永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真

1、摘 要永磁同步電機相對于其它電機而言有著優(yōu)異的控制性能，廣泛應用于社會生活之中。而且，由于我國在永磁體稀土方面的資源極為豐富，這就使研究永磁同步電機的控制顯得十分重要。本文研究了永磁同步電機的控制策略，并做了仿真研究，為實際應用提供了充分的理論依據(jù)。論文對永磁同步電機的結構和特點進行了分析，介紹了永磁同步電機控制中常用的三種坐標系及相互變換關系，給出了永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學模型，重點介紹了d-q坐標系下的數(shù)學模型。在此基礎上，將矢量控制思想運用于永磁同步電機的控制。在MATLAB/SIMULINK下，構建系統(tǒng)的仿真模型，進行仿真驗證。利用MATLAB/SIMULINK搭建系統(tǒng)的仿真模

2、型將會為實際系統(tǒng)的設計提供充分的理論依據(jù)。本文所做工作的主要內容如下：首先介紹了永磁同步電機的結構、分類及特點，并給出了永磁同步電機在不同坐標系下的運動方程；深入討論了永磁同步電機矢量控制原理，合理劃分控制系統(tǒng)各個功能模塊，構建永磁同步電機矢量閉環(huán)控制仿真模型，得出仿真結果。關鍵詞：永磁同步電機；矢量控制；數(shù)學建模；仿真AbstractComparing with other motors, permanent magnet synchronous motor (PMSM) has its own excellent control properties, and has been appli

3、ed to social activities popularly. Whats more, there are quite abundant natural resources about the rare earth of permanent magnet in our country, which makes the research of PMSMs control very important. This article studies the control strategy of PMSM, which offers enough theoretical basis to pra

4、ctical application.Thearticleanalyzes the structure andcharacteristic of PMSM, and introduces three common coordinate series and the relationship of their mutual transformation in the PMSMs control. Moreover, it provides mathematical models of PMSM under the different coordinate series,especially in

5、troduces the mathematical mode under d-q coordinate series.On this basis, it takes the vector control principle to the permanent magnetism synchronous motor. Under MATLAB/SIMULINK,the simulation models of system are separately constructed and simulated.The simulation model using the MATLAB/SIMULINK

6、toolbox will be able to provide the full theory basis to the actual system design.This thesis does the main work as follows:Firstly introduces the structure, classification and characteristicof the permanent magnetismsynchronous machine under different coordinate system; Subsequently has discussed t

7、he vector control principle on permanent magnetism synchronous machine,reasonably divided the control system each function module,constructed the permanent magnetism synchronous machine vector closed-loop control simulation model, obtained the simulation result.Keywords：Permanent magnetism synchrono

8、us motor; Vector control; Mathematics modeling; Simulation目 錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1 課題研究的背景11.1.1 永磁同步電機的發(fā)展狀況11.1.2 永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展11.1.3 計算機仿真技術的發(fā)展31.2 本文主要工作3第2章建模與仿真42.1 建模與仿真的定義42.2 實際系統(tǒng)42.3 模型與建模關系52.4 仿真關系62.5 建模與仿真工作內容62.6本章小結7第3章永磁同步電機結構及其數(shù)學模型83.1 永磁同步電動機的概述83.1.1 同步電機的基本原理83.1.2 永磁同步電機的基本結構83

9、.1.3 永磁同步電機的分類93.1.4 永磁同步電機的特點與應用103.2 永磁同步電機數(shù)學模型123.2.1 電壓平衡方程123.2.2 磁鏈方程133.2.3 感應電動勢143.3 坐標變換163.3.1 三相靜止坐標系(A-B-C軸系)163.3.2 兩相靜止坐標系(-軸系)163.3.3 兩相旋轉坐標系(d-q軸系)173.3.4 三相靜止坐標系與兩相靜止坐標系間的變換(3s/2s)173.3.5 兩相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系間的變換(2s/2r)183.4 永磁同步電機在各個坐標系下的數(shù)學模型193.4.1 永磁同步電機A-B-C坐標系下數(shù)學模型193.4.2 永磁同步電機-坐標

10、系下數(shù)學模型213.4.3 永磁同步電機d-q坐標系下數(shù)學模型223.5 本章小結25第4章永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)264.1 永磁同步電機的控制策略及仿真264.1.1 矢量控制(SVPWM)264.1.2 直接轉矩控制(DTC)274.1.3 基于空間矢量調制的直接轉矩控制(SVM-DTC)274.1.4 模型參考自適應控制(MRAS)274.1.5 基于狀態(tài)觀測器控制284.1.6 智能控制284.2 永磁同步電機矢量控制的理論基礎284.2.1 永磁同步電機磁場定向矢量控制的基本原理284.2.2 永磁同步電機的矢量控制方法的選擇314.3 MATLAB仿真工具箱簡介324.4 永磁

11、同步電機矢量控制仿真模塊的建立334.4.1 坐標變換模塊334.4.2 SVPWM模塊334.4.3 逆變器模塊384.5 仿真研究384.6 本章小結42第5章全文總結44參考文獻45致謝47附錄48第1章緒論1.1課題研究的背景1.1.1 永磁同步電機的發(fā)展狀況永磁同步電機出現(xiàn)于 20 世紀 50 年代。其運行原理與普通電激磁同步電機相同，但它以永磁體替代激磁繞組，使電機結構更為簡單，提高了電機運行的可靠性。隨著電力電子技術和微型計算機的發(fā)展，20 世紀 70 年代，永磁同步電機開始應用于交流變頻調速系統(tǒng)。20 世紀 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的進展，特別是剩磁高、矯頑力

12、大而價格低廉的第三代新型永磁材料釹鐵硼(NdFeB)的出現(xiàn)，極大地促進了永磁同步電機調速系統(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)應用的需要，加上矢量控制水平的不斷提高，永磁同步電動機越來越顯出效率高、功率密度大、調速范圍寬、脈動轉矩小等高性能的優(yōu)勢。使我國在稀土永磁材料和稀土永磁電機的科研水平都達到了國際先進水平。新型永磁材料在電機上的應用，不僅促進了電機結構、設計方法、制造工藝等方面的改革，而且使永磁同步電機的性能有了質的飛躍，稀土永磁同步電機正向大功率(超高速、大

13、轉矩)微型化、智能化、高性能化的方向發(fā)展，成為交流調速領域的一個重要分支12。由于受到功率開關元件、永磁材料和驅動控制技術發(fā)展水平的制約，永磁同步電機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類似，但這種電機的轉矩存在較大的波動。為了克服這一缺點，人們在此基礎上又研制出帶有位置傳感器、逆變器驅動的正弦波永磁同步電機，這就使得永磁同步電機有了更廣闊的前景。1.1.2永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著永磁同步電動機的控制技術的不斷發(fā)展，各種控制技術的應用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在實際中得到應用。然而，在實際應用中，各種控制策略都存在著一定的不

14、足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機的參數(shù)等等，因此，對控制策略中存在的問題進行研究就有著十分重大的意義。1971年，德國學者相繼提出了交流電機的矢量變換控制的新思想、新理論和新技術，它的出現(xiàn)對交流電機控制技術的研究具有劃時代的意義。因為這種通過磁場定向構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、計算機技術和永磁材料科學的發(fā)展，矢量控制技術得以迅速應用和推廣。矢量控制是在機電能量轉換、電機統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎上發(fā)展起來的，它首先應用于三相感應電動機，很快擴展到三相永磁同步電機。由于三相感應電動機運行時，轉子發(fā)熱會造成轉子參數(shù)變化，而轉

15、子磁場的觀測依賴于轉子參數(shù)，所以轉子磁場難以準確觀測，使得實際控制效果難以達到理論分析的結果，這是矢量控制實踐上的不足之處。而永磁同步電機采用永磁體做轉子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機在小功率和高精度的場合應用廣泛。隨后，1985年，由德國魯爾大學教授首次提出了直接轉矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調速范圍。與矢量控制技術相比，直接轉矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應電動機的特性易受電機參數(shù)變化的影響這一問題。直接轉矩控制一誕生，就以自己新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結構，優(yōu)良的靜動態(tài)性能受到了普遍的關注和得到了迅速的發(fā)展。目前該技術成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。德

16、國、日本、美國都競相發(fā)展此項新技術34。20世紀90年代后，隨著微電子學及計算機控制技術的發(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。通過微機控制，可使電機的調速性能有很大的提高，使復雜的矢量控制與直接轉矩控制得以實現(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、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調試及自復位等功能。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、可靠性及實用性。近幾年，在先進的數(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)的精密快速調節(jié)和復雜

17、的矢量控制，保證了用于電機控制的算法，如直接轉矩控制、矢量控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等可以高速、高精度的完成。非線性解耦控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制、模型參考自適應控制、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計算機仿真技術的發(fā)展現(xiàn)代仿真技術1的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程和計算機技術的發(fā)展密切相關。控制工程是仿真技術較早應用的領域之一，控制工程技術的發(fā)展為現(xiàn)代仿真技術的形成和發(fā)展奠定了良好的基礎。系統(tǒng)工程的發(fā)展進一步完善了系統(tǒng)建模與

18、仿真的理論體系，同時使系統(tǒng)仿真廣泛應用于非工程系統(tǒng)的研究和預測5。計算機仿真技術不論是在理論還是實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)濟系統(tǒng)中的問題尚無法建立準確的模型進行求解。進入90年代，計算機技術的各個方面都取得了很大的發(fā)展6。為了獲得滿意的轉矩計算，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)進行仿真。1.2本文主要工作本文立題為永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真，進行了一系列的工作，主要涉及以下的

19、研究內容：(1)建模與仿真的關系，及仿真的實際應用意義；(2)介紹永磁同步電機的分類、結構與應用，給出永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學模型及運動方程；(3)介紹永磁同步電機矢量控制的理論基礎；(4)建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；(5)對仿真結果的進行分析，得出永磁同步電機的性質特點。第2章 建模與仿真建模與仿真是指構造現(xiàn)實世界實際系統(tǒng)的模型和計算機上進行仿真的有關復雜活動，它主要包括實際系統(tǒng)、模型和計算機等三個部分，同時考慮三個基本部分之間的聯(lián)系，即建模與仿真關系。2.1建模與仿真的定義建模關系主要研究實際系統(tǒng)與模型之間的關系，它通過對實驗系統(tǒng)的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變

20、量的基礎上，用數(shù)學的方法進行描述，從而獲得實際系統(tǒng)的簡化近似模型，如圖2-1所示。仿真關系主要研究計算機的程序實現(xiàn)與模型之間的關系，其程序能為計算機所接受并在計算機上運行7。實驗系統(tǒng)計算機模型建模仿真圖2-1 建模與仿真的基本組成與兩個關系2.2實際系統(tǒng)實際系統(tǒng)是所關注的現(xiàn)實世界的某個部分，它具有獨立行為規(guī)律，是相互聯(lián)系又相互作用的對象的有機結合。實際系統(tǒng)可能是自然的或人工的、現(xiàn)在存在的或者未來計劃的。例如，一個進銷存儲系統(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，各個部門相互獨立又相互聯(lián)系。總經(jīng)理負責各個部分之間的協(xié)調，并負責主要的決策。使系統(tǒng)獲得最大的利潤。剛開始建

21、模時，對建模者而言，實際系統(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：實體、屬性和活動。實體是指組成系統(tǒng)的具體對象，系統(tǒng)中的實體既具有一定的相對獨立性，又相互聯(lián)系構成一個整體。例如，在進銷存儲系統(tǒng)中，經(jīng)理、部門、商品、倉庫、職員等都為實體。屬性是指對實體特征的描述，用特征參數(shù)或變量表示。實際系統(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)活動產生影響的外界因素稱

22、為系統(tǒng)的環(huán)境。在系統(tǒng)建模的初始階段，應考慮系統(tǒng)所處的環(huán)境，并首先應劃分系統(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模型與建模關系構造一個真實系統(tǒng)的模型，在模型上進行實驗成為系統(tǒng)分析、研究的十分有效的手段。為了達到系統(tǒng)研究的目的，系統(tǒng)模型用來收集系統(tǒng)有關信息和描述系統(tǒng)有關實體。也就是說，模型是為了產生行為數(shù)據(jù)的一組指令，它可以用數(shù)學公式、圖、表等形式表示。模型是對相應的真實對象和真實關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世界中的物體

23、或過程的相關信息進行形式化的結果。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，模型應足夠詳細，以便從模型的實驗中取得關于系統(tǒng)實驗的有效結論8。由一個實際系統(tǒng)構造一個模型的任務一般包括兩方面的內容：第一是建立模型結構，第二是提供數(shù)據(jù)。在建立模型結構時，要確定系統(tǒng)的邊界，還要鑒別系統(tǒng)的實體、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系，在選擇模型結構時，要滿足兩個前提條件：第一是要細化模型研究的目的，二是要了解有關特定的建模目標與系統(tǒng)結構性質之間的關系。一般來說，系統(tǒng)模型的結構具有以下一些性質910：(l)相似性。模型與研究系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性

24、和變化規(guī)律，這就是說真實系統(tǒng)的“原型”與“替身”之間具有相似的物理屬性或數(shù)學描述。(2)簡單性。從實用的觀點來看，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仿真關系仿真關系主要關注的是計算機執(zhí)行模型所規(guī)定的指令的真實性，一個模型的程序能否真實地體現(xiàn)模型所具有的內涵，稱之為程序的準確性，要驗證模型的有效性，需要把模型的行為同實際系統(tǒng)的行為進行比較，這樣才不會把程序問題和模型問題混淆

25、起來。這就要求我們必須懂得仿真過程，包括仿真機理和仿真策略。2.5建模與仿真工作內容任何一個科學領域的科學研究都會涉及建模與仿真的問題，建模與仿真成為當今現(xiàn)代科學技術研究的主要內容。其技術也滲透到各學科和工程技術領域。為了讓建模與仿真研究成果更好地被直接應用或者用來指導將來的工作，使這項工作對科學與工業(yè)能有長期貢獻，并讓有關用戶和同行能更好理解和交流有關工作及實驗。仿真建模表示內容可規(guī)范如下6-10：(1)模型和針對模型構造的假設的非形式描述(2)模型結構形式描述(3)執(zhí)行仿真的程序設計(4)仿真試驗、試驗結果及分析(5)模型應用的范圍、有效性(6)現(xiàn)在模型與過去的和將來的模型的關系2.6本章

26、小結建模與仿真活動一般由下面五個要素組成：實際系統(tǒng)、實際框架、基本模型、集總模型和計算機。第3章 永磁同步電機結構及其數(shù)學模型3.1永磁同步電動機的概述3.1.1同步電機的基本原理同步電動機是一種交流電動機，其主要特點是電動機轉速與電動機定子電流頻率以及電動機極對數(shù)存在著嚴格不變的關系。普通同步電動機由定子和轉子兩大部分組成，電動機定子由定子鐵心、定子繞組和機殼組成。電動機轉子有凸極式和隱極式兩種結構形式，隱極式轉子做成圓柱形且其氣隙均勻，而凸極式轉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，當同步電動機轉速較小時，可采用結構簡單的凸極式轉子結構。同步電動機的勵

27、磁繞組套在轉子磁極鐵心上，而經(jīng)由電刷和集電環(huán)引入的勵磁電流應能使轉子磁極的極性呈現(xiàn)N，S極交替排列1112。同步電動機的工作原理，就是電動機定子的旋轉磁場以磁拉力拖著電動機轉子的同步地旋轉。電動機定子三相繞組接入三相電流而產生的旋轉磁場與電動機轉子勵磁繞組接入直流電流而形成的轉子磁場相互作用。同步電動機的轉速表達式為：n=ns=60fs/pn。式中,fs為電源頻率；pn為電動機的極對數(shù)；ns為同步轉速。3.1.2永磁同步電機的基本結構與傳統(tǒng)電機一致，永磁同步電機由定子和轉子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機定子結構基本相同，永磁同步電機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、

28、固定鐵芯的機殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機的基本結構如圖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的氣隙中會產生一個在空間旋轉的圓形磁場，其轉速為n=ns=60fs/pn。式中，fs為電源頻率；pn為電動機的極對數(shù)；ns為同步轉速。永磁同步電機的轉子通常由轉子鐵心、永磁體磁鋼和轉子轉軸組成。目前，永磁同步電機常用的永磁材料是釹鐵硼合金(NdFeB)和釤鈷合金(SmCo5，SmCo17)。從永磁體安裝方式上，轉子分為表面粘貼式、表面插入式和內置式，如圖3-1所示。(a)表面粘貼式 (b)為表面插入式 (c)內置式圖3-1 永磁電機的轉子

29、結構其中圖3-1(a)為表面粘貼式，圖3-1(b)為表面插入式，圖 3-1(c)為內置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導率近似等于真空磁導率，對于圖 3 -1(a)所示的轉子結構，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。而對其他結構，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此Ld<Lq，表現(xiàn)出凸極電機的性質。前兩種轉子結構的永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉子直徑，從而降低了轉動慣量。若將永磁體直接粘在轉軸上還可獲得低電感，有利于電機動態(tài)性能的改善。內置式轉子結構的永磁體通常為條狀，位于轉子鐵心內部，機械強度高，磁路氣隙小，提供的磁

30、通方向與轉子的具體結構有關。由于此種轉子磁路結構具有不對稱性，產生的磁阻轉矩有利于提高電機的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運行場合13-16。對于永磁同步電機，其定子繞組電流為正弦波。為了使電機具有恒力矩輸出，電機應具有正弦波反電勢，以保持電磁轉矩恒定。通過合理的設計，表面式、插入式和內置式轉子均可使電機實現(xiàn)正弦波反電勢。3.1.3永磁同步電機的分類永磁同步電機的分類方法很多。按轉子上有無起動繞組，可分為異步起動永磁同步電動機和永磁同步電動機(無起動繞組的電動機)；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)感應電動勢的不同，將永磁同步電機分為正弦波永磁同步電機和梯形波永磁同步

31、電機，正弦波永磁同步電機稱為永磁同步電機；按工作主磁場方向不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電驅繞組位置不同，可分為內轉子式和外轉子式；根據(jù)極對數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機和多極永磁同步電機；因為在控制上更接近于直流電機的控制，梯形波永磁同步電機稱為直流無刷電機11-16。由于永磁同步電動機中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機效率會增加。永磁同步電動機不存在相間換流時的沖擊電流，所以永磁同步電動機產生的轉矩脈動遠低于永磁無刷直流電動機。3.1.4永磁同步電機的特點與應用現(xiàn)在永磁同步電機的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機的功率范圍，且延伸至大功率領域。在永磁同

32、步電機中，用于勵磁的永磁鐵取代了轉子的直流勵磁繞組，從而勵磁銅耗得以消除，轉子慣性也相應的降低，并且轉子結構更加堅固。與此同時，永磁同步發(fā)電機與傳統(tǒng)的發(fā)電機相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結構更加簡單，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，電機轉速被提高到最佳值，提高了功率質量比。這些原因使其具有了普通電機所不具備的顯著特點：即輕型化、小尺寸、高性能化和高效節(jié)能。雖然永磁同步電動機轉子結構差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機具有如下共同的特點14-19：(1)體積小、質量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電機的功率密度得到很大提高，與同容量的異步電機

33、相比，體積和重量都有明顯的減小，使其適合應用在許多特殊場合。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機與感應電機相比，不需要勵磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子銅耗。而且永磁同步電機在 25%-120%額定負載范圍內均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運行時節(jié)能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動態(tài)響應快。高永磁磁通密度、輕轉子質量，帶來高轉矩慣量比，有效提高了永磁同步電機的動態(tài)響應能力。(4)可靠性高。與直流電動機和電勵磁同步電動機相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機械換向裝置，成為無刷電機，這不但減少了機械和電氣損耗，而且還不會產生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機機械結構簡單牢固、運

34、行可靠。(5)具有嚴格的轉速同步性和比較寬的調速范圍。對于要求多臺電動機同步運行的調速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點，變頻電源可實現(xiàn)開環(huán)控制，且調速控制方便，并在所有頻率范圍內均能穩(wěn)定運行。(6)永磁同步電動機的缺點是失去了勵磁調節(jié)的靈活性；可能會出現(xiàn)退磁效應；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這些優(yōu)點，國內外許多領域用的特殊電機、高性能電機都采用永磁同步電機方案目前節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國基本國策，推廣應用永磁同步電機可以促進電機系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進節(jié)能降耗目標實現(xiàn)。永磁同步電機在電梯領域的應用。傳統(tǒng)的電梯拽引技術應用了齒輪

35、間接驅動系統(tǒng)，由于有齒輪驅動系統(tǒng)存在，使得整個驅動系統(tǒng)材料消耗較大、運行效率低以及維護復雜、噪聲大等缺點。因此相比有齒輪驅動系統(tǒng)，采用永磁同步電機直接無齒輪驅動的電梯系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保方面有著突出的優(yōu)點。國內外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉矩脈動，提高了其運行性能，通力公司開發(fā)了ECODISO永磁盤式無齒拽引機，應用于機房電梯。永磁同步電機在船舶電力推進領域的應用。由于永磁同步電機效率高，輕量化和高性能等特點，因此得到了船舶綜合電力推進系統(tǒng)供應商青睞，比如船舶電力推進系統(tǒng)三大供應商之一的西門子就開發(fā)

36、出了以永磁同步電機為SPP推進系統(tǒng)。效率較高的永磁同步電機是SPP系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機在混合動力汽車領域的應用。永磁同步電動機是各種電動車驅動電機的發(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就采用了東京電機公司的插入式永磁同步電機作為驅動電機，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機可以達到最大功率50KW，最高轉速 1300r/min。歐洲許多發(fā)達國家很早就開始了對電動車的研究。在電動車驅動電機的選擇上，不同國家各有側重，英國、法國偏重于永磁無刷直流電機，德國偏重于開關磁阻電機。綜上，永磁電

37、機得到了非常廣泛的應用，遍及航空航天、國防、工農業(yè)生產和日常生活等各個領域。永磁同步電機已成為電機工業(yè)技術的主要發(fā)展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。3.2永磁同步電機數(shù)學模型數(shù)學模型能夠描述實際系統(tǒng)各物理量之間的關系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機的數(shù)學模型認識、分析電機的運動規(guī)律和各變量間的因果或定量關系，是對永磁同步電機進行控制的理論基礎。永磁同步電機的定子與普通勵磁同步電機的定子一樣都是三相對稱繞組。通常按照電動機慣例規(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)學模型及電磁轉矩等特性18-23。為了便于分析，假定：(1)磁路不飽

38、和，電機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應的影響；(3)三相繞組對稱，永久磁鋼的磁場沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內表面均勻連續(xù)分布；(5)驅動二極管和續(xù)流二極管為理想元件；(6)轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉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的定子繞組和普通三相交流感應電機或同步電機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部的磁鏈，普通三相交流感應電機由定子三相電流和轉子電流共同產生；普通同步電機由定

39、子三相繞組與轉子勵磁電流和阻尼繞組電流共同產生；永磁同步電機由定子三相繞組電流和轉子永磁體產生。定子三相繞組電流產生的磁鏈與轉子的位置角有關，其中轉子永磁磁鏈在每相繞組中產生反電動勢。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不僅與三相繞組電流有關，而且與轉子永磁極的勵磁磁場和轉子的位置角有關，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子每極永磁磁鏈。并且定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉子每

40、極永磁磁鏈(3-8)(3-9)(3-10)3.2.3感應電動勢轉子永磁在氣隙中產生的正弦分布磁場，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相繞組軸線等于轉子位置角，在空間的分布可以表示為(3-11)或者 (3-12)當永磁磁極旋轉，轉子位置角隨時間變化時，由式(3-12)可知，轉子永磁磁場是一個幅值恒定不變、幅值位置=隨轉子永磁磁極位置變化的圓形旋轉磁場，旋轉磁場的幅值在空間的轉速等于轉子轉速。對每一相定子電樞繞組來說，旋轉的圓形旋轉磁場會在繞組中感應電勢，稱為運動電勢。由于圓形旋轉磁場對于空間任意一點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磁

41、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，轉子圓形旋轉磁場相當于是兩個正交的脈振磁場的疊加20-23，如圖3-2所示：該圓形旋轉磁場從定子上觀測，相當于一個同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) (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相繞組中產生的感應電勢也是等于0。而與繞組軸線重合的脈振磁場則產生感應電勢。根據(jù)電磁感應定律，可以得到A相繞組由轉子永磁磁場引起的感應電勢為 (3-15)圖3-2 圓形磁場與

42、脈振磁場其中轉子旋轉的電角速度等于轉子位置角的微分 (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相繞組中由轉子永磁磁場產生的感應電勢分別為 (3-19) (3-20)三相繞組感應電勢也可以用統(tǒng)一的表達式，即 (3-21)由式(3-21)可知，永磁磁場在定子電樞繞組中產生的感應電勢的幅值為，它不僅與轉子的轉速成正比，還與轉子永磁磁場與定子電樞繞組匝鏈的磁鏈成正比。3.3坐標變換對于三相永磁同步電機來說，它是一個具有多變量、解耦合及非線性的復雜系統(tǒng)，要想對它進行直接的控制是十分困難的，因此借助于坐標變換，將它解耦，使各物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標

43、系，此時，同步坐標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矩分量變成標量獨立開來，對這些給定量實時控制，就能達到直流電機的控制性能了。3.3.1三相靜止坐標系(A-B-C軸系)三相永磁同步電機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，構成了一個A-B-C三相坐標系，如圖3-3所示?？臻g矢量在三個坐標軸上的投影分別為、，代表該矢量在三個繞組上的分量18-23。圖3-3 三相靜止坐標系3.3.2兩相靜止坐標系(-軸系)定義一個兩相直角坐標系(-軸系)，它的軸和三相靜止坐標系的A軸重合，軸逆時針超前軸90°空間電角度，

44、如圖3-4，圖中V、V為矢量在-坐標系的投影。由于軸固定在定子A相繞組軸線，故-坐標系亦為靜止坐標系。3.3.3兩相旋轉坐標系(d-q軸系)兩相旋轉坐標系固定在轉子上，其d軸位于轉子磁極軸線，q軸逆時針超前d軸90°空間電角度，如圖3-4所示，該坐標系和轉子一起在空間上以轉子角速度旋轉，故為旋轉坐標系。圖3-4 兩相靜止坐標系3.3.4三相靜止坐標系與兩相靜止坐標系間的變換(3s/2s)在三相靜止坐標系中，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，)

45、 (3-23)分離實部和虛部，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)。當然，也可以由兩相靜止坐標變換為三相靜止坐標，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，上式右邊矩陣前加系數(shù)。3.3.5兩相靜止坐標系與兩相旋轉坐標系間的變換(2s/2r)設旋轉坐標系d軸與兩相靜止坐標系軸的夾角為，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p

46、ark反變換。3.4永磁同步電機在各個坐標系下的數(shù)學模型3.4.1永磁同步電機A-B-C坐標系下數(shù)學模型三相永磁同步電機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，定子繞組內部的磁鏈由定子三相電流和轉子永磁體產生。定子三相繞組電流產生的磁鏈與轉子的位置角有關，其中轉子永磁磁鏈在每相繞組中產生反電動勢。永磁同步電機三相集中繞組分別為A、B、C，各相繞組的中心線在與轉子軸垂直的平面上，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為轉子上安裝的永磁磁鋼的磁場方向，轉子上無任何線圈。電機以角速度順時針方向旋轉，其

47、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，三相繞組在空間上呈對稱分布，并且通入三相繞組中的電流也是對稱的，則有：(3-33)其中：為轉子永磁體磁鏈的幅值，對于特定永磁同步電機，值為常數(shù)；設有，則式(3-31)可寫為： (3-34)從式(3-31)可以看出，永磁同步電機在三相靜止坐標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

48、。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-坐標系下數(shù)學模型永磁同步電機由于定子產生的磁場和轉子產生的磁場相互作用，使得電機能夠產生轉矩做功。為了使交流電機達到與直流電機一樣的控制效果，我們利用磁場等效的觀念對電機的模型進行化簡，將三相繞組上的電壓方程轉化為兩相繞組上的電壓方程，即可像控制直流電機那樣，實現(xiàn)對負載電流和勵磁電流分別進行獨立控制，并且使他們的磁場在空間位置上也能相差90°角度。圖3-6PMSM兩相繞組當三相繞組A、B、C通入三相平衡電流、(相位相差120°，)時，在空間就會產生一個圓形旋轉磁場。若兩相繞組、，其在空間相差9

49、0°，當通入兩相平衡電流、(相位相差90°)時也產生一個圓形旋轉磁場，且與三相繞組產生的磁場具有完全相同的特點，那么這兩個磁場是等效的20-23。利用這個原理，把式(3-34)進行變換。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為繞組上產生的磁勢，下同)，超前90°角度，那么三相繞組在氣隙中產生的總磁勢就可以由兩相繞組、等效產生，即： (3-35)(N2、N3為不同坐標系下繞組的匝數(shù))利用式(3-26)就可以得到兩相坐標系下永磁同步電機的數(shù)學模型： (3-36)其中：、為-坐標系下定子電壓、電流；、為-坐標系下定子電阻、電

50、感。轉矩方程：(為電機極對數(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d-q坐標系下數(shù)學模型利用磁場等效的觀點，我們把三相永磁同步電機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，但是從轉矩方程式(3-37)可以看出輸出的電磁轉矩與電流、以及有關，要實現(xiàn)電機輸出轉矩的控制就必須控制、的頻率、幅值及相位，這樣電機控制仍然很不方便。為了便于控制，還必須同樣的用磁場等效的觀點把-坐標系下的數(shù)學模型變換為d-q坐標系下的數(shù)學模型20-23。如前述一樣，利用一個旋轉體來建立一個旋轉磁場。在旋轉體上放置兩個直

51、流繞組，并通入直流電，再讓旋轉體旋轉就可得到一個圓形的旋轉磁場，若該旋轉磁場的特性與前述旋轉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的轉子及其d-q坐標系。由于旋轉磁場的等效，可以進一步把-坐標系下的電機數(shù)學模型變換為旋轉坐標系(d-q)下的電機數(shù)學模型。即有： (3-38) (N2、N4為對應繞組匝數(shù))圖3-7 PMSMd-q坐標系按照3.3.3節(jié)建立d-q坐標系，如圖3-7，d-q軸的旋轉角頻率為，d軸與軸的初始位置角為，選取d軸與轉子主磁通方向一致，即，由式(3-29)和式(3-36)，可得到d-q坐標系下永磁同步電機的數(shù)學模型： (3-39)其中：、為d-q坐標

52、系下定子電壓、電流；、為-坐標系下定子等效電感。 將式(3-39)轉化為電流形式： (3-40)磁鏈方程： (3-41)轉矩方程： (3-42)運動方程： (3-43)其中：為電機負載轉矩；為電機阻尼系數(shù)；為電機轉動慣量。其他方程： (3-44) (3-45)由式(3-40)可知，在d-q坐標下對永磁同步電機的控制只需對、進行控制即可，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)知電機的電磁轉矩只與有關，即控制的大小即可實現(xiàn)對轉矩的控制。另外，對于永磁同步電機，和通常相差不大，因此可以近似認為。3.5本章小結本章節(jié)介紹了永磁同步電機的分

53、類、結構及特點，并給出永磁同步電機分析中進行等效變換時用到的三種坐標系：三相定子坐標系(A-B-C)、兩相定子坐標系(-)、兩相轉子坐標系(d-q)；從三相定子坐標系出發(fā)，建立永磁同步電機的數(shù)學模型，利用坐標系間的變換關系，導出-坐標系及d-q坐標系下永磁同步電機的數(shù)學模型，重點介紹了d-q坐標系下的數(shù)學模型，最后給出了其運動方程。為后續(xù)章節(jié)研究永磁同步電機仿真技術奠定了理論基礎。第4章 永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)4.1永磁同步電機的控制策略及仿真4.1.1矢量控制(SVPWM)矢量控制的核心思想是將電機的三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標變換變成以轉子磁鏈定向的兩相參考坐標系，參照直流電機的控制思想

54、，完成電機轉矩的控制。磁場定向矢量控制的優(yōu)點是有良好的轉矩響應，精確的速度控制，零速時可實現(xiàn)全負載。但是，矢量控制系統(tǒng)需要確定轉子磁鏈，要進行坐標變換，運算量很大，而且還要考慮電機轉子參數(shù)變動的影響，使得系統(tǒng)比較復雜，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BLASHKE等人針對異步電動機提出的，其基本思想源于對直流電機的嚴格模擬。直流電機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到控制電機轉矩的目的。在永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中，轉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子角頻率。他勵直流電動機中，勵磁磁場和電樞磁通勢間

55、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，當勵磁不變時，電樞電流和電磁轉矩間存在著線性關系。通過調節(jié)電樞電流就可以直接控制電磁轉矩的大小。另外，為使電動機在高速區(qū)能以恒功率方式運行，還可以單獨調節(jié)勵磁，進行弱磁控制。正是因為在很寬的運行范圍內都能夠提供可控轉矩，所以直流電機才得以在電氣傳動領域中得到廣泛應用。在同步電動機中，勵磁磁場與電樞磁動勢間的空間角度不是固定的，是隨負載而變化，尤其在動態(tài)情況下，將會引起磁場間十分復雜的作用關系，因此就不能簡單地通過調節(jié)定子電流來控制轉矩。利用電機外部的控制系統(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行獨立的直接控制，就將永磁同步電機模擬為他勵直流電動機。這實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。直接轉矩控制(DTC)它通過對定子磁鏈定向，實現(xiàn)對定子磁鏈和轉矩的直接控制。其控制思想是通過實時檢測電機轉矩和磁鏈的幅值，分別與轉矩和磁鏈的給定值比較，由轉矩和磁鏈調節(jié)器直接從一個離線計算的開關表中選擇合適的定子電壓空間矢量，進而控制逆變器的功率開關的狀態(tài)