畢業(yè)設(shè)計基于空間矢量控制的永磁同步電機的研究

1、目 錄摘 要IIIABSTRACTIV第一章 緒論11.1 課題研究的背景11.2 永磁交流伺服系統(tǒng)控制理論的發(fā)展11.3 永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。21.4 論文研究的主要內(nèi)容3第二章 永磁同步電機的矢量控制原理42.1 永磁同步電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類42.2 電機控制中用到的坐標系4系統(tǒng)中的坐標系5由三項平面坐標系向兩相平面坐標系（Clarke變換）6兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系變換（Park變換）7永磁同步電機dq軸數(shù)學模型82.3 轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制理論92.4 同步電機的矢量控制10第三章PMSM控制系統(tǒng)的MATLAB仿真133.1 MATLAB動態(tài)仿真工具SlMUL

2、INK簡介133.2 永磁同步電機仿真模型的建立13逆變器14空間矢量PWM發(fā)生模塊的建立18判斷電壓矢量所屬的扇區(qū)及仿真實現(xiàn)18計算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真實現(xiàn)19計算開關(guān)作用時間21生成PWM波形21基于SVPWM的永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型223.3：雙閉環(huán)仿真系統(tǒng)的建立和控制器參數(shù)調(diào)整23雙閉環(huán)仿真系統(tǒng)的建立23仿真結(jié)果25第四章 結(jié)束語27工作總結(jié)及評價27致 謝28參考文獻:29摘 要本文研究的是通過電壓空間矢量控制永磁同步電機系統(tǒng)，在PID控制策略下改善永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩性能,用MATLABSIMULINK建立了永磁同步電機電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)矢量控制仿真模型。在模型建立

3、后，由于PID控制由于算法簡單、可靠性高，廣泛應(yīng)用于控制過程中。因此本文采用的是PID控制，并應(yīng)用電壓矢量控制SVPWM控制實現(xiàn)對永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩，使其擁有直流電機的性能。仿真結(jié)果表明空間電壓矢量控制可以使永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩可控制并達到穩(wěn)定，并產(chǎn)生三相穩(wěn)定電流。所有這些工作闡明了永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的原理、方法和性能，對今后研究永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)和提高系統(tǒng)的性能具有參考意義。關(guān)鍵詞：永磁同步電機；PID控制；MATLAB仿真/SIMULINK； AbstractThis paper studies the voltage space vector control by perman

4、ent magnet synchronous motor system , with the PID control strategy for permanent magnet synchronous motor torque performance, using MATLAB / SIMULINK to establish a permanent magnet synchronous motor current speed double closed loop vector control model. In the model, the choice of which control al

5、gorithm is also very important, because the PID control algorithm is simple, high reliability, widely used in the control process. So this article uses a PID control to achieve the SVPWM control of permanent magnet synchronous motor torque to have a DC motor torque control performanceAll these work

6、illuminates principle, method and properties of the permanent magnet synchronous motor vector control system, as a reference for the future research permanent magnet synchronous motor vector control system and improving the performance of the systemKeywords: Permanent magnet synchronous motor; PID c

7、ontrol;第一章 緒論1.1 課題研究的背景隨著電動機在社會生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，電機研究成為必不可少的研究課題。電動機是生產(chǎn)和生活中最常見的設(shè)備之一，電動機一般分為直流電動機和交流電動機兩大類。交流電動機的誕生已經(jīng)有一百多年的歷史。交流電動機又分為同步電動機和感應(yīng)(異步)電動機兩大類。直流電動機的轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，在額定轉(zhuǎn)速以下，保持勵磁電流恒定，通過改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，保持電樞電壓恒定，可用改變勵磁的方法實現(xiàn)恒功率調(diào)速?！?】20世紀80年代以前，在變速傳動領(lǐng)域，直流調(diào)速一直占據(jù)主導電位。隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展使交流電機的應(yīng)用更加廣泛，但是其轉(zhuǎn)矩控制性能卻不

8、如直流電機。因此如何使交流電機的靜態(tài)控制性能與直流系統(tǒng)相媲美，一直是交流電機的研究方向。1.2 永磁交流伺服系統(tǒng)控制理論的發(fā)展交流調(diào)速理論包括矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。1971年，由FBlaschke提出的矢量控制理論第一次使交流電機控制理論獲得了質(zhì)的飛躍。矢量控制采用了矢量變換的方法，通過把交流電機的磁通與轉(zhuǎn)矩的控制解耦使交流電機的控制類似于直流電動機。矢量控制方法在實現(xiàn)過程中需要復雜的坐標變換，而且對電機的參數(shù)依賴性較大。直接轉(zhuǎn)矩控制是1985年Depenbrock教授在研究異步電機控制方法時提出的。該方法是在定子坐標系下分析交流電機的數(shù)學模型，強調(diào)對電機的轉(zhuǎn)矩進行直接控制，對轉(zhuǎn)矩進行砰一砰

9、控制，無需解耦，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換計算?！?】控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。而且由于它對實時性要求高、計算量大，對控制系統(tǒng)微處理器的性能要求也較高?！?0】【11】矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動機上設(shè)法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。這樣交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了?！?】控制策略的選擇上是PID控制，傳統(tǒng)的數(shù)字PID控制是一種技術(shù)成熟、應(yīng)用最為

10、廣泛的控制算法，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)方便。1.3 永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 永磁交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下：(1)電機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢是永磁同步電機將會取代原有直流有刷伺服電機和步進電機及感應(yīng)電機。因為永磁同步電機相對其他形式的電機有著顯著的優(yōu)勢如：A)永磁同步電機在基速以下不需要勵磁電流，在穩(wěn)定運行時沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，可以顯著提高功率因數(shù)(可達到l甚至容性)；B)永磁同步電動機不設(shè)電刷和滑環(huán)，因此結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性高；c)永磁同步電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多樣，結(jié)構(gòu)靈活，而且不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)往往帶來自身性能上的特點，因而永磁同步電動機可根據(jù)使用需要選擇不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式。而且在相同功率下

11、，永磁同步電動機在比其他形式電動機具有更小的體積?！?2】【】16我國制作永磁電機永磁材料的稀土資源豐富， 1984年7月，我國成為世界上第三個能研制和生產(chǎn)第三代稀土釹鐵硼永磁材料的國家，稀土資占全世界的80以上，發(fā)展永磁電機具有廣闊的前景?！?】【12】(2)高性能控制策略廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)?；诔Ｒ?guī)控制理論設(shè)計的電機控制系統(tǒng)存在缺陷和不足：傳統(tǒng)控制器的設(shè)計通常需要被控對象有非常精確的數(shù)學模型，而永磁電機是一個非線性多變量系統(tǒng)，難以精確的確定其數(shù)學模型，按照近似模型得到的最優(yōu)控制在實際上往往不能保證最優(yōu)，受建模動態(tài)，非線性及其他一些不可預見參數(shù)變化的影響，有時甚至會引起控制品質(zhì)嚴重下降，

12、魯棒性得不到保證?！?】(3)綠色化發(fā)展。由于全球電能的80以上通過電力變換裝置來消耗，作為廣泛使用的電力變換裝置的變頻器，將朝著節(jié)約能源，降低對電網(wǎng)的污染和對環(huán)境的輻射干擾，延長電機使用壽命的綠色化方向發(fā)展。1.4 論文研究的主要內(nèi)容本課題研究永磁同步電機矢量控制，首先給出了矢量控制中用到的坐標變換以及本文所設(shè)計系統(tǒng)的原理圖，其次建立永磁同步電機的數(shù)學模型，給出了本驅(qū)動器中采用的電壓空間矢量脈寬調(diào)制(簡稱SVPWM)方法的數(shù)學模型，最后利用MATLAB仿真軟件對系統(tǒng)進行仿真。1詳細分析了永磁同步電機的數(shù)學模型，通過對數(shù)學模型的分析，明確了永磁同步電機的電磁約束關(guān)系，為分析永磁同步電機的運動規(guī)

13、律和研究高性能的控制決策提供理論基礎(chǔ)。2在分析數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，建立了永磁同步電機的矢量控制系統(tǒng)，論述了矢量控制的實現(xiàn)方法。3SVPWM的產(chǎn)生是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵，詳細分析了SVPWM的原理以及實現(xiàn)方法。4對整個系統(tǒng)進行了仿真，在MATLAB中建立了基于SVPWM的永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型。第二章 永磁同步電機的矢量控制原理2.1 永磁同步電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和種類1)永磁同步電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)永磁同步電動機由定子，轉(zhuǎn)子和外殼等部件組成。其中定子由定子鐵心(由沖槽孔的硅鋼疊壓而成)、定子繞組(在鐵心槽中嵌放三相繞組)構(gòu)成。定子和普通感應(yīng)電動機基本相同，也是采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機運行時的鐵耗。轉(zhuǎn)子

14、通常由軸、永久磁鋼及磁軛組成，其主要作用是在電動機氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁場強度，與通電后的定子繞組相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動自身的運轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子鐵心可以做成實心的，也可以用疊片疊壓而成。轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，轉(zhuǎn)子鐵心上可以有電樞繞組。為了減少電動機的雜散損耗，定子繞組通常采用星形接法?！?】【2】2)永磁同步電機的種類永磁同步電動機分類方法較多：按工作主磁場原理方向的不同，可分為徑向磁場式和軸向磁場式；按電樞繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；按轉(zhuǎn)子上有無啟動繞組，可分為無啟動繞組的電動機和有啟動繞組的電動機(又稱為異步啟動永磁同步電動機)；根據(jù)極對數(shù)的不同，永磁同步電機可分為單極和多極；根據(jù)磁通分布或

15、反電動勢波形，可分為永磁無刷直流電動機和永磁同步電動機。永磁同步電動機中沒有包含有高次諧波，渦流和磁滯損耗減少，電機效率增加。永磁同步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動低于永磁無刷直流電動機，主要原因是永磁同步電動機不存在相間換流時的沖擊電流?！?】【10】2.2 電機控制中用到的坐標系交流電機的數(shù)學模型具有高階次，多變量耦合，非線性等特征，難以直接應(yīng)用于系統(tǒng)的設(shè)計和控制，與直流電機單變量，自然解耦和線性的數(shù)學模型相比較，交流電機顯得異常復雜。因此需要通過適當?shù)霓D(zhuǎn)換，將交流電機的控制變換為類似直流電機的控制將大大簡化交流電機控制的復雜程度?！?2】永磁同步電機矢量控制的基本思想是把交流電機當成直流電機來控制

16、,即模擬直流電機的控制特點進行永磁同步電機的控制。為簡化感應(yīng)電機模型,可將電機三相繞組電流產(chǎn)生的磁動勢按平面矢量的疊加原理進行合成和分解,使得能夠用兩相正交繞組來等效實際電動機的三相繞組。由于兩相繞組的正交性,變量之間的耦合大大減小?！?3】系統(tǒng)中的坐標系1)三相定子坐標系(坐標系)其中三相交流電機繞組軸線分別為，彼此之間互差120度空間電角度，構(gòu)成了一個UVW三相坐標系?？臻g任意一矢量在三個坐標上的投影代表了該矢量在三個繞組上的分量。2)兩相定子坐標系(坐標系)兩相對稱繞組通以兩相對稱電流也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。對于空間的任意一矢量，數(shù)學描述時習慣采用兩相直角坐標系來描述，所以定義一個兩相靜止坐標

17、系，即坐標系，它的軸和三相定子坐標系的A軸重合，軸逆時針超前軸90度空間電角度。由于軸固定在定子A相繞組軸線上，所以坐標系也是靜止坐標系。3)轉(zhuǎn)子坐標系(dq坐標系)轉(zhuǎn)子坐標系d軸位于轉(zhuǎn)子磁鏈軸線上，q軸逆時針超前d軸90度空間電角度，該坐標系和轉(zhuǎn)子一起在空間上以轉(zhuǎn)子角速度旋轉(zhuǎn)，故為旋轉(zhuǎn)坐標系。對于同步電動機，d軸是轉(zhuǎn)子磁極的軸線。矢量控制中用到的變換有:將三相平面坐標系向兩相平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換(Clarke變換)和將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系的變換(Park變換)。由三項平面坐標系向兩相平面坐標系（Clarke變換）三相同步電動機的集中繞組U、V、W的軸線在與轉(zhuǎn)子垂直的平面分布

18、如上圖所示，軸線依次相差120°，可將每相繞組在氣隙中產(chǎn)生的磁勢分別記為：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不會在軸向上產(chǎn)生分量，所以可以把氣隙內(nèi)的磁場簡化為一個二維的平面場。簡單起見，可以U為軸，由起逆時針旋轉(zhuǎn)90°作軸，建立起二維坐標系，用此兩相坐標系（）產(chǎn)生的磁動勢來等效三相靜止坐標系（uvw）產(chǎn)生的磁動勢.【22】【24】如圖2-1 圖2-1 clarke變換用F來表示三相繞組所產(chǎn)生的總磁動勢，F(xiàn),F分別表示，軸上的集中繞組所產(chǎn)生的磁動勢，則三相繞組在氣隙中產(chǎn)生F可以由，兩相繞組來等效產(chǎn)生，所以可得（2-1）關(guān)系式：（2-1） N2為兩相繞組，的匝數(shù)，N3為三相

19、繞組u、v、w的匝數(shù)。根據(jù)上式可以得到電流的變化矩陣：（2-2） 滿足功率不變的變換時，應(yīng)有： （2-3） 所以可得由U,V,W到轉(zhuǎn)換的（2-4）公式所示：（2-4）由到U，V，W變換的（2-5）公式所示：（2-5）兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系變換（Park變換）經(jīng)過Clarke變換后的到得坐標系是靜止的，所表示的電流仍然是交流電流，與直流電動機相比還有很大的差別，因此仍然需要進一步變換。為模擬直流電動機的電樞磁動勢與主磁場相互垂直，可以建立如下圖所示的dq繞組模型。圖中d,q垂直，分別通以直流電流Id,Iq，產(chǎn)生的合成磁勢對繞組來說是固定的，但是如果讓整個坐標系以電機的同步速旋轉(zhuǎn)，

20、就可以等效為三相繞組uvw產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢，從而達到等效變換的效果?！?】【6】 從兩廂靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換如圖2-2所示：圖2-2 park變換根據(jù)磁動勢等效的原則（2-6） 式中N4是dq軸上繞組的匝數(shù)。滿足功率不變是時應(yīng)有N2=N4，所以可得坐標系向dq坐標系變換的矩陣為：（2-7）取反變換后可以得到dq軸坐標系向坐標系轉(zhuǎn)換的矩陣為：（2-8） 永磁同步電機dq軸數(shù)學模型永磁同步電機是由電磁式同步電動機發(fā)展而來，它用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷，而定子與電磁式同步電機基本相同。永磁同步電機在dq坐標系的數(shù)學模型描述如下：模型的建立基于下面的假設(shè)：1忽略電

21、機鐵心的飽和；2不計電機中的渦流和磁滯損耗：3電機電流為對稱的三相正弦電流(即只考慮電流基波)。在永磁同步電機中，建立固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標，取磁極軸線為d軸，順著旋轉(zhuǎn)方向超前90。電角度為q軸，以a相繞組軸線為參考軸線，d軸與參考軸之間的電角度為，如圖2-3所示。圖2-3 永磁同步電機dq軸模型2.3 轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制理論矢量控制的基本概念1971年，德國學者Blaschke和Hasse提出了交流電動機的矢量控制(Transvector contr01)理論，它是電動機控制理論的第一次質(zhì)的飛躍，解決了交流電機的調(diào)速問題，使得交流電機的控制跟直流電機控制一樣的方便可行，并且可以獲得與直流調(diào)速

22、系統(tǒng)相媲美的動態(tài)功能。其基本思想是在普通的三相交流電動機上設(shè)法模擬直流電動機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)?！?5】【19】交流電機的矢量控制使轉(zhuǎn)矩和磁通的控制實現(xiàn)解耦。所謂解耦指的是控制轉(zhuǎn)矩時不影響磁通的大小，控制磁通時不影響轉(zhuǎn)矩。這樣交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制是通過對兩個電流分量的分別控制實現(xiàn)的。根據(jù)電機方程所確定的電磁關(guān)系，一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對應(yīng)于一定的id和iq

23、，通過對這兩個電流的控制，跟蹤相應(yīng)的給定值，便實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。而且由于位于d，q軸的電流分量相互正交，使對轉(zhuǎn)矩的控制和對磁場的控制實現(xiàn)了解耦，因此便于實現(xiàn)各種先進的控制策略?！?2】【15】【25】對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子磁鏈位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制大大簡化。當id=0時，從電機端口看，永磁同步電機相當于一臺他勵直流電機。定子電流中只有q軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空問矢量正交，在一定的定子電流幅值下能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩。2.4 同步電機的矢量控制電壓空間矢量PWM技術(shù)三

24、相電動機由三相對稱正弦交流電源供電時（2-7） 該式說明，當磁鏈幅值一定時,U的大小與成正比，或者說供電電壓與頻率成正比，其方向是磁鏈軌跡方向的切線方向。當磁鏈矢量在空間旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運動2弧度，其運動軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運動軌跡的形狀問題來討論。電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。經(jīng)典的SPWM控制目的是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波，而電流波形會受到負載電路參數(shù)的影響，并且電壓利用率較低。為此提出了電壓空間矢量PWM(SVPWM)技術(shù)。SVPWM也稱作磁鏈軌跡法，從原理上講，把電動機與PWM

25、逆變器看作一體，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，當電機通以三相對稱正弦電壓時，交流電機內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈，SVPWM以此圓形磁鏈為基準，通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近基準圓，即用多邊形來逼近圓形?！?3】【24】SVPWM法則由三相逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量去逼近基準磁鏈圓，并由它們比較的結(jié)果決定逆變器的開關(guān)狀態(tài)，形成PWM波形。該控制方法具有開關(guān)損耗小、電機轉(zhuǎn)矩脈動低、電流波形畸變小、直流電壓利用率提高的優(yōu)點。SVPWM采用id=0的轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制后，此時電動機轉(zhuǎn)矩和電流iq呈線性關(guān)系，只要對iq進行控制就可以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的 。并且，在表面式永

26、磁同步電機中，保持id=0可以保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。因此只要能準確地檢測出轉(zhuǎn)子位置(d軸)，使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上，那么，只要控制定子電流的幅值，就能很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩，這和直流電動機的控制原理類似。本控制系統(tǒng)采用的是令id=0，此時轉(zhuǎn)矩和iq成線性關(guān)系，只要控制iq即可達到對轉(zhuǎn)矩的控制，其矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖如下：圖2-4 矢量控制同步電機結(jié)構(gòu)圖矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實施仍然是落實到對定子電流(交流量)的控制上。由于在定子側(cè)的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算都不是

27、很方便。因此，需要借助于坐標變換，使得各個物理量從靜止坐標系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各個空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各個分量之間的關(guān)系，實時的計算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。按照這些給定量進行實時控制，就可以達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給

28、定值。 【17】【22】第三章PMSM控制系統(tǒng)的MATLAB仿真3.1 MATLAB動態(tài)仿真工具SlMULINK簡介MATLAB是由Math Works公司開發(fā)的一種主要用于數(shù)值計算及可視化圖形處理的高科技計算語言。它將數(shù)值分析、矩陣計算、圖形處理和仿真等諸多強大功能集成在一個極易使用的交互式環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的許多科學提供了一種高效率的編程工具，集科學計算、自動控制、信號處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等于一體?！?】【13】在MATLAB中，SIMULINK是一個比較特別的工具箱，它具有兩個顯著的功能：SMU(仿真)與LINK(鏈接)，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的個

29、集成環(huán)境。它支持連續(xù)、離散或兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。SIMULINK為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形接口，具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點1321利用MATLABSimulink進行系統(tǒng)的輔助設(shè)計，在可以做出實際系統(tǒng)之前，預先對系統(tǒng)進行仿真和分析，并可以做適當?shù)膶崟r修正，增強系統(tǒng)的性能，減少系統(tǒng)反修改的時間，實現(xiàn)有效開發(fā)系統(tǒng)的目的。在Simulink library brower中列出了各模塊的目錄，其中主要模塊有Source源模塊，Sink顯示和輸出模塊，Continuous連續(xù)性函數(shù)模塊，Nonlinear非線性函數(shù)模塊，Signal Systems信號

30、系統(tǒng)函數(shù)模塊等口。3.2 永磁同步電機仿真模型的建立為建立永磁同步電機矢量控制的系統(tǒng)仿真模型，首先需要一個比較準確反映電機特性的電機模型。在SIMULINK中己經(jīng)提供了一個永磁同步電機的仿真模塊，它封裝了電機的主要電壓方程和機械方程?！?】【10】在本仿真系統(tǒng)里，使用的是MATLABSIMULINK提供的永磁同步電動機模型。逆變器典型的三相逆變器一交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所示，SVPWM控制的主電路是VT1到VT6六個功率晶體管IGBT組成的三相逆變器。VT1一vT6六個功率晶體管分別由PWM1PWM6信號控制。當同一橋臂的上IGBT處于導通時，下一IGBT處于關(guān)閉狀態(tài)。圖3-1 逆變器如把上

31、橋臂器件導通用數(shù)字1表示，下橋臂器件導通用數(shù)字0表示，a，b，c分別代表3個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)三組橋臂的通斷，則共有8個可能的開關(guān)狀,則上述8種工作狀態(tài)若用abc的組合可表示為000、001、010、011、100、101、110、111共八種開關(guān)模擬狀態(tài)。其中下橋臂全部導通000或上橋臂全部導通111狀態(tài)表示電機三相同時接到電源的正極或負極，電機的端電壓實際為零，所以這種開關(guān)狀態(tài)稱為零狀態(tài)2324.即可以產(chǎn)生六個有效向量U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)(也稱6個基本空間矢量)和兩個零矢U0(000)，U111)，逆變器每個開關(guān)狀

32、態(tài)產(chǎn)生一個電壓開關(guān)矢，空間電壓矢量如下圖：圖3-2 空間電壓矢量圖對于任意空間合成向量是由相鄰的兩個基本空間矢量各自所占的時間來確定，如下例子中位于第一扇區(qū)Uout大小和角度由U4和U6這兩個先后出現(xiàn)的矢量及零矢量各自所占的時間來確定：（3-1）同時將Uout分解為平面上的兩個空間矢量U和U，并考慮到功率不變條件下坐標變換雖然有變換前后兩個系統(tǒng)功率不變的優(yōu)點，但由于三相系統(tǒng)與二相系統(tǒng)的繞組匝數(shù)不等，應(yīng)用空間矢量計算應(yīng)把它再各相坐標軸上的投影在乘以 即可得到（3-2）可推導得到（3-3）SVPWM調(diào)制模式采用連續(xù)開關(guān)調(diào)制模式。每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只切換一個功率開關(guān)器件，以減少開關(guān)損耗。它由3段零

33、矢量和4段相鄰的兩個非零矢量組成，3段零矢量分別位于PWM波的開始，中間和結(jié)尾。開關(guān)順序為：U0(000)，U4(100)，U6(110)，U7(111)，U6(110)，U4(100)，U0(000)。作用時間依次為：T04，T42，T62，T02，T62，T42，T04。上述方法可推廣到其它5個扇區(qū)圖3-3 電壓合成矢量在第扇區(qū)分解圖可以推導出三相逆變器輸出地線電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)a,b,c的關(guān)系為：（3-4）三相逆變器輸出地相電壓矢量與開關(guān)狀態(tài)的a,b,c的關(guān)系如下所示：（3-5）根據(jù)以上兩式可得下表3-1：表3-1開關(guān)狀態(tài)和相電壓和線電壓的關(guān)系根據(jù)三相坐標系向兩相坐標系轉(zhuǎn)換的公式，可以確

34、定各基本矢量在坐標系下所對應(yīng)的分量如（3-5）所示：（3-6）表3-2 開關(guān)狀態(tài)與相電壓在（）坐標系中分量的關(guān)系根據(jù)表3-2所得數(shù)據(jù)，我們可以用空間電壓矢量來表示逆變器三相輸出電壓的各種狀態(tài)，逆變器輸出地8個基本電壓矢量組成一個六邊形，將整個空間劃分為六個區(qū)域，其中有兩個位于原點的零矢量，六個不同方向的電壓空間矢量，它們周期性地順序出現(xiàn)，相鄰兩個矢量之間相差60°，電壓空間矢量幅值不變。從一個電壓矢量旋轉(zhuǎn)到了另一個電壓矢量時，只能有一個橋臂的開關(guān)動作。在相鄰兩個基本電壓矢量之間的任意電壓矢量，都可以由這兩個基本矢量合成，所以通過8種電壓矢量不同的線性組合，就可以得到更多的與基本空間矢

35、量相位不同的電壓空間矢量，最終構(gòu)成一組等幅不同相的電壓矢量疊加形成盡可能逼近圓形旋轉(zhuǎn)場的磁鏈圓。1824空間矢量PWM發(fā)生模塊的建立在建立了電機的仿真模型之后，我們還需要一些相關(guān)的運算模塊來建立仿真系統(tǒng)。這其中非常重要的是空間矢量PWM發(fā)生模塊，它根據(jù)電流環(huán)輸出的id和iq以及當前的轉(zhuǎn)子位置角度值輸出6路PWM波，控制主橋臂6路IGBT的通斷。判斷電壓矢量所屬的扇區(qū)及仿真實現(xiàn)判斷電壓矢量所在的扇區(qū)是非常重要的一部分，只有確定了所在的扇區(qū)才能知道輸出電壓矢量可以由哪兩個基本電壓矢量合成?？梢杂幸韵路椒ㄅ袛嗌葏^(qū)號：（3-7）令（3-9）（3-8）其中U,U分別為合成電壓矢量在坐標系中對應(yīng)在軸和軸上

36、的電壓分量。定義a，b，c，N四個量，其中P代表扇區(qū)號，當B00時，a=1，否則a=0；當B10時b=1，否則為b=0；當B20時，c=1，否則為c=0.設(shè)N=a+2b+4c.由此就可以得出扇區(qū)號判斷的仿真圖3-4：圖3-4 扇區(qū)判斷計算X,Y,Z，T1和T2，以及其仿真實現(xiàn) 由推導可得：（3-10） 對于不同扇區(qū)中的T1，T2按下表取值，為了保證正確還要對T1，T2進行表3-3 飽和判斷：T1+T2T時，T1=T*T1/(T1+T2) ,T2=T*T2/(T1+T2)。不同扇區(qū)T1,T2值與X,Y,Z的對應(yīng)關(guān)系表扇區(qū)123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-Z根據(jù)以上公式，以及表

37、1可以得到X，Y，Z，T1，T2的仿真實現(xiàn)圖 圖3-5 X Y Z 判斷圖3-6 計算T1 T2 計算開關(guān)作用時間圖3-7 開關(guān)作用時間 生成PWM波形PWM波形發(fā)生模塊的作用是產(chǎn)生6路PWM波形，控制6個IGBT的開關(guān)?？梢岳肨cm1,Tcm2,Tcm3和等腰三角波進行比較,就可以生成對稱空間矢量PWM波形，其中2，4，6路輸出分別是1，3，5路輸出的反相，所以，只要確定1，3，5路的波形，整個波形就確定了圖3-5開關(guān)作用時間 基于SVPWM的永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型在SVPWM模塊的基礎(chǔ)上，結(jié)合PMSM模塊、逆變器模塊、電機測量模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊、坐標變換模塊等就構(gòu)成了基于SVP

38、WM的永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型。模型如圖37所示。圖3-7 系統(tǒng)仿真圖3.3：雙閉環(huán)仿真系統(tǒng)的建立和控制器參數(shù)調(diào)整雙閉環(huán)仿真系統(tǒng)的建立依據(jù)前述為永磁同步電機系統(tǒng)仿真所建立的各個模塊的輸入輸出關(guān)系，可以根據(jù)雙環(huán)矢量控制的原理構(gòu)建系統(tǒng)的仿真模型。其中所謂雙環(huán)是指內(nèi)部的電機電流PI調(diào)節(jié)反饋控制環(huán)路和外部的電機速度PI反饋控制環(huán)路。20選擇電流作為控制變量的基本原因是，在磁場定向控制時，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通解耦后直接受控于定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁鏈分量，通過控制電流就可以有效地控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈。圖37中是雙閉環(huán)矢量控制仿真模型的系統(tǒng)框圖，其中電流環(huán)的反饋包含有轉(zhuǎn)子位置的反饋。速度環(huán)反饋包含轉(zhuǎn)子速度的反饋。

39、所以變量都取國際標準單位，所有速度單位都是電角速度。電機參數(shù)功率0.75Kw，額定轉(zhuǎn)矩2.4Nm 轉(zhuǎn)矩常數(shù)0.571Nm/Arms，相繞組電感6.552mH，相繞組電阻0.901，極對數(shù)為4。給定速度2000r/min，在t=0時加入負載為2.4N.m，系統(tǒng)的PWM周期為Ts=0.00007s, 母線電壓為Udc=310V。參數(shù)調(diào)節(jié)總結(jié)如下：1)比例系數(shù)Kp作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。2124Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此Kp不能取的過大；如果Kp取值較小，則會降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)動、靜態(tài)特性變壞。2

40、)積分環(huán)節(jié)作用系數(shù)Ki的作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。2124Ki越大，積分速度越快，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除越快；但Ki過大，在響應(yīng)過程的初期以及系統(tǒng)在過渡過程中會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程出現(xiàn)較大的超調(diào)，使動態(tài)性能變差；若Ki過小，使積分作用變?nèi)?，使系統(tǒng)的靜差難以消除，使過渡過程時間加長，不能較快的達到穩(wěn)定狀態(tài)，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和動態(tài)特性。被控電機的參數(shù)與其控制性能關(guān)系不大，所以具有一定通用性。圖3-8 參數(shù)調(diào)整的流程圖經(jīng)過調(diào)試可以得到速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：Kp=0.01,Ki=1。d軸電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp=60，Ki=20。q軸電流調(diào)節(jié)器參數(shù)：Kp=60，Ki=20。仿真結(jié)果在調(diào)整好參數(shù)后

41、，永磁同步電機仿真系統(tǒng)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)見圖39。仿真時給定速度為2000rads，負載開始為2Nm，在時刻0015秒處轉(zhuǎn)矩跳變達到穩(wěn)定到由圖可見，電機的啟動速度很快，且能準確快速跟蹤給定速度，這些結(jié)果符合預先對控制系統(tǒng)的分析轉(zhuǎn)速wm 三相電流ia ib ic轉(zhuǎn)矩Te本文在分析永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁場定向控制的基礎(chǔ)上，在MATLABSIMULINK環(huán)境下，采用矢量控制與經(jīng)典的速度、電流雙閉環(huán)控制方法建立了永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真實驗結(jié)果表明：波形符合理論分析，系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，并具有較好的靜、動態(tài)特性。第四章 結(jié)束語工作總結(jié)及評價永磁同步電動機作為新一代的控制電機在高性能傳動系統(tǒng)中獲

42、得了越來越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)越的特性和節(jié)能效果使其在一定的功率范圍取代異步電動機和直流電動機?！?1】【12】本人在閱讀文獻基礎(chǔ)上，認識到矢量控制仍然是當前先進伺服系統(tǒng)普遍采用的方法，有著良好的調(diào)速性能。在深入分析研究了永磁同步電機結(jié)構(gòu)特點、數(shù)學模型和矢量控制原理基礎(chǔ)上，作出了基于MATLABSIMULINK的永磁同步電機雙閉環(huán)矢量控制仿真實現(xiàn)，變頻部分是采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制PWM(SVPWM)方法。本系統(tǒng)以永磁同步電機為控制對象，通過對永磁同步電機的數(shù)學模型的分析，建立永磁同步電機磁場電壓矢量控制控制系統(tǒng)。主要包括以下幾項工作：1研究空間電壓矢量控制同步電機的原理2：利用電壓矢量控制建立系

43、統(tǒng)數(shù)學模型3：利用MATLAB仿真軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)問題的模型化及動態(tài)仿真。SVPWM技術(shù)其他技術(shù)相比，主要有以下幾個特點1適合數(shù)字實現(xiàn)；每次開關(guān)切換只涉及到一個功率開關(guān)器件。2采樣時間T的長短決定電機旋轉(zhuǎn)磁場接近圓形的程度，T越小，越逼近圓形，但T的大小和所用功率器件允許開關(guān)頻率有關(guān)。3SVPWM比一般的SPWM直流電壓利用率提高15?！?】【6】參考文獻:【1】 陳伯時電力拖動自動控制系統(tǒng)M機械工業(yè)出版社，2006【2】 李志民，張遇杰同步電動機調(diào)速系統(tǒng)M機械工業(yè)出版社，1996【3】 李永東交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)M機械工業(yè)出版社，2002【4】 龔云飛，富歷新基于Matlab的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真研究J微電機2007【5】 BonGwan Gu、Kwanghee N柚， A Vector Control Scheme for a PM LinearSynchronous Motor in Extended Region， IEEE Transactions on IndustryApplications V0139 pp1280一1287， 2003【6】 肖春燕電壓空間矢量脈寬