畢業(yè)論文-基于MATLAB的永磁同步電機弱磁調(diào)速系統(tǒng)的建模仿真分析

HUNAN畢業(yè)論文論文題目基于MATLAB的永磁同步電機的弱磁調(diào)速的建模與仿真學生姓名學生學號專業(yè)班級電自1103學院名稱電氣與信息工程學院指導老師學院院長2015年5月25日湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第PAGEI頁摘要隨著汽車工業(yè)的發(fā)展與汽車在人們?nèi)粘Ｉ钪械钠占?，傳統(tǒng)汽車所使用的內(nèi)燃機所帶來的能源問題，污染問題也日益嚴重，這使得人們開始尋求可以替代內(nèi)燃機的備用動力供給。永磁同步電機使用電能作為其能量來源，輸出機械能，其工作過程傳與傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，不會排放尾氣，可以滿足人類減少汽車尾氣污染的要求。另一方面，電能來源廣泛，如風能，核能，水電等，可以有效節(jié)約煤礦資源。本文首先對永磁電機的發(fā)展歷史，現(xiàn)狀進行了介紹，并在此基礎(chǔ)之上，說明了與其他種類電機相比，永磁電機在應(yīng)用上的優(yōu)點。隨后通過一系列假設(shè)，建立了永磁同步電機的數(shù)學模型，同時介紹了對應(yīng)的三種常用電流控制方法與電壓空間矢量的調(diào)制方法。其次，本文以永磁同步電機為研究對象，研究了其弱磁調(diào)速的控制原理與方法，從而得出了永磁同步電機在基速下采取MTPA的控制策略，基速以上采取弱磁的控制策略的情況著重進行了分析的控制方案。 最后本文通過MATLAB/simulink仿真工具，搭建了永磁同步電機的弱磁調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型。在仿真平臺中，對電流矢量控制，空間電壓調(diào)制，弱磁控制等理論進行了仿真，并分析了文中所述方法的可行性與正確性。關(guān)鍵詞:永磁同步電機，矢量控制，弱磁，MATLABMATLAB-basedmodelingandsimulationofPMSMFlux-weakeningregulatorsystemAbstractWiththedevelopmentofautomobileindustryandautomobileinpeople'sdailylivespopularity,energyandpollutionproblemsbroughtbythetraditionalvehicleusedinternalcombustionenginehavebecomeincreasinglyserious,whichmakespeoplestartlookingforanalternativebackuppowersupplytotheinternalcombustionengine.Permanentmagnetsynchronousmotorsuseselectricityasitsenergysource,outputsmechanicalenergy,andtransferstheirwork.Comparedwithconventionalinternalcombustionengines,permanentmagnetmotorswillmeethumanrequirementstoreducevehicleexhaustpollution.Ontheotherhand,awiderangeofenergysources,suchaswindenergy,nuclearenergy,hydropower,andetc,cansavecoalresources.Firstly,thedevelopmentofthehistory,currentsituationofpermanentmagnetmotorswereintroduced,andonthisbasis,thethesisshowsthecomparisonwithothertypesofmotors,permanentmagnetmotorsmeritintheapplication.Followedbyaseriesofassumptions,amathematicalmodelofpermanentmagnetsynchronousmotors,alsointroducedthreecommonmodulationmethodcorrespondingcurrentcontrolmethodandvoltagespacevector.Secondly,permanentmagnetsynchronousmotorforthestudy,thisthesisstudytheprinciplesandmethodsofcontrollingitsweakmagneticspeed,thusobtainedthatpermanentmagnetsynchronousmotorcontrolstrategiestakeMTPAinthebaserate,takeweakeningoverthebaserate.Atthesametime,thisthesisfocusedontheanalysisofthetwocontrolstrategybelow.Finally,throughMATLAB/simulinksimulationtool,webuiltasimulationmodelofPMSMweakeningspeedcontrolsystem.Inthesimulationplatformforcurrentvectorcontrol,voltagemodulationspace,weakeningcontroltheorysimulation,andanalysedthefeasibilityandaccuracyofthemethoddescribedherein.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor,vectorcontrol,weakening,MATLAB目錄第一章概述 11.1論文研究背景及意義 11.2永磁同步電機簡介 21.3永磁同步電機基本控制策略 31.3.1變壓變頻控制 41.3.2磁場定向控制（VC） 41.3.3直接轉(zhuǎn)矩控制 51.4弱磁控制的發(fā)展 51.5課題的主要研究內(nèi)容 6第二章永磁同步電機的矢量控制與電壓空間矢量調(diào)制 72.1永磁同步電機數(shù)學模型 72.2永磁同步電動機矢量控制原理 102.3永磁同步電動機矢量控制的電流控制策略 112.3.1控制 122.3.2控制 142.3.3最大轉(zhuǎn)矩/電流控制 142.3.4矢量控制三種電流控制策略的比較 162.4永磁同步電動機的電壓空間矢量控制 172.4.1電壓空間矢量的提出 172.4.2電壓空間矢量的合成 192.6本章小結(jié) 22第三章永磁同步電機弱磁調(diào)速控制 233.1永磁同步電動機矢量控制基本電磁關(guān)系 233.1.1電壓極限橢圓 233.1.2電流極限圓 243.1.3恒轉(zhuǎn)矩軌跡 253.2永磁同步電動機弱磁控制的基本原理 253.3弱磁工作區(qū)間的電流給定 283.3.1恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū) 283.3.2弱磁Ⅰ區(qū) 303.3.3弱磁Ⅱ區(qū) 30第四章永磁同步電機弱磁控制系統(tǒng)仿真分析 314.1電壓空間矢量調(diào)制模型 314.2永磁同步電機弱磁控制系統(tǒng)的建模分析 344.2.1隱極式永磁同步電機弱磁仿真分析 364.2.2凸極式永磁同步電機弱磁仿真分析 384.3本章小結(jié) 40結(jié)論 41參考文獻 42致謝 44湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第45頁第一章概述1.1論文研究背景及意義永磁同步電動機(PMSM)剛問世，就以其優(yōu)越的性能取得了全世界科學家的矚目，但由于天然永磁材料性能較差，對永磁電機的研究并未深入。近幾十年來，世界范圍內(nèi)對永磁材料的研究成果碩果累累，因此永磁電機重新進入了人們的視線。由于永磁同步電動機由電機內(nèi)部的永磁體勵磁，不需要安裝電勵磁裝置，電動機結(jié)構(gòu)簡化性得到了很大程度提升，加工難度大大縮減，同時也為制造業(yè)生產(chǎn)節(jié)約了制造資金。另外PMSM沒有電刷、集電環(huán)等[1]，不容易發(fā)生故障，因此電動機運行的穩(wěn)定性得到了明顯的提高；同時PMSM將電勵磁裝置換為了無須勵磁電流的永磁體，不需要勵磁電流，沒有勵磁損耗，功率密度高，體積小，適用于大多數(shù)工作場合。由于以上優(yōu)點，它已經(jīng)成為近幾年研究熱點，并且現(xiàn)在在各領(lǐng)域中應(yīng)用永磁同步電機的運用越來越多。如何通過控制策略提升永磁電機的工作效率以及其性能，找到其在各種需求下的最佳的運行方式，是現(xiàn)在各國科學工作者們需要解決的問題。過去對稀土材料的研究很少，導致稀土材料價格高，產(chǎn)量少。永磁材料理論的創(chuàng)新與加工技術(shù)的完善,永磁同步電動機現(xiàn)在已經(jīng)在各個領(lǐng)域發(fā)揮其作用[2]。一方面原因是材料理論、加工技術(shù)的迅速發(fā)展,越來越多高剩磁密度和高矯頑力的永磁材料被應(yīng)用于電機制造,電動機運行時的去磁電流可以很高，無須擔心退磁。另外弱磁調(diào)速還可以使電機運行在原有的速度范圍之上[3]。在電壓型逆變器供電的電機系統(tǒng)中,由于電機機端電壓有上限，不能繼續(xù)提高,利用去磁作用削弱原有磁場來以達到提升電機轉(zhuǎn)速目的，這也就是弱磁策略的思想。在很多牽引、運輸?shù)那闆r下,電動機需要恒轉(zhuǎn)矩運行或是高于基速運行,因此,對永磁電機的弱磁控制的理論研究便顯得尤為重要[4]。另外，弱磁控制技術(shù)在電動汽車或者含電力的混合動力汽車驅(qū)動占有非常重要的地位，因為采用弱磁控制后，汽車的調(diào)速范圍被擴寬的同時，可以在速度較低時恒轉(zhuǎn)矩輸出，如電動汽車啟動，而高速運行時恒功率輸出，電機能保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，同時輸出恒定功率，以滿足穩(wěn)定高速行駛,超車等要求。另外，隨著稀土材料不斷發(fā)展，永磁同步電機的功率密度、效率不斷提高，大部分電動汽車采用永磁同步電機作為其驅(qū)動[5]。同時，在數(shù)控機床領(lǐng)域，當所需控制系統(tǒng)要求調(diào)速范圍較寬時，永磁同步電機與其他電機相比就有無法取代的優(yōu)勢。1.2永磁同步電機簡介稀土材料的推廣使得永磁電機在電機領(lǐng)域的地位再也不可撼動，其效率高，運行安全可靠，功率密度大，體積相對較小等顯著優(yōu)點，因而其應(yīng)用范圍幾乎遍布航空航天、交通運輸、制造業(yè)、國防、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。一般來說,電機的磁場由電磁感應(yīng)產(chǎn)生,由于勵磁損耗的存在，常常會有功率消耗、效率較低的缺點。在最初電機生產(chǎn)的時候,人們就希望要使用永磁體產(chǎn)生磁場，這樣既省去了勵磁裝置，電機結(jié)構(gòu)也可以更加簡單。但由于當時永磁體制造技術(shù)不完善，對永磁材料制造的研究還不夠，人們只能使用天然永磁材料作為永磁體。天然永磁材料磁場性能差，生產(chǎn)出來的電機體積大，效率低，這就使得永磁同步電機在當時難以得到更加深入發(fā)展。直到鋁鎳鈷合金問世,永磁電機才得以迅速發(fā)展,至此永磁電機在稀土材料作為永磁體的基礎(chǔ)上得到了更為廣泛的關(guān)注與研究[6]。按稀土材料技術(shù)的研究階段可以將永磁電機的發(fā)展歷程大略分為三個大的階段[7]:(1)上世紀，60、70年代，稀土鈷永磁的售價很高，,以其為材料的電機也主要用于航天航空、國防等對功率密度要求很高的地方，此類電機主要考慮性能而不是制造費用問題;(2)上世紀80年代,國內(nèi)外對于稀土材料的研究不斷深入，在此基礎(chǔ)之上，價格較低的欽鐵硼永磁材料得到大規(guī)模生產(chǎn),永磁電機的研究開始轉(zhuǎn)移到工農(nóng)業(yè)、交通運輸應(yīng)用上。稀土材料較天然永磁體來說具有更好磁性能，除此之外，電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展也為永磁電機推廣提供了堅實的基礎(chǔ)，許多電勵磁電機轉(zhuǎn)為使用永磁體進行勵磁。并且使用稀土材料作為轉(zhuǎn)子的永磁電機比普通電勵磁方式電機性能更加優(yōu)越。(3)上世紀90年代至今,人們對永磁材料的研究越來越多，各種材料的更方面性能也得到了大幅度提高,其中，欽鐵硼材料尤為突出，它不但具有很強的耐腐蝕性，其熱穩(wěn)定性也不斷提高。更重要的是，隨著稀土材料的價格的降低，永磁電機的制造成本相比以前降低了很多，加之對國內(nèi)外科學家永磁電機研究已經(jīng)非常深入，加工制造廠商對其生產(chǎn)工藝也已經(jīng)成熟，使得人們稀土永磁電機的使用進入了一個全新的階段。1.3永磁同步電機基本控制策略常用的PMSM的控制策略有如圖1-1所示三類，分別為變壓變頻控制(VVVF)，磁場定向矢量控制(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)[8]。接下來將對各控制策略原理、特點以及其實現(xiàn)方法進行說明。(a)VVVF控制(b)矢量控制（c）直接轉(zhuǎn)矩控制器圖1-1PMSM的主要控制方法1.3.1變壓變頻控制（VVVF）變壓變頻控制也稱之為VVVF控制，在交流調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，通常是通過控制電壓與頻率的比值為常數(shù)來保持電機每一極的氣隙磁鏈恒定，即控制外部輸入電壓及頻率。將所需要的電壓和頻率信號轉(zhuǎn)換為逆變器的控制信號，再通過控制逆變器中開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，從而生成交變的電壓，將其輸入到永磁電機的定子上，通過讓運行于給定電壓和給定的頻率下。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是通常系統(tǒng)的電壓逆變器使用的電壓調(diào)制方式，脈沖寬度調(diào)制的實現(xiàn)方式多種多樣，根據(jù)系統(tǒng)要求可以運用不同的調(diào)制方法，空間矢量調(diào)制就是其中一種，本文稍后將作詳細介紹。永磁同步電機的具體VVVF控制方法如圖1-1(a)所示。1.3.2磁場定向控制（VC）Blaschke在1971年發(fā)表了第一篇關(guān)于異步電機的矢量控制方法的論文，隨后不久此方法被應(yīng)用于PMSM中，這就是PMSM矢量控制方法的最初來源。永磁同步電機矢量控制的基本思想是基于坐標變換原理，并用兩個變換得到兩相靜止坐標系下的等效物理量，在此基礎(chǔ)上，電磁轉(zhuǎn)矩可以通過對交直軸電流的控制來決定，同時也可以對發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行控制，我們又把矢量控制方法叫做磁場定向控制。矢量控制中實施過程當中，PMSM轉(zhuǎn)子的位置可以通過位置傳感器得到，另外三相定子電流、、也可以通過坐標變換得到電流、因此,通過控制這、的幅值和相位,我們就可以對永磁同步電機進行類似于直流電機的控制。其流程框圖如圖1-1(b)所示。1.3.3直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)日本學者Takahashi和德國魯爾大學教授Depenbrock在二十世紀八十年代提出轉(zhuǎn)矩直接控制(directtorquecontrol)[9~10]。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)勢是不用進行繁重的數(shù)學計算來對空間坐標進行轉(zhuǎn)換。其核心控制思想是對定子磁鏈,和電磁轉(zhuǎn)矩分開進行控制。PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的方法如圖1-1(c)所示。由于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，控制量不再是電流，而是根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩反饋得到信息進行電壓調(diào)制，因此并不需要轉(zhuǎn)子位置信息。DTC不需要調(diào)節(jié)任何電流、坐標變換以及物理量變換，直接通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制，所以系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間非常短。1.4弱磁控制的發(fā)展20世紀80年代初，矢量控制理論剛剛被提出，永磁同步電機便開始運用這種控制方法。緊接著，大量科學家開始進行矢量控制的策略研究，其中對現(xiàn)在影響較大的是美國學者Thomas，他通過在電流平面中分析轉(zhuǎn)矩特性，得到了最大轉(zhuǎn)矩/電流的運動軌跡[11]，并在隨后指出電動機給定電流指令會受到電壓、電流極限的約束，在約束范圍之外，系統(tǒng)將無法跟蹤電流指令。弱磁控制早期的研究成果是實現(xiàn)MTPA控制，但弱磁控制理論并未得到完整的闡述。直到20世紀90年代，各個領(lǐng)域開始應(yīng)用永磁電機的矢量控制技術(shù)，與此同時弱磁控制理論也獲得很大的進步。1990年，Morimoto發(fā)表的文章對于不同種類的永磁電機進行了單獨討論，他把弱磁控制分成三個工作區(qū)域，同時對各個控制階段的工作狀態(tài)進行了圖形和理論研究。至此弱磁控制理論才得以完善[12]。在弱磁控制理論的基礎(chǔ)之上，許多科學家給出了大量實現(xiàn)弱磁控制的基本方法，總的來說，永磁電動機改善弱磁性能分為兩種方法：第一種是改善電機本身的結(jié)構(gòu)[13]：研究和改進電機設(shè)計中的參數(shù)。另一種是，通過對于弱磁控制理論的不斷的完善，還可以對控制器結(jié)構(gòu)進行改進，提出并使用更加有效的控制器運行理論，從而提高控制的弱磁效果，最終在拓寬永磁電動機的運行速度范圍的同時使其具有良好的動態(tài)特性。本文的第三章將對弱磁控制理論進行詳細的論述。1.5課題的主要研究內(nèi)容本篇論文的主要內(nèi)容是弱磁控制方法及可行性的探討,同時文章也對所提出基于弱磁算法在MATLAB中搭建的的弱磁控制系統(tǒng)中進行了實驗仿真分析。具體文章結(jié)構(gòu)安排如下:第1章簡要研究了永磁同步電機的提出、制造、發(fā)展及控制等方面的歷史及現(xiàn)實狀況，對永磁同步電機的發(fā)展趨勢有了簡單的了解。第2章先對PMSM常用的數(shù)學模型進行了簡要的介紹，而后介紹了矢量控制理論及常用的幾種實現(xiàn)方法，此外本章最后還論述了SVPWM的工作機制和在仿真分析中的使用方法。第3章主要介紹了永磁同步電機弱磁控制原理以及方法,在電壓極限橢圓和電流極限圓的基礎(chǔ)之上,提出自動弱磁的環(huán)節(jié)的概念,隨后介紹了基于梯度下降法的弱磁策略的內(nèi)埋式和表面貼裝式永磁同步電機的弱磁控制,并簡要介紹了一下電機參數(shù)對弱磁控制的影響。

第二章永磁同步電機的矢量控制與電壓空間矢量調(diào)制2.1永磁同步電機數(shù)學模型正常建模時，交流電機的各個物理量均處于三相坐標系中,互相之間相互耦合，因而如果不借助別的手段計算交流電機的基本方程，則對控制裝置的運算能力要求極高。在工程應(yīng)用中,必須對這些方程進行簡化以實現(xiàn)高性能的電機控制。目前，基于磁場定向的矢量控制的方法已經(jīng)成為非常成熟的控制技術(shù),并且在實際中獲得廣泛的應(yīng)用。矢量控制方法在坐標變換理論的基礎(chǔ)上,可以將原本的物理量轉(zhuǎn)換到跟隨磁場旋轉(zhuǎn)的兩相坐標系之下。永磁同步電機內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復雜,變量與變量之間存在耦合，除此之外，精確的數(shù)學模型在求解時較為困難較多,為簡化分析過程,更方便的分析物理量之間的數(shù)學關(guān)系，在建立永磁同步電機數(shù)學模型時通常作如下假設(shè)[7]:(1)忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不計渦流和磁滯損耗；(2)永磁材料的電導率為零，永磁體內(nèi)部的磁導率與空氣相同；(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；(4)永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場和三相繞組產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場為正弦分布；(5)相繞組中感應(yīng)電動勢波形為正弦波。在上述假設(shè)之下，永磁同步電動機定子滿足如下方程：（2.1）式中：，、、--A，B，C三相繞組電流；、、--A，B，C三相繞組電壓；--定子每相繞組的電阻；、、--A，B，C的定子自感系數(shù)；--互感系數(shù)（定子繞組A，B之間）；--轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵磁磁鏈；--軸超前參考軸線的電角度。由式（2.1）能夠了解到，該表達式所含物理量多，而且不同變量存在耦合關(guān)系，難以進行比較準確的數(shù)學分析。因此這里通過、變換獲得永磁同步電動機在坐標下的方程如下。電壓方程：（2.2）磁鏈方程：（2.3）電磁轉(zhuǎn)矩方程：（2.4）機械運動方程：（2.5）式中：--電壓，--電流，--磁鏈；、--表示此物理量為定子的、軸分量；、--表示此物理量為轉(zhuǎn)子的、軸分量；、--定、轉(zhuǎn)子間、軸互感；、--定子繞組、軸電感，、--轉(zhuǎn)子繞組、軸電感，；、--定、轉(zhuǎn)子漏電感；--永磁體的等效勵磁電流值(A)，--永磁體產(chǎn)生的磁鏈；--轉(zhuǎn)動慣量，--阻力系數(shù)，--負載轉(zhuǎn)矩。絕大多數(shù)正弦波永磁電動機無阻尼繞組，因而，我們可以對數(shù)學模型方程進行簡化：（2.6）（2.7）上式(2.6)可進一步化簡為（2.8）目前，永磁同步電機磁場定向方式矢量控制方法主要為三種:（1）按氣隙磁場定向、（2）按定子磁場定向、（3）按轉(zhuǎn)子磁場定向。在系統(tǒng)運行過程中只要通過位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁鏈相位角便可以獲得電機的轉(zhuǎn)子位置,由于永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場物理軸線與其轉(zhuǎn)子空間幾何軸線處于同一位置,即可準確地得到電機的轉(zhuǎn)子磁場方向。相比來說，轉(zhuǎn)子磁場定向的方法比另外兩種方法更容易實現(xiàn)，只需要檢測轉(zhuǎn)子磁鏈相位角即可實現(xiàn)，因而此方法在目前運用較多。圖2.1為該方法的示意圖。圖2.1永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場定向坐標系在坐標中,若轉(zhuǎn)矩角為轉(zhuǎn)子磁場定向下與軸正方向之間的夾角,那么可以進行如下?lián)Q算:，，代入式(2.7)可得(2.9)從方程(2.9)，我們不妨將永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩分為勵磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分進行說明，其中需要說明的是是由于電機本身結(jié)構(gòu)的不對稱，導致軸電感不同而形成的。當時,磁阻轉(zhuǎn)矩為負值,與的不同向，將削弱;時,磁阻轉(zhuǎn)矩為正值,與同向，將會增強。2.2永磁同步電動機矢量控制原理調(diào)速系統(tǒng)當中最為核心的問題是如何提高瞬時轉(zhuǎn)矩的性能。前一節(jié)已經(jīng)對坐標系下數(shù)學模型進行介紹，由式(2.9)我們知道對機輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)也就是對和進行調(diào)節(jié)。不同和的數(shù)值組合，將會使控制系統(tǒng)有不同的性能。而和是由三相坐標下的定子電流代換而來，故矢量控制也就是對電動機定子電流空間矢量的相角和大小的控制。換言之，只要管控好和這兩個量就可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)相應(yīng)和，這里將這兩個值稱為指令值。理論上來說只要調(diào)節(jié)和這兩個電流，使和的實際數(shù)值跟隨指令值和進行變化，就達到了控制永磁同步電機的效果。但事實上，流入電樞繞組的是、、，因此，我們需要通過理論運算得出、、的指令值，如式(2.10)所示：(2.10)通過電流控制反饋，可使電動機實際輸入三相電流、、與給定的預(yù)期轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的指令值、、一致，即可實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速的控制。2.3永磁同步電動機矢量控制的電流控制策略根據(jù)永磁同步電動機用途，電動機電流矢量控制策略可以分為很多種。常采用的控制方法目前主要有；控制、控制、最大轉(zhuǎn)矩/電流控制等，不同的電流控制方法性能存在差異，本節(jié)詳細介紹了幾種常用的矢量控制方法，并對每一種控制方法的實現(xiàn)策略進行了簡要說明。在此將永磁同步電機的相量關(guān)系圖和空間矢量圖展示如下圖2.2。圖2.2永磁同步電機向量圖關(guān)系(a)相量圖(b)空間矢量圖2.3.1控制控制是一種較為簡單的電流矢量控制方法，它需要的計算量小，控制方法相對簡便，易于實施；除此之外，這種方法避免了電樞反應(yīng)所可能引起的永磁電機退磁，到現(xiàn)在為止，許多功率較小的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)都使用作為其矢量控制策略。其控制原理框圖如下圖2.3所示：圖2.3的控制方法在控制中,通過人為給定直軸電流，這樣的話直軸繞組對整個電動機沒有任何影響,定子電流空間矢量中只有交軸分量起作用,這時我們可以將永磁同步電機視為一個直流電機,只需要控制就可以控制其輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。由于，而且定子磁動勢空間矢量與軸同方向，此時，根據(jù)式(2.9)，那么電動機轉(zhuǎn)矩中就只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其磁鏈和轉(zhuǎn)矩公式可以簡化為(2.11)因此(2.12)(2.13)功率因數(shù)(2.14)又由向量圖可得:(2.15)當電動機高速運轉(zhuǎn)時，磁場旋轉(zhuǎn)角速度很大，根據(jù)電抗計算表達式可知，，上式(2.15)可簡化為(2.16)(2.17)對式(2.11)和式(2.17)進行式標幺化處理可得用和與標幺值之間的關(guān)系，見(2.18)、(2.19)。(2.18)(2.19)根據(jù)式(2.18)可知，電磁轉(zhuǎn)矩正比于交軸電流；由式(2.19)可知，若電磁轉(zhuǎn)矩與電動機的功率因數(shù)并非簡單線性關(guān)系，功率因數(shù)的變化快慢與的值有關(guān)，在轉(zhuǎn)矩較小時，對影響很小，轉(zhuǎn)矩上升到一定程度時，隨的上升見效很快。2.3.2控制的控制方法是使定子電流矢量和定子電壓矢量在空間上方向相同,使兩者之間的角度為,以達到的效果。由于采用的控制方法的時候電機的功率因數(shù)恒定,且為最大值1,發(fā)電機發(fā)出的全部為有功功率，可以充分利用逆變器的容量,但缺點是這種控制方法與另兩種方法相比輸出轉(zhuǎn)矩較小。具體方程如下：(2.20)可得，可推得定子電流為:(2.21)2.3.3最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，即MTPA，是一種單位定子電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制方法，通過對定子電流的最優(yōu)化分配，使之達到同等輸出轉(zhuǎn)矩中電流值最小的效果。MTPA在凸極永磁同步電動機運用得較多，對于隱極式同步電動機，直軸交軸電感大小相等，磁阻功率部分恒為0，此時最大轉(zhuǎn)矩/電流控制就是電流控制。MTPA的核心思想從永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方程和高等中數(shù)學中條件極值的計算公式出發(fā)，通過理論計算得出最佳定子電流理論值。其中所用的條件極值的方程如下式(2.22)：(2.22)把式(2.57)和代入上式即可求得：(2.23)把式(2.23)表示為標幺值，并代入式標幺化處理的轉(zhuǎn)矩方程,便可以得到交、直軸電流分量、與電磁轉(zhuǎn)矩標幺值之間的關(guān)系：(2.24)圖3.7MTPA的原理框圖由式(2.24)可得，如果在逆變器輸出大小相同電流的情況下，MTPA控制方式與的控制方式相比，前者所輸出電磁轉(zhuǎn)矩較大；另外，還可以通過該式看出電磁轉(zhuǎn)矩在受到交軸電流影響的同時，還受到軸電感比值（即凸極率）的影響，隨著的增大，即軸電感的差值增大，輸出轉(zhuǎn)矩中的磁阻轉(zhuǎn)矩部分會增大。使用最小的電流矢量來產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩,這是MTPA控制方法區(qū)別于其他控制方法的一大特點,除此之外，它還減小了電機的損耗[14],并且MTPA控制對逆變器的要求的容量要求低,可以適用于各種規(guī)格逆變器所組成的調(diào)速系統(tǒng)。因此在組成調(diào)速系統(tǒng)時，出于節(jié)約成本的考慮，可以選取容量較小的逆變器,另一方面也節(jié)約了能源。然而，這種方法的缺點是高等數(shù)學中偏微分方程在性能較低的控制器中難以快速求解，這造成它在低配置系統(tǒng)應(yīng)用的存在困難.2.3.4矢量控制三種電流控制策略的比較(1)控制方法是其中最簡單的控制方法，控制算法簡單，由于，控制過程中不會產(chǎn)生去磁效應(yīng)，同時電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流為正比例關(guān)系。其缺點也很明顯：隨著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的上升，功率因數(shù)減小很快。(2)控制方法在使用的時候，電動機功率因數(shù)為常數(shù)1，在此條件之下，可以充分利用變壓器的容量，但缺點是工作時需要去磁電流較大，限制了交軸電流的大小，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩受到很大的影響。(3)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制控制方法可以讓電動機輸出轉(zhuǎn)矩在滿足規(guī)定的數(shù)值時，系統(tǒng)逆變器所需的輸出電流最小。MTPA控制方法中，通過弱磁控制方法從而優(yōu)化電動機在恒功率運行時的轉(zhuǎn)矩、和轉(zhuǎn)速的性能更加便捷。但是，該方法的主要缺點運算復雜，對于系統(tǒng)的運算能力有較高的要求，一般單片機系統(tǒng)無法承擔，必須要需要使用可以進行高速運算的中央控制器。2.4永磁同步電動機的電壓空間矢量控制我們通常所說的SPWM控制方法，是通過算法計算，得到逆變器的操作方法，再通過控制器控制的開關(guān)裝置的開合，可到盡量接近正弦波的輸出電壓。但負載電路的參數(shù)會影響輸出的電流波形，無法有效控制。然而，在進行電機控制時，我們的最終目標是讓電動機中產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，以產(chǎn)生電動機穩(wěn)定運行所需的轉(zhuǎn)矩。如果我們把逆變器和電動機看作一個，即讓逆變器跟隨電動機進行旋轉(zhuǎn)，通過傳感器，捕捉圓形旋轉(zhuǎn)磁場的位置，以此進行PWM調(diào)制，得出給定電壓，這種控制方法稱作電壓空間矢量控制。2.4.1電壓空間矢量的提出電壓空間矢量是根據(jù)電壓所給位置來定義的。實際上，逆變器共有八種開關(guān)狀態(tài)，我們可以通過空間矢量脈寬調(diào)制，來優(yōu)化逆變器的組合，從而得要我們想要的開關(guān)狀態(tài)，使得逆變器可以提供的盡量接近預(yù)期運行狀態(tài)所需的電壓矢量。逆變器的開關(guān)狀態(tài)組合種類共有8種,實際上只有對應(yīng)6種電壓矢量的空間位置,因為上橋臂全關(guān)，下橋臂全開、以及上橋臂全開，下橋臂全關(guān)這2種狀態(tài)實際上并未輸出電壓，因為有2個是零電壓空間矢量?？臻g電壓矢量調(diào)制方法是利用6種電壓空間矢量組合成任意所需要的電壓空間矢量。通過對系統(tǒng)逆變器中開關(guān)器件導通狀態(tài)在PWM周期中的調(diào)整,我們可以按特定方法分配導通時間,便能夠獲得任意的電壓空間矢量。圖2.7電壓原型逆變器示意圖如圖2.7所示，六個功率開關(guān)器件組成了永磁同步電機系統(tǒng)中所使用的三相電壓源逆變器是。逆變器的上、下橋臂不能同時導通，否則直流電源將會短路，因此上橋臂導通，下橋臂必然關(guān)斷，這使得6個功率開關(guān)器件只需要3個量進行描述。我們將上橋臂的功率開關(guān)器件的開合情況進行編號：對每個開關(guān)而言，其閉合時我們用“1”來表示，開斷時用數(shù)字“0”來表示，這樣的話三個變量就可以組合成種開關(guān)組合狀態(tài)，我們把構(gòu)成對應(yīng)的電壓空間矢量進行編號，分別為：、、、、、、、，如圖3.8所示。圖2.8空間電壓矢量從圖2.8可知，逆變器只有6種有效工作狀態(tài)，而前后2種工作狀態(tài)是無效狀態(tài)（即、對應(yīng)空間電壓矢量幅值為0），另外6種工作狀態(tài)所對應(yīng)的電壓空間矢量幅值相同,都等于,相鄰兩個工作狀態(tài)相位角相差。這6個電壓矢量在空間中相差平均分布,這樣整個平面就被分割成為六塊，分別編號為、、、、和，并且這6個電壓矢量分別處于電動機三相繞組軸線的位置上,這8個矢量就構(gòu)成了基本空間電壓矢量。其它幅值、相位的電壓空間矢量我們都可以利用這些這8種基本電壓空間矢量在一個PWM周期內(nèi)疊加來獲得，進而得到控制所需的電壓空間矢量，從而形成同步電機控制所需要的旋轉(zhuǎn)磁場。一個PWM周期內(nèi)逆變器的開關(guān)狀態(tài)會變換多次，所以其中一些開關(guān)狀態(tài)會被反復使用，從而使逆變器實際提供的電壓矢量盡量逼近電動機預(yù)期所需電壓矢量。2.4.2電壓空間矢量的合成上一節(jié)簡單介紹了電壓空間矢量合成的概念，這一節(jié)給出一種具體的實現(xiàn)方案。如圖2.9所示，用扇區(qū)中的電壓來說明，設(shè)所需合成的電壓為，則有；(2.24)圖2.9電壓空間矢量合成圖在軸上的分量為：(2.25)可以解得：(2.26)設(shè)，可得：(2.27)=1\*GB3①相鄰兩個電壓空間矢量作用時間值的計算：假設(shè)用，來作為電壓矢量和的在一個PWM周期中的市場，并且設(shè)，。則有式(2.29)：(2.29)根據(jù)式(2.29)得出的結(jié)果，表3.1為各個區(qū)域內(nèi)相鄰兩個電壓空間矢量作用時間值。扇區(qū)123456t1ZYt2Y表2.1相鄰電壓空間矢量作用時間表=2\*GB3②參考電壓所屬扇區(qū)的判斷：若我們對參考電壓在軸上的分量作下列變換：(2.30)由，，正負X關(guān)系便可根據(jù)下式判別電壓所屬的扇區(qū)：,,(2.31)則扇區(qū)參照上表，之前圖2.9中的作用時長分別為,上面討論的是當(為功率開關(guān)器件的開關(guān)周期)的情況，但當電壓矢量的端點超過六邊形的正切圓時，則會進入過調(diào)制階段，輸出電壓波形將會發(fā)生失真。關(guān)于線性調(diào)制與非線性調(diào)制的圖形分別如下圖2.10左、右所示：圖2.10SVPWM兩種區(qū)域即當時，可以對開關(guān)器件導通時間做如下調(diào)整：(2.30)這是最小相位跟隨過調(diào)制的原理，即使保持輸出電壓相位角與參考電壓一致，諧波比較小，屬于傳統(tǒng)的過調(diào)制方法。除此之外還有最小幅值跟隨過調(diào)制的方法，此處不作過多介紹。=3\*GB3③計算開關(guān)器件狀態(tài)變化點、、：電壓空間矢量調(diào)制是用、、這個值與三角載波的等效時間作比較，得到開關(guān)器件的切換點，通過下式：(2.31)在上式的基礎(chǔ)之上，可以得到扇區(qū)號與切換點的對應(yīng)關(guān)系如下表2.2所示：扇區(qū)號123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa表2.2由對應(yīng)扇區(qū)確定開關(guān)器件作用切換點每一個PWM整流周期之內(nèi)，在中，與相對應(yīng)開關(guān)器件輸出高電平，即可得到預(yù)期的電壓空間矢量[15]。2.6本章小結(jié)矢量控制目前使用十分廣泛的，其實就是對交流電機進行等效，從而得出類似直流電機的運行效果。本章先通過假設(shè)簡化模型，再建立數(shù)學模型。同時矢量控制理論進行了簡述，在此基礎(chǔ)上，還對永磁同步電動機常見的幾種矢量控制方案進行了簡要論述，其中包括控制、控制及最大轉(zhuǎn)矩/電流控制。最后介紹了空間電壓矢量調(diào)制方法，并對這幾種典型的矢量控制方法進行了簡單比較。

第三章永磁同步電機弱磁調(diào)速控制永磁同步電機的轉(zhuǎn)速受到機端電壓的限制，因為PMSM不存在電勵磁裝置，不能通過減小勵磁電流值來降低機端電壓值，此時便體現(xiàn)了弱磁思想在永磁電機中的使用。弱磁可以通過施加一個與永磁體磁場方向相反的磁場來對電機內(nèi)的磁場進行削弱，這跟降低電勵磁電機中勵磁電流的思想是一致的，都是通過減小電機中的磁鏈值來實現(xiàn)的。3.1永磁同步電動機矢量控制基本電磁關(guān)系永磁同步電機的控制系統(tǒng)當中,所有逆變器都有各自的額定電壓、額定電流的限制。因此就系統(tǒng)對電機的端電壓有電壓和電流的要求,即不能超過它所能承受的最大電流、電壓,分別為和，同時定義電機的端電壓為、端電流為,那么、要受到下列約束條件的限制:（3.1）3.1.1電壓極限橢圓若永磁同步電機在穩(wěn)態(tài)運行時，即轉(zhuǎn)速恒定的情況下,定子電壓方程（2.6）中的，等于0；若電機處于高速運行時,磁場角速度很大，定子電阻遠小于電抗，其對電壓的影響可以忽略不計,即，,從而可以對電壓方程進行簡化,可得式（3.2）（3.2）電動機穩(wěn)態(tài)運行時，電壓矢量關(guān)系滿足：（3.3）將式（3.2）代入其中可（3.4）在隱極式面貼式同步發(fā)電機中，，式（3.4）是在空間中的軌跡為圓，在凸極式內(nèi)置式同步發(fā)電機，時，式（3.4）的軌跡變成了橢圓。無論是對于哪一種電機，（3.4）所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速的方程均可在坐標系下作出一個圓心為圓/橢圓，一般來說這里討論的電機都是凸極式電機，因此我們將空間圖形中的軌跡稱作電壓極限橢圓，如圖3.1中虛線所示部分。電機運行速度都有其相對應(yīng)的功率極限橢圓，由（3.4）可以知道，當增大，對應(yīng)電壓極限橢圓以固定長短軸比例進行縮小。圖3.1電壓極限橢圓和電流極限圓3.1.2電流極限圓永磁同步電機穩(wěn)定運行時，電流矢量幅值關(guān)系為：（3.5）式(3.5)軌跡為一個以，平面坐標原點為圓心，為半徑的圓(如圖3.1中所示)，由電機控制系統(tǒng)逆變裝置能承受的最大電壓以及電機本身額定電流共同確定。電動機穩(wěn)定運行時，定子電流空間矢量既不能越過電壓極限橢圓軌跡，同時也不能越過電流極限圓軌跡，受到兩者的共同限制。假如電動機轉(zhuǎn)子速度為，根據(jù)圖3.1，作用范圍只能是ABCDEF。3.1.3恒轉(zhuǎn)矩軌跡圖3.2永磁同步電動機恒轉(zhuǎn)矩軌跡對式（2.7）進行標幺化處理，可以得到：（3.6）將不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)平面的定子電流軌跡，顯然，符號相反的恒轉(zhuǎn)矩電流軌跡在平面中關(guān)于軸鏡像對稱。如圖3.2所示。另外，每個轉(zhuǎn)矩值對應(yīng)有最小的定子電流值，這樣的情況對應(yīng)每條恒轉(zhuǎn)矩電流軌跡中的一點，將每一條軌跡中的最小電流值所對應(yīng)的點連接起來，可以得到最大轉(zhuǎn)矩/電流的軌跡。3.2永磁同步電動機弱磁控制的基本原理當永磁電機的運行速度高于轉(zhuǎn)折速度，在不進行弱磁的情況下，電機內(nèi)的磁場由永磁體建立，無法調(diào)節(jié)，電機控制系統(tǒng)的負載輸出能力會大大降低，不利于我們對電機的使用。弱磁可以通過施加一個與永磁體磁場方向相反的磁場來對電機內(nèi)的磁場進行削弱，這跟降低電勵磁電機中勵磁電流的思想是一致的，都是通過減小電機中的磁鏈值來實現(xiàn)的。圖3.3弱磁控制與無弱磁電機轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖將（3.2）式代入（3.3）可得：（3.7）由式（3.7）可以看出，要在轉(zhuǎn)速增大的同時，保持定子電壓不變，可以減小或者給定一個負的以抵消。前者由于降低，電機輸出轉(zhuǎn)矩將會下降，不利于電動機帶動負載，電機的性能會有很大的下降。后者通過給定負的削弱電機內(nèi)原有的永磁體所產(chǎn)生的磁場，但是削弱磁場時也要注意不是無限制的，我們要避免電機徹底去磁，對此，必須滿足：（3.8）因此，在選擇弱磁調(diào)速的方式時，應(yīng)該根據(jù)具體情況作出最為合理的選擇。電機調(diào)速系統(tǒng)在進行弱磁調(diào)速的過程中，需要將定子電流限制在上一節(jié)所提到的電壓功率極限橢圓和電流極限圓之中，因為只有處于兩者的共同包絡(luò)范圍之內(nèi)的運行狀態(tài)才符合有穩(wěn)定運行的電壓電流要求。下面給出弱磁控制曲線如圖3.4所示。接下來對電機的運行過程進行詳細的介紹,圖3.4中A點為與電流極限圓的切點，同時也是電壓極限橢圓與電流極限圓的交點，此點對應(yīng)了電機運行的最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩繼續(xù)增大將會超出電壓極限橢圓與電流極限圓的共同包絡(luò)范圍，因此我們將此點對應(yīng)速度成為轉(zhuǎn)折速度，即。為當時，此時電機運行于恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，在此區(qū)域中運行，為了達到最優(yōu)化的控制，采用MTPA的控制方法進行控制（即圖3.4中最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡），這樣可以在獲得同等轉(zhuǎn)矩的條件下使得定子電流最小，因此電機恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行時其定子電流矢量均處于最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡上。當轉(zhuǎn)速時，此時電機運行于基速以上，所處區(qū)域為恒功率區(qū)域，這時我們需要使用弱磁控制策略來進行控制。時，功率極限橢圓與最大轉(zhuǎn)矩/電流曲線相較于B點，但此時電流還可以繼續(xù)升高。因此我們可以讓電流矢量沿著BC曲線運動，以得到更大的轉(zhuǎn)矩。到達C點之后，如果想繼續(xù)提高電機速度，讓定子電流矢量沿著CD運行，但這時轉(zhuǎn)矩會減小。不難知道，從點B到點C的變化中，在上升，其實也就是通過的上升削弱轉(zhuǎn)子永磁磁場，這就是弱磁調(diào)速的基本過程。圖3.4弱磁控制曲線當電機穩(wěn)定運行于轉(zhuǎn)折速度以上的某一速度時，我們可以由下式算得：（3.9）通過式（3.3）變形可得電機的轉(zhuǎn)速表達式：（3.10）由（3.10）可知，當，時，電動機達到理論上最高的轉(zhuǎn)速，但直軸電流受到式（3.8）的限制，因而有（3.11）其中為定子電流極限值與中較小值。一般來說，大部分的永磁材料不允許直軸電流達到，這樣可能的結(jié)果是永磁體發(fā)生退磁，大大影響電機的性能，因此在弱磁調(diào)速過程，如何合理的確定最大直軸電流值也是我們需要考慮的問題。3.3弱磁工作區(qū)間的電流給定本文主要探討的為面貼式永磁同步電機的弱磁控制，這里給出其工作區(qū)間的弱磁電流給定情況。弱磁控制的電流給定區(qū)間分為三部分：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，弱磁Ⅰ區(qū)，弱磁Ⅱ區(qū)。圖3.5弱磁工作區(qū)間3.3.1恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)在此工作區(qū)間之內(nèi)，輸出轉(zhuǎn)矩值恒定不變，電機端電壓還未達到外部的電壓極限值，可以繼續(xù)升高，因而功率不斷上升，在這個工作區(qū)間使用的電流控制方式是上章介紹到的MTPA。MTPA即最大轉(zhuǎn)矩/電流，也就是用最小的電流來產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩的工作方法。通過式（2.9），我們可以把轉(zhuǎn)矩看作是關(guān)于、的一個二元函數(shù)，MTPA相應(yīng)的轉(zhuǎn)換成了在給定域內(nèi)求二元函數(shù)極值的問題。這里參考高等數(shù)學中的方法，先作拉格朗日函數(shù)：（3.12）對式（3.12）對、、分別求偏導數(shù)可以得下式：（3.13）解出上式，可以得到在MTPA的電流控制策略下，、滿足如下關(guān)系：（3.14）通過化簡式（3.14）可以得：（3.15）由式（3.14）畫出的MTPA曲線，如圖3.4中所示。在此基礎(chǔ)上，我們可以計算出、：（3.16）當電機運行到A點時，由于受到電流極限圓和電壓極限橢圓的限制，轉(zhuǎn)速受到相應(yīng)限制，此時電機無法按最大功率/電流曲線繼續(xù)運行下去，此時對應(yīng)的速度稱為轉(zhuǎn)折速度。這里給出轉(zhuǎn)折速度的計算公式：（3.17）其中。3.3.2弱磁Ⅰ區(qū)電機達到轉(zhuǎn)折速度之后，若想轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，那么電機進入弱磁Ⅰ區(qū)進行運行，在此運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩是反比例關(guān)系，對于凸極機來說，由于存在，磁阻功率功率可能上升，對隱極機，功率保持不變。此區(qū)域的電流給定公式如下：（3.18）3.3.3弱磁Ⅱ區(qū)圖3.4的弱磁曲線中，電壓極限橢圓的圓心在電流極限圓的外部，因而電機的弱磁運行不存在弱磁Ⅱ區(qū)。當電壓極限橢圓的圓心在電流極限圓的內(nèi)部時，從A到D的弱磁過程中，會與最大功率輸出軌跡相交，此時若以最大功率輸出軌跡運行，我們可以繼續(xù)升高電機速度，如果不這樣做，電機的輸出功率將極速下降。由于本篇文章主要論述基于電壓反饋的弱磁調(diào)速策略，此策略無法控制電流在弱磁Ⅱ區(qū)進行運行，故此處不作過多的敘述。

第四章永磁同步電機弱磁控制系統(tǒng)仿真分析通過前三個章節(jié)對永磁同步電機發(fā)展，運行原理，控制方式，弱磁調(diào)速機制的敘述，此章節(jié)在MATLAB/SIMULINK仿真工具中建立了永磁同步電機弱磁調(diào)速的模型[16]，并且基于電壓反饋的控制方法，對模型下的電機進行弱磁調(diào)速的仿真與分析。圖4.1弱磁調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖圖4.1為一般弱磁調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，具體實施方法根據(jù)弱磁環(huán)節(jié)的不同而不同，因此如何選擇合適的弱磁方法對電機進行控制是研究弱磁調(diào)速的重點。4.1電壓空間矢量調(diào)制模型根據(jù)第二章中提出的SVPWM調(diào)制方法，這里給出其具體實施模型。由數(shù)學關(guān)系判斷所需電壓矢量所在扇區(qū)：圖4.2扇區(qū)判斷模塊計算電壓矢量作用時間所需的運算時間、、：圖4.3運算時間、、的計算模塊圖4.4為相鄰電壓空間矢量作用時間、的計算模塊，此模塊對相鄰電壓矢量的作用時間、進行分配，考慮了過調(diào)制的情況，即。圖4.4相鄰電壓空間矢量作用時間、的計算模塊圖4.5為分配作用時間的計算模塊，為了使開關(guān)次數(shù)最少，采用對稱分配的原則。圖4.5分配作用時間的計算模塊工作切換點的計算模塊，這里通過與三角載波的比較得出開關(guān)器件的工作切換點：圖4.6工作切換點的計算模塊這里給出SVPWM的整體模塊示意圖：圖4.7SVPWM整體模塊4.2永磁同步電機弱磁控制系統(tǒng)的建模分析根據(jù)上一章中弱磁電流給定的介紹，此節(jié)給出MATLAB下所搭建的弱磁控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用的是基于電壓反饋的弱磁方法。這里先給出弱磁部分的模塊圖：圖4.8弱磁控制模塊在本文重點討論的凸極式永磁同步電機中，在達到轉(zhuǎn)折速度之前，的整定是按照式（3.16）進行的，在隱極機中可以直接按進行整定。這里給出永磁同步電機的調(diào)速整體框圖，SVPWM，以及弱磁模塊產(chǎn)生的調(diào)制信號經(jīng)過端口流入橋式整流電路。圖4.9永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)4.2.1隱極式永磁同步電機弱磁仿真分析在表4.1中給出仿真中隱凸極式電機的參數(shù)：定子電阻0.01極對數(shù)5q軸電感0.00062H額定轉(zhuǎn)速1000rad/s永磁體磁鏈0.0642Wb軸電感0.00062H表4.1隱極式電機部分參數(shù)這里選擇轉(zhuǎn)折速度為1000rad/s，和轉(zhuǎn)折速度以上的速度2820rad/s，分別在0和s時進行給定。0s時外加轉(zhuǎn)矩為0，在時間達到0.15s時，在電機上加10的轉(zhuǎn)矩。仿真波形如下：圖4.10轉(zhuǎn)速波形仿真可以得到轉(zhuǎn)速波形如上圖4.10所示，不難發(fā)現(xiàn)：在電機到達轉(zhuǎn)折速度之前，電機很快上升至給定轉(zhuǎn)速rad/s。s之后，系統(tǒng)進入弱磁區(qū)，電機弱磁控制下速度上升，在s左右上升至給定轉(zhuǎn)速。當s給定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速變化很小，這說明基于電壓反饋的弱磁控制策略能夠有效檢測電機的運行狀態(tài)，在系統(tǒng)進入弱磁區(qū)時及時響應(yīng)，獲得很好的運行效果。圖4.11電流波形電機的直軸電流變化如上圖4.11，當電機速度等于轉(zhuǎn)折速度，電流控制采用MTPA，又因為這里的仿真模型是隱極式電機，MTPA控制即控制，故在之前，當時間到達時，電機得到新的指令，此時采用弱磁控制方式進行控制，變?yōu)樨撝?，隨著速度不斷上升，最終達到穩(wěn)定。在加上轉(zhuǎn)矩之后，發(fā)生小幅度震蕩，但是很快穩(wěn)定。圖4.12電流波形上圖4.11為交軸電流波形，在之前，電機轉(zhuǎn)矩為0，所以也為0。之后轉(zhuǎn)速上升，發(fā)生小幅度波動，但很快回到0。直到，電機加入轉(zhuǎn)矩之后，開始增大，并最終穩(wěn)定。圖4.13定子三相電流波形定子三相電流波形圖如上所示。4.2.2凸極式永磁同步電機弱磁仿真分析在表4.1中給出仿真中凸極式電機的參數(shù)：定子電阻0.57極對數(shù)2q軸電感H額定轉(zhuǎn)速1200/min永磁體磁鏈Wb軸電感H表4.2凸極式電機部分參數(shù)直流電壓,調(diào)制電壓取為，調(diào)制頻率，所給轉(zhuǎn)速為。凸極