永磁同步電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)

1、第一章永磁同步電機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)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，由于在轉(zhuǎn)子上安裝了永磁體，永磁體的磁極是固定 的，根據(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)的研究階段中，電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是從零開始逐漸增大的，造成上訴的主要原因是其在異步轉(zhuǎn)矩、永磁發(fā)電制動(dòng) 轉(zhuǎn)矩、 由轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱而引 起的磁阻轉(zhuǎn)矩和單軸轉(zhuǎn) 矩 等一系列的

2、因素共同作用下而引起 的，所以在這個(gè)過程中轉(zhuǎn)速是振蕩著上升的。在起動(dòng)過程中， 只有異步轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)性 質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)就是以這轉(zhuǎn)矩來得以加速的， 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)超過同步轉(zhuǎn)速，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的超調(diào)現(xiàn)象。但經(jīng)過 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。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。一般來說，永磁同步電機(jī) 的最大的特點(diǎn)是它的定子結(jié)構(gòu)與普通的感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常非常的相似，主要是區(qū)別于轉(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

3、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：內(nèi)嵌式、面貼式以及插入式，如圖所示。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)。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，其最主要的原因是其擁有很多其他 形式電機(jī)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，例如其制造方便，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性比較小以及結(jié)構(gòu)很簡單等。并且這 種類型的永磁同步電機(jī)更加容易被設(shè)計(jì)師來進(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

4、鏈的分布結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)成近似正弦的分布 ，將其分布結(jié)構(gòu)改成正弦分布后能夠帶來很 多的優(yōu)勢，例如 能減小磁場的諧波以及 它所帶來的負(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 因?yàn)樗浞值睦昧怂O(shè)計(jì)出的磁鏈的結(jié)構(gòu)有著不對(duì)稱性所生成的獨(dú)特的磁阻轉(zhuǎn)矩能大大 的提高了電機(jī)的功率密度，并且在也能很方便的制造出來，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)雖然比較復(fù)雜，但

5、卻有幾個(gè)很明顯的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，因?yàn)橛?高氣隙的磁通密度，所 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；因?yàn)樵?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的一系列的危險(xiǎn)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)因?yàn)殡x心力過大而被破壞。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)來進(jìn)行比較，永磁同步電機(jī)特別 是最常用的稀土式的永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠性很高；體積非常的小，質(zhì)量 特別的輕；損耗也相對(duì)較少，效率也比較高；電機(jī)的形狀以及大小可以靈活多樣的變化等 比較明顯的優(yōu)點(diǎn)。正是因?yàn)槠鋼碛羞@么多的優(yōu)勢所以其應(yīng)

6、用范圍非常的廣泛，幾乎遍及航 空航天、國防、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，可以考慮不輸入無功勵(lì)磁電流，因此可以非常明顯的提高其功率因素，進(jìn)而減少了定 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)。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)行研究，在分析定子和轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢間的轉(zhuǎn)速關(guān)系時(shí)，假定轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n r /min,所以轉(zhuǎn)子的磁動(dòng)勢相應(yīng)的轉(zhuǎn)速也為 n r/min ，所以定子

7、的電流pn相應(yīng)的頻率是f= ,因?yàn)槎ㄗ有D(zhuǎn)的磁動(dòng)勢的旋轉(zhuǎn)速度是由定子上的電流產(chǎn)生的，所以應(yīng)60為60 f 60 pnnnp p 60可以看出轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度是與定子的磁動(dòng)勢的轉(zhuǎn)速相等的對(duì)于永磁同步電機(jī)的電壓特性研究，可以利用電動(dòng)機(jī)的慣例來直接寫出它的電動(dòng)勢平衡方程式Eojld Xdj lq Xq（）對(duì)于永磁同步電機(jī)的功率而言，同樣根據(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UEn 巳 m sinU21m-1si n2（）X2XqXd對(duì)于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩而言，以可以得到以下公式在恒定的轉(zhuǎn)速1下，轉(zhuǎn)矩和功率是成正比的,T Pm mUEml2sin丄1sin211xd2 1XqXd（）第二章永磁

8、同步電機(jī)物理模型開環(huán)仿真永磁同步電機(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。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)變成交流電。逆變可 以被分為兩類，包括有源逆變以及無源逆變。其中有源逆變的定義為當(dāng)交流側(cè)連接電網(wǎng)時(shí), 稱之為有源逆變；當(dāng)負(fù)載直接與交流側(cè)相連時(shí)，稱之為無源逆變。以圖 2-1 的單相橋式逆變電路的例子來說明逆變器的工作原理圖 2-1 逆變電路圖2-1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 輔助電路組成的。 當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；

9、當(dāng)S1、S4斷開，S2、S3閉合時(shí)， u 0 為負(fù)，其波形如圖 2-2 所示。圖 2-2 逆變電路波形通過這個(gè)方法，就可以把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，只要改變兩組開關(guān)相應(yīng)的切換頻率， 就可以改變交流電的輸出頻率。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Uo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Uo的基波，兩者波形的形狀也不同，圖 2-2給出的是阻感負(fù)載時(shí) 的i 0的波形。設(shè)t寸刻斷開S1、S4,同時(shí)合上S2、S3,則u0的極性立刻變?yōu)樨?fù)的。但是， 正是因?yàn)樨?fù)載中存在著電感，其中的電流極性仍將維持原來的方向而不能立刻改變。這時(shí) 負(fù)載

10、電流會(huì)從直流電源負(fù)極而流出，經(jīng)過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)載電流要逐漸減小，到t 2時(shí)刻降到零，之后i °才開始并反向增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合時(shí)的情況類似。上面是 S1-S4均為理想開關(guān)時(shí)的 分析，實(shí)際電路的工作過程要比這更復(fù)雜一些。逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可以被分為兩種：直流側(cè)為電壓源的稱為電壓型 逆變電路；直流側(cè)為電流源的稱為電流型逆變電路。它們也分別被稱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

11、的三相電 壓型橋式 逆變電路 是采用 IGBT 作為開關(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。V1UdUdV4V3JVD1VD4V5JZVD3VD6VD5VD2Z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，但是為了方便分析，畫出了串聯(lián)的兩個(gè)電容器并且標(biāo)出假想的中點(diǎn)N o單相半橋和全橋逆變電路是具有很多相似點(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， 每相之間開始導(dǎo)電的角度以120度相錯(cuò)開。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)

12、下面一個(gè)同時(shí)導(dǎo)通。它之所以被稱為縱向換流是因?yàn)槊看螕Q 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) 發(fā)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控 制系統(tǒng)來控制發(fā)電機(jī)的脈沖AB 、BC、 CA為輸入的ABC三相的線

13、電壓Freq頻率的輸入端口，這種輸入應(yīng)該連接到包含在赫茲的基本頻率，恒定的模塊。Block六路脈沖觸發(fā)器的參數(shù)設(shè)置如圖 2-7 所示圖 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)果圖 2-8 整體開環(huán)仿真框圖本文在基于 Matlab 下建立了永磁同步電機(jī)的開環(huán)電機(jī)模型的仿真。PMS啲參數(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3000 rpm, 極對(duì)數(shù)為2,電磁輸出功率為900W定子阻抗為Q,直軸感抗為，交軸感抗為，漏磁通 入f 為，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為,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)速曲線從圖中的曲線可以看出,電

14、機(jī)轉(zhuǎn)速給定值為3000N（ p m） ,從電機(jī)起動(dòng)開始,速度逐漸上升, 達(dá)到給定值需要的時(shí)間比較長，換句話說就是電機(jī)的響應(yīng)時(shí)間較長，而且在達(dá)到穩(wěn)定值附近時(shí)的轉(zhuǎn) 速波動(dòng)也比較大， 可能是因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜， 也可能是跟電機(jī)沒有任何控制有關(guān)， 希望在搭建了速度轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制后的轉(zhuǎn)速的響應(yīng)時(shí)間能縮短， 達(dá)到給定值附近時(shí)的上下波動(dòng)能減 小轉(zhuǎn)矩的結(jié)果如圖 2-10 所示圖 2-10 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線從圖中可以看出，在永磁同步電機(jī)起動(dòng)后轉(zhuǎn)矩的值在零的附近波動(dòng)，波動(dòng)范圍還是比 較大，產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因還是電機(jī)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及在沒有任何控制的情況下才出 現(xiàn)的，希望在搭建成速度轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控

15、制下可以使其波動(dòng)的范圍減小，無限的接近于零。電流的仿真結(jié)果如圖 2-11 所示圖 2-11 永磁同步電機(jī)電流曲線對(duì)于永磁同步電機(jī)開環(huán)物理模型仿真的電流， 電流在電機(jī)開始運(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附近波動(dòng)。第三章 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)仿真永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)仿真模型在MATLAB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)控 制系統(tǒng)仿真模型。 該系統(tǒng)是由 PI 控制器構(gòu)成的速度環(huán)和滯環(huán)電流控制器建立的電流環(huán)共同 控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過給定轉(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 控制器，再由 PI 控制器送達(dá)轉(zhuǎn)速

16、控制模塊。并通過坐標(biāo)變換產(chǎn)生的參考電流，與 PMSM俞出的實(shí)際電流相比較，再通過橋路逆變器產(chǎn)生輸入PMSM勺三相電壓，經(jīng)過坐標(biāo)變換后直接輸入到PMS本體控制其運(yùn)行。最終達(dá)到在利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制下能夠?qū)崿F(xiàn) 實(shí)際轉(zhuǎn)速與期望轉(zhuǎn)速相一致的目的。根據(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 。3.1.1 PMSM本體模塊在整個(gè)仿真過程中，電機(jī)本體模塊是其中最重要的模塊之一。 根據(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：mTe TlJBm dt而Prm2（ p為極對(duì)

17、數(shù)）則可以建立如下的電機(jī)本體模塊，如圖3-2所示：圖3-1 PMSM電機(jī)本體模塊轉(zhuǎn)速控制模塊轉(zhuǎn)速控制模塊是由比例積分控制器根據(jù)比例積分控制原理建立的，如圖3-3所示的比例積分PI控制模塊。在本體模塊中取的比例積分為，積分增益為，定子電流輸出的限幅為-5,5 o圖3-2 PI控制模塊轉(zhuǎn)矩控制模塊本次仿真是以常量轉(zhuǎn)矩控制為轉(zhuǎn)速控制的方式，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與提供的定子電流Is相等，而直軸的期望電流id大小為0,角 =90 o 則3 PTefiq2 2 q由此可以看出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)交軸電流之間存在一定的線性關(guān)系。在仿真過程中是由程序 實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)矩控制模塊也是根據(jù)以上的原理

18、建立的。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 q到 一），兩相靜止的坐標(biāo)系向三相坐標(biāo)是變換（一 到abc），以及三相坐標(biāo)系向兩相靜止坐標(biāo)系變換（abc到 一），兩相靜止坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換（一 到d q）,同類變換的電壓 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：iid cosiq siniid siniq cos（）兩相靜止坐標(biāo)系向三相坐標(biāo)系變換:ia i0 i.1 . ib ioi23i.1 .r.ic i02i 3i（）相應(yīng)的反變換為:idia1 ibicibCOSsin()sincos()根據(jù)坐

19、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。圖34a B到abc坐標(biāo)變換圖35abc到a B坐標(biāo)變換圖3 6a B到d q坐標(biāo)變換電流控制模塊對(duì)于電流控制方式而言，采用的是滯環(huán)控制。首先確定一個(gè)期望值，根據(jù)滯環(huán)的帶快 要在期望值的兩側(cè)來確定一個(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)節(jié)的目的。滯環(huán)控制器的模塊是根據(jù)滯環(huán)控制原理搭建的，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)過滯環(huán)控制器后產(chǎn)生三相電壓信號(hào)。然后經(jīng) 過數(shù)據(jù)邏輯非運(yùn)算器器件和類型變換裝置產(chǎn)生 IGBT橋路6個(gè)IGB

20、T管的門極脈沖信號(hào)。因 同一相上的橋臂的管子觸發(fā)脈沖是相反的，所以只要在原來的三相脈沖信號(hào)上加上邏輯非即可構(gòu)成相應(yīng)的6路脈沖觸發(fā)信號(hào)，控制各個(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)控制器即開通，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)控制器即關(guān)斷， 輸出為 0。圖 37 滯環(huán)控制器結(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，根據(jù) 3.1.5 小結(jié)小節(jié)中我們研究的電流控制器， 它能夠 產(chǎn)生出IGBT的門極信號(hào)，并且通過這個(gè)信號(hào)來控制每個(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)

21、作用在負(fù)載上，根據(jù)誤差的大小來產(chǎn)生輸入到 PMSM勺三相電壓Vabc,通過這個(gè)產(chǎn)生出來的三相電壓來調(diào)節(jié) PMS啲實(shí)際轉(zhuǎn)速也能同時(shí)調(diào) 節(jié)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IRGIB10B60KD1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量裝置，可通過它得到流經(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

22、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 38 電壓逆變器結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果圖 3-9 整體仿真框圖本文基于MATLAB的SIMULINK建立出了永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電機(jī)模 型，這是一種新的電壓變換結(jié)構(gòu)及電流控制方法，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勺參數(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 ，直軸感抗為，交軸感 抗。漏磁通 f為，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.00179kg m2,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 PMS雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真模型的靜、

23、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，系統(tǒng)先是在空載情況下啟動(dòng)，在 t=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。給定參考轉(zhuǎn)速為 200rad/s ，滯環(huán)寬度取為。圖 3-10 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速圖 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán)控制轉(zhuǎn)矩圖 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán) i q 電流曲線圖 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán) i d 電流曲線圖 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán) i 電流曲線通過上面的仿真圖可以很明顯的看出：在給定的參考轉(zhuǎn)速不變的情況下，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)不是很大總體來看還是很平穩(wěn)的，

24、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，說明建模仿真的方法是比較理想的，是正確的。第四章 永磁同步電機(jī)開環(huán)和雙閉環(huán)仿真比較

25、通過第二章的研究和分析， 可以看出永磁同步電機(jī)在開環(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)出現(xiàn)從起動(dòng)開始，達(dá)到穩(wěn)定的 時(shí)間比較長，而且到達(dá)穩(wěn)定時(shí)的效果也比較差，波形很明顯。這主要是由于開環(huán)運(yùn)行的條 件下系統(tǒng)普遍存在的問題較多1）在開環(huán)系統(tǒng)中，各種參數(shù)間相互之間影響并且互相制約著，所以很難再對(duì)調(diào)節(jié)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，在這種情況下不是很理想。（ 2）任何擾動(dòng)在轉(zhuǎn)速出現(xiàn)偏差后也無法調(diào)整，因而轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落較大。相對(duì)開環(huán)來講在第三章研究的永磁同步電機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)就對(duì)電機(jī)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢就 很明顯，如仿真結(jié)果表明：對(duì)永磁同步電

26、機(jī)雙閉環(huán)控制系統(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)能夠在非常平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行，跟開環(huán)控制系統(tǒng)相 比較而言它具有較好的靜、動(dòng)態(tài)特性，能夠達(dá)到我們所期望的目的。所以我們可以得出以 下結(jié)論，采用該P(yáng)MSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型仿真，可以非常便捷地觀察出它和開環(huán)情況下永 磁同步電機(jī)相比較的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)同時(shí)也能很準(zhǔn)確的驗(yàn)證其算法是否合理，只需要對(duì)其中 一部分的功能模塊進(jìn)行替換或者是合理的適當(dāng)?shù)男薷?，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制策略的更換或改 進(jìn)，不僅可以間斷對(duì)方案的設(shè)計(jì)周期進(jìn)行控制，而且還能快速驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制算法是否 正確是否合理，更優(yōu)越的地方是能夠充分地利用計(jì)算機(jī)仿真的優(yōu)越性。通過修改系

27、統(tǒng)的參 數(shù)變量或人為的加入不同擾動(dòng)因素來考察在各種不同的試驗(yàn)條件下電機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性 能，或者是模擬相同的試驗(yàn)條件，通過各種參數(shù)或者不同的波形來比較不同的控制策略的 優(yōu)勢和劣勢，為分析和設(shè)計(jì)不同的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)提供了更為有效的手段和工具， 也給為了實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及調(diào)試提供了新的思路。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)用到了直接轉(zhuǎn)矩控制原理。直接轉(zhuǎn)矩控制是近幾年來繼矢量控制技 術(shù)之后發(fā)展起來的一種具有高性能的一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985 年由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授第一次提出了基于六邊形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制理論，1986年日本學(xué)者Takahashi 提出了基于圓形磁鏈的直接轉(zhuǎn)矩控制理論 2，緊接著 1987 年在弱磁調(diào)速范圍為 涉及到了它。不同于矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制自己的特點(diǎn)是很突出的。在矢量控制中 遇到的計(jì)算復(fù)雜、特性易受電動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化所影響、實(shí)際性能很難達(dá)到理論分析結(jié)果等 問題在直接轉(zhuǎn)矩控制中得