向量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，其特征在于，直接在定子坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，具有離散的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器，傳遞轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)值轉(zhuǎn)矩與給定值進(jìn)行比較并產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從而控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，以獲得高動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。這種控制方法消除了坐標(biāo)變換中復(fù)雜的計(jì)算方法，使系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)，控制信號(hào)單一，降低了耦合效應(yīng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且無超調(diào)，是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的交流調(diào)速控制，因此在開始受到人們的關(guān)注。異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制最初被提出，不能直接應(yīng)用于對(duì)永磁同步電機(jī)。1997年，L

13、.Zhong，MFRahman YWHu等人把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電機(jī)結(jié)合起來，成功地實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制4。近年來，為了提高直接轉(zhuǎn)矩控制的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，并取得相應(yīng)的結(jié)果。2 建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.1 假設(shè)條件能夠準(zhǔn)確地反映受控系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)的性能影響精度是好還是壞，關(guān)鍵在于控制對(duì)象的控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的建立。永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括：電壓方程，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程和構(gòu)成的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)方程。本文將研究三相永磁同步電機(jī)，分析永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系()

14、、兩相靜止坐標(biāo)系()和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()下的數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)便分析，做如下假設(shè)5：(1)磁路處于非飽和狀態(tài)，表現(xiàn)出線性特性；(2)忽略鐵耗和磁滯效應(yīng)所引起的損耗的影響；(3)三相繞組完全對(duì)稱并通過對(duì)稱的電源，永磁體的磁場(chǎng)沿氣隙周圍呈正弦特性分布；(4)功率二極管和續(xù)流二極管均為理想元器件。2.2 永磁同步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的電壓回路方程在三相靜止坐標(biāo)系()中，永磁同步電機(jī)的電壓回路方程可以表示為： (2.1)式中：，是三相定子繞組兩端的電壓，是三相定子繞組的相電流，是三相定子繞組的磁鏈，是三相定子繞組的電阻，并且有= = =R。永磁同步電機(jī)的磁鏈方程每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬?/p>

15、身的自感磁鏈和與其它繞組的互感磁鏈之和，即： (2.2)式中：， ，和，為三相定子繞組之間的互感，為三相定子自感，為永磁體磁鏈的最大值，對(duì)于特定的永磁同步電機(jī)為一常數(shù)，為轉(zhuǎn)子的電角速度。由于三相繞組在空間上對(duì)稱分布，并且通入三相繞組中的電流是對(duì)稱的，則有下述關(guān)系成立：定子各相自感為：=L (2.3)定子間互感為：=M(2.4)因?yàn)槿嗬@組為星型連接，則有：=0(2.5)將以上條件帶入式(2.2)得磁鏈方程： (2.6)將式(2.6)帶入式(2.1)，得到方程式(2.7)，這就是永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系()下的電壓平衡方程。 (2.7)式中：p為微分算子()，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。 永磁同步電機(jī)

16、的電磁轉(zhuǎn)矩方程永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2.8)式中：P為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為:(2.9)式中：Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B為粘滯摩擦系數(shù)，為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由方程(2.7)可以看出，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為系數(shù)可變的微分方程，不易求解，為方便起見常常采用更為簡(jiǎn)便的等效模型來進(jìn)行研究。2.3 永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型(1)在兩相靜止坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓回路方程為：(2.10)式中：，為定子電壓在、軸上的電壓分量，為定子電流在、軸上的電流分量，、為、軸的自感和它們之間的互感。(2)磁

17、鏈方程為：(2.11)(3)轉(zhuǎn)矩方程為：(2.12)從上述式子可以看出，在兩相靜止坐標(biāo)系下，電壓回路方程變量的個(gè)數(shù)減少，給分析問題帶來了很大的方便。2.4 永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型設(shè)轉(zhuǎn)子永磁體的基波磁場(chǎng)方向?yàn)閐軸，而q軸為沿著旋轉(zhuǎn)方向超前90的電角度的方向。轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)子的速度，并規(guī)定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)閰⒖颊较?。則有6： (1)永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中的電壓方程為： (2.13)式中：，為定子電壓在直軸d和交軸q上的分量，為定子電流在直軸d和交軸q軸上的分量，為定子磁鏈直軸分量和交軸分量。(2)永磁同步電機(jī)的磁鏈方程為： (2.14)式中：為轉(zhuǎn)子磁鋼

18、產(chǎn)生磁鏈，可以看作是恒定的；、分別為永磁同步電機(jī)在d、q軸上電感的分量。將式(2.14)代入式(2.13)就可以得到永磁同步電機(jī)軸坐標(biāo)系下的電壓方程： (2.15)(3)永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2.16)式中：為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。(4)永磁同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為： (2.17)式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3 永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和id=0控制的工作原理3.1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理20世紀(jì)70年代，德國(guó)F.Blaschke首次提出了交流電機(jī)矢量變換控制理論，也被稱為磁場(chǎng)定向控制理論7。該理論的提出，解決了高性能的交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題，其基本思想是協(xié)調(diào)

19、定子三相電流，通過坐標(biāo)變換等效為兩相靜止坐標(biāo)系中的電流和，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為等效兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流和。通過兩個(gè)獨(dú)立的分量的控制，以使交流電動(dòng)機(jī)的控制可以像直流電動(dòng)機(jī)的控制一樣容易6。坐標(biāo)變換的原則是保證在不同的坐標(biāo)系的產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全等效。三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)變換（克拉克的轉(zhuǎn)換）和兩相靜止坐標(biāo)系的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換（Park變換）。 三相/兩相變換（3s/2s）三相交流電變換成兩相靜止坐標(biāo)系上的電流的變換公式如下： (3.1) 兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r）兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流電流（2s/2r）7。其中：s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。兩相交流電流、

20、和兩相直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F。圖3.1 兩相靜止和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)空間矢量由上圖可知，、和、之間有如下關(guān)系： (3.2)寫成矩陣形式，即： (3.3)4 建立永磁同步電機(jī)定子電流最小控制的仿真模型4.1 仿真軟件平臺(tái)基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分成各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊8，主要有：幾種坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊、電流反饋控制模塊和電機(jī)本體模塊。通過對(duì)這些模塊的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的矢量控制。下面介紹和分析各個(gè)子模塊的結(jié)構(gòu)與作用。4.

21、2 坐標(biāo)變換模塊永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換后使得其被控量和控制方式類似于直流電機(jī)的控制方式，使得電機(jī)在此控制方式下獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、優(yōu)異的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)7。要想控制永磁同步電機(jī)像控制直流電機(jī)一樣方便高效，需要進(jìn)行兩相旋轉(zhuǎn)/兩相靜止()的坐標(biāo)變換，將，轉(zhuǎn)換為變換為，。模塊的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，輸入信號(hào)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下軸電壓，及位置信號(hào)，輸出為兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓，。(4.1)圖4.1 坐標(biāo)系到坐標(biāo)系變化模塊4.3 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊空間矢量脈寬調(diào)制根據(jù)電流環(huán)輸出的和以及當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角輸出六路PWM控制信號(hào)9來控制逆變器橋臂上功率開關(guān)器件的通斷使電機(jī)獲得幅值

22、恒定的圓形磁場(chǎng)。典型的三相電壓源型逆變器的結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖4.2 三相逆變器主電路該電路是由VT1-VT6六個(gè)功率開關(guān)器件進(jìn)行控制的，同一橋壁不能同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)閉狀態(tài)。三組橋臂共有八種通斷狀態(tài)，這八種通斷狀態(tài)產(chǎn)生六個(gè)有效的空間矢量u1(001)u6(110)和兩個(gè)無效的零矢量u0(000)u7(111)如圖4.3所示。圖4.3 電壓空間矢量扇區(qū)分布變換器產(chǎn)生的矢量不可能是角度連續(xù)變化的空間矢量。圖4.4表示電壓空間矢量u4，u6合成新的電壓矢量us。假設(shè)在一個(gè)PWM脈寬調(diào)制波周期T內(nèi)，T1時(shí)間段處于工作狀態(tài)u4， T2時(shí)間段處于工作狀態(tài)u6 T0時(shí)間段處于工作狀態(tài)u0。則有： (

23、4.2)圖4.4 電壓空間矢量的線性組合分步搭建SVPWM中的各個(gè)子模塊10 11： (1) 根據(jù)測(cè)得的兩相靜止電壓和通過矢量所在扇區(qū)判斷模塊確定電壓矢量所在的扇區(qū)。當(dāng)>0時(shí)，令A(yù)=1；當(dāng)時(shí)，令B=1；當(dāng)時(shí)，令C1，有八種組合，但是有邏輯關(guān)系判斷可知道A、B、C不會(huì)同時(shí)為1或者0，所以實(shí)際有效的組合只有六種，并一一對(duì)應(yīng)于矢量控制的六個(gè)扇區(qū)。取n=A+B+C，通過n判斷電壓矢量所在的扇區(qū)。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4.5所示。表4.1N與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系扇區(qū)號(hào)ABCDEFn315462圖4.5 扇區(qū)判斷模塊(2)基本矢量有效作用時(shí)間計(jì)算模塊（X,Y,Z與T1,T2）定義X，Y，Z三個(gè)變量，令，其中、T上

24、同，為逆變器直流母線電壓。利用所得到的扇區(qū)號(hào)n判斷每個(gè)扇區(qū)內(nèi)相鄰兩矢量的作用時(shí)間(T1,T2)。由于過飽和的影響，使得T1+T2<T，因此要進(jìn)行過飽和判斷。但是當(dāng)T1+T2>T時(shí)，存在,。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4.6所示。表4.2 基本矢量作用時(shí)間n123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-Z圖4.6 基本矢量作用時(shí)間模塊(3)空間電壓矢量切換點(diǎn)計(jì)算模塊定義電壓空間矢量的切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3，令，,。如表4.3所示。表4.3 N與Tcm1、Tcm2、Tcm3對(duì)應(yīng)關(guān)系n123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTc

25、TaTbTa圖4.7 功率開關(guān)占空比計(jì)算模塊(4)PWM波形的生成模塊通過對(duì)一個(gè)周期為T，幅值為T/2的等腰三角波與Tcm1，Tcm2，Tcm3進(jìn)行比較，比較結(jié)果可以生成三路PWM波形，在對(duì)其求反又可以得到三路PWM波形，最終得到用于控制三相逆變器功率開關(guān)管通斷的六路PWM信號(hào)。產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。圖4.8 PWM波形生成模塊(5)將各個(gè)模塊組裝成SVPWM模塊將以上各個(gè)模塊封裝組合，得到SVPWM整體封裝模塊，如4-9所示。圖4.9 SVPWM整體封裝模塊4.4 電流反饋控制模塊根據(jù)第三章推倒出來的公式3.10可以建立電流控制模型(1) 的控制模型圖4.10 Te與id的關(guān)系轉(zhuǎn)化模塊

26、(2) 的控制模型圖4.11 Te與的關(guān)系轉(zhuǎn)化模塊4.5 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真利用以上各個(gè)功能模塊，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建永磁同步電機(jī)最小定子電流控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的的仿真模型如圖4.12、4.13所示。圖4.12 永磁同步電機(jī)定子最小電流控制系統(tǒng)仿真模型圖仿真時(shí)永磁同步電機(jī)的各性能參數(shù)設(shè)置如下7：直流母線電壓為=300V，定子繞組電阻R=2.875，PWM周期=0.0002S，定子電感為= =8.5mH，極對(duì)數(shù)P=4，永磁磁鏈=0.125Wb，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.0*10-3kg.m2。給定轉(zhuǎn)速為在0s是為500rad/s,階躍后為750rad/s。電機(jī)空載啟動(dòng)，在

27、t=0.1s時(shí)，突加負(fù)載有1N.m階躍到3N.m，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)仿真結(jié)果如圖5.1和5.2所示。5 仿真結(jié)果5.1電流控制方式和最小定子電流控制方式下的仿真出電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形圖5.1 電流控制方式下的定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩波形5.2仿真結(jié)果分析由仿真波形可以看出，在參考轉(zhuǎn)速下，所設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩最終達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩=3N.m平衡。(1)對(duì)于定子最小電流控制方式系統(tǒng)起動(dòng)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速有一個(gè)較大的脈動(dòng)。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、定子電流了都有一個(gè)脈動(dòng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定的再次跟蹤給定值。三相定子電流呈正弦波變化，在負(fù)載突變后幅值有明顯的躍升，但很快穩(wěn)定在三相對(duì)稱正弦波周期性變化狀

28、態(tài)下。轉(zhuǎn)矩在開始啟動(dòng)時(shí)脈動(dòng)很大但是在0.01s左右很快穩(wěn)定在系統(tǒng)所設(shè)定的=0(0<t<0.2),達(dá)到平衡。至于轉(zhuǎn)速也是經(jīng)過相當(dāng)短的時(shí)間震蕩后很快穩(wěn)定在所設(shè)定基速=750rad/s下穩(wěn)定運(yùn)行。但是在0.1s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從1N.m階躍到3N.m，此時(shí)從仿真結(jié)果可以看出電機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩在0.1-0.11s有一個(gè)較小的脈動(dòng)但很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。可以看出在最小定子電流控制方式下，永磁同步電機(jī)表現(xiàn)出了非常好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，并對(duì)外界的擾動(dòng)有較強(qiáng)的抵抗作用。(2)對(duì)于電流控制方式起動(dòng)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，轉(zhuǎn)速有一個(gè)比較較大的脈動(dòng)。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、定子電流了都有一個(gè)脈動(dòng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速能

29、夠快速的再次跟蹤給定值，但不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的給定值需要時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)一些。三相定子電流呈正弦波變化，在負(fù)載突變后幅值有明顯的躍升，但也很快達(dá)到穩(wěn)定。至于轉(zhuǎn)矩，對(duì)外界所加的負(fù)載擾動(dòng)有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從在0.1-0.11s各種參數(shù)的變換可以看出，當(dāng)然也能很快穩(wěn)定在所設(shè)定的參考值下，但在這一暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)相比較而言有點(diǎn)大?？梢姶朔N控制方式下的永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能、抗干擾能力較強(qiáng)，有一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力相對(duì)差一些。通過對(duì)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的定子最小電流和電流兩種矢量控制方法的比較，可以看出前者和后控制后電機(jī)所表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)性能，抗外界擾動(dòng)的能力相當(dāng)，但是后者表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)性能不如前者，這些都符合預(yù)計(jì)的分析。

30、仿真結(jié)果說明所搭建的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型具有一定合理性和可靠性，更加凸顯了最小定子電流控制方式較控制方式的在動(dòng)態(tài)性能要求高的控制系統(tǒng)中優(yōu)越性。通過兩種不同控制方式的比較達(dá)到了比較控制的目的，在滿足穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)使定子電流達(dá)到最優(yōu)控制。6 總結(jié)與展望6.1 總結(jié)由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小、速度響應(yīng)快、動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)異及過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)先進(jìn)控制理論的快速發(fā)展以及新型永磁材料技術(shù)的突破使得永磁同步電機(jī)成為今后交流調(diào)速系統(tǒng)研究和發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步電機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。本文從研究永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，基于最大轉(zhuǎn)矩電流比建立了基于空間矢量控制的永磁同步