《三相永磁同步電機的矢量控制研究》10000字（論文）

三相永磁同步電機的矢量控制研究摘要：隨著永磁電機制造水平的提高和現(xiàn)代矢量控制技術(shù)的發(fā)展，三相永磁同步電機的矢量控制研究已然成為一大亮點。全文首先介紹了三相永磁同步電機的一些基本知識及其數(shù)學(xué)模型方程，然后介紹SVPWM的基本原理及算法實現(xiàn)，接著推導(dǎo)出雙閉環(huán)模式下電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)公式，最后，利用Matlab建立了矢量控制下三相永磁同步電機的仿真模型，并對仿真結(jié)果進行了分析。關(guān)鍵詞：三相永磁同步電機空間矢量調(diào)制雙閉環(huán)id=0目錄第1章緒論 11.1課題的研究目的與意義 11.2課題的研究歷程及現(xiàn)狀 11.2.1永磁同步電機研究現(xiàn)狀 11.2.2矢量控制研究現(xiàn)狀 11.3本文的主要工作 1第2章三相永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立 32.1三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點 32.1.1三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 32.1.2三相永磁同步電機的特點 32.2坐標(biāo)變換 42.2.1Clark變換 42.2.2Park變換 42.3自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 52.4靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 52.5旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 62.6本章小結(jié) 6第3章空間矢量調(diào)制技術(shù)的控制原理及應(yīng)用 73.1空間矢量調(diào)制技術(shù)的控制原理 73.1.1空間矢量調(diào)制技術(shù)的基本原理 73.1.2空間矢量的合成 83.2空間矢量調(diào)制技術(shù)的算法實現(xiàn) 93.2.1電壓矢量的扇區(qū)判斷 93.2.2非零矢量和零矢量作用時間的計算 113.2.3扇區(qū)矢量切換點的確認(rèn) 113.3本章小結(jié) 12第4章PI電流控制的參數(shù)整定 134.1電流環(huán)分析 134.2轉(zhuǎn)速環(huán)分析 144.3本章小結(jié) 15第5章三相永磁同步電機的矢量控制仿真與分析 165.1仿真工具介紹 165.2控制策略介紹 165.3仿真模型介紹 175.4三相永磁同步電機矢量控制仿真搭建及結(jié)果分析 175.4.1仿真搭建 175.4.2結(jié)果分析 195.5本章小結(jié) 22參考文獻 23第1章緒論1.1課題的研究目的與意義永磁同步電機組成結(jié)構(gòu)簡單、運行狀態(tài)穩(wěn)定、自身損耗微小、工作效率高效。目前，三相永磁同步電機已經(jīng)滲透到人工智能、航空航天和軍事等諸多領(lǐng)域中。近年來，在現(xiàn)代控制技術(shù)領(lǐng)域中矢量控制是應(yīng)用較為普遍、性能較為優(yōu)良的一種控制方式，同時也是諸多學(xué)者研究的一大熱點。在這種背景之下，研究永磁同步電機矢量控制技術(shù)便是大勢所趨。所以本次選題的主要目的就是建立起三相永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，并利用空間矢量調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)對三相永磁同步電機的控制，從而深入理解永磁同步電機矢量控制的思想。1.2課題的研究歷程及現(xiàn)狀1.2.1永磁同步電機研究現(xiàn)狀20世紀(jì)30年代,世界上誕生了第一種人造永磁材料。后來經(jīng)過廣大學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)這種人造永磁材料可以用作電機的制造，所以永磁式電機開始了不斷“革新”之路。由于永磁類電機的特殊優(yōu)勢使得其在21世紀(jì)發(fā)展成為了電機的一個重要門類。我國幅員遼闊、地大物博，世界85%以上的稀土資源都蘊藏在我國國土之中，這對我國這項技術(shù)的發(fā)展有著一定優(yōu)勢。當(dāng)前，在軍事上永磁同步電機已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，在其他方面的應(yīng)用也在不斷加深，如汽車電機、數(shù)字機床以及家用電器等方面的滲透。同時，永磁同步電機因其功率大并有著能夠向超大容量發(fā)展的趨勢已經(jīng)在永磁電機領(lǐng)域中占據(jù)了主流發(fā)展的位置。加之，永磁材料的市場化和電機制造技術(shù)的成熟化已經(jīng)使得永磁同步電機的成本逐漸降低，這進一步加快了永磁同步電機的發(fā)展。1.2.2矢量控制研究現(xiàn)狀由于歷史原因，國外對于永磁同步電機的矢量控制研究較早，起初都側(cè)重應(yīng)用于航天航空和軍事領(lǐng)域。但在上個世紀(jì)80年代左右，以日本安川為首的一些知名電氣企業(yè)開始出品自己的永磁同步電機的矢量控制技術(shù)產(chǎn)品，產(chǎn)品的市場已經(jīng)開始滲透于民用領(lǐng)域。我國建國時期經(jīng)濟水平不足以支撐這類工業(yè)的發(fā)展，所以對于這方面的研究較晚。我國在發(fā)展永磁同步電機矢量控制的初期一直局限于航天航空和軍事等高科技領(lǐng)域。隨著國家經(jīng)濟實力和科技的進步，國內(nèi)越來越多的科研院所和電氣企業(yè)已經(jīng)注意到了這個問題，并開始將其研究領(lǐng)域擴展到民用市場。但是，直到21世紀(jì)初我國對于永磁同步電機矢量控制的研究水平仍處于初級階段。近年來，在黨和國家的領(lǐng)導(dǎo)對工業(yè)自動化的重視下，永磁同步電機的矢量控制技術(shù)開始了飛速發(fā)展。雖然就目前的國際市場來看，國外的該項技術(shù)產(chǎn)品仍占據(jù)著較大份額，但是我國像華中數(shù)控等一些電氣廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品已經(jīng)逐年擴大著自身在國際市場的份額，外國對該項技術(shù)產(chǎn)品的壟斷局面開始被打破。1.3本文的主要工作本文旨在以三相永磁同步電機為研究對象，利用空間矢量調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)電機的控制，最后通過仿真分析驗證其有效性。本文的主要工作一共有四個部分，如下：（1）了解三相永磁同步電機的分類與優(yōu)勢，并掌握其數(shù)學(xué)模型。（2）學(xué)習(xí)空間矢量調(diào)制技術(shù)的基本原理及相關(guān)算法的實現(xiàn)，體會空間調(diào)制技術(shù)控制與PWM調(diào)制技術(shù)的區(qū)別。（3）結(jié)合自動控制原理的知識推導(dǎo)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)整定公式，體會雙閉環(huán)下三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的性能優(yōu)勢。（4）建立三相永磁同步電機矢量控制的仿真模型，最后通過觀察電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和定子三相電流的波形體會矢量控制在三相永磁同步電機中的控制優(yōu)勢。第2章三相永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立三相永磁同步電機雖然性能方面極具優(yōu)勢，但其強耦合與非線性的特點導(dǎo)致了對電機的控制將變得復(fù)雜起來，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對其良好的控制，我們就需要先對其建立合適的數(shù)學(xué)模型。2.1三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點2.1.1三相永磁同步電機的結(jié)構(gòu)圖2-1給出了三相永磁同步電機的內(nèi)部切面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2-SEQ圖\*ARABIC1永磁同步電機的切面圖圖2-SEQ圖\*ARABIC1永磁同步電機的切面圖其中，（a）的永磁體置于電機轉(zhuǎn)子表面，稱之為表貼式（簡稱PSM）。（b）的永磁體置于電機轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，稱之為內(nèi)置式（簡稱IPM）。表貼式的永磁同步電機在結(jié)構(gòu)組成上較內(nèi)置式更為簡單，制造成本也相對較低，但是其在高速運行中可能會出現(xiàn)永磁因離心力而被“甩飛”的現(xiàn)象，從而引起安全事故。對于內(nèi)置式的電機來說，其永磁體藏于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，是不會產(chǎn)生“甩飛”現(xiàn)象的。2.1.2三相永磁同步電機的特點三相永磁同步電機與一般的電勵磁電機相比，其優(yōu)勢集中體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用和環(huán)保四個方便。結(jié)構(gòu)方面：體積小、質(zhì)量輕。與同容量的其他電機相比較體積會更小，質(zhì)量會更輕，使用起來會更方便。性能方面：抗干擾性和自恢復(fù)性強。當(dāng)電機承載的負載發(fā)生變化時，電機能以最快的速度做出相應(yīng)的調(diào)整，并恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。應(yīng)用方面：永磁同步電機大多與電力電子器件配套使用，這種組合使用不僅讓其應(yīng)用范圍擴大，更使得電機的控制變得簡單，通過長期的工業(yè)使用經(jīng)驗，永磁同步電機使用壽命遠超同容量的其他類型電機。環(huán)保方面：耗能小、溫升低、效率高。與同容量的其他電機相比效率高出2%-8%。圖2-2不同坐標(biāo)系的示意圖2.2坐標(biāo)變換圖2-2不同坐標(biāo)系的示意圖2.2.1Clark變換根據(jù)圖2-2中的（A）和（B）可以得到Clark變換的坐標(biāo)公式為： fαfβ其中，f為一個泛指的變量，可以為電壓和電流，也可以為磁鏈等變量。Clark變換的坐標(biāo)變換矩陣，可以表示為： T3s/2s=23對應(yīng)的反Clark變換的坐標(biāo)變換矩陣可表示為： T2s/3s=1這里需要在后續(xù)模型建立的過程中注意的是，當(dāng)Clark變換根據(jù)幅值不變的原則變換時，變換矩陣的系數(shù)為23，當(dāng)Clark變換根據(jù)功率不變的原則變換時，變換矩陣的系數(shù)為22.2.2Park變換根據(jù)圖2-2的（B）和（C）可以得到Park變換的坐標(biāo)公式為： fdfq其中，Park變換的坐標(biāo)變換矩陣，可表示為： T2s/2r=cos對應(yīng)的反Park變換坐標(biāo)矩陣可表示為： T2r/2s=cos2.3自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型在給出數(shù)學(xué)模型之前要做以下幾點假設(shè)：電機鐵芯不飽和；不考慮電機的損耗；電機中的電流呈對稱的正弦波分布；電機中使用的永磁體所產(chǎn)生的磁場保持恒定不變。1.電壓方程 u3s=Ri其中，i3s=&iA&iB2.磁鏈方程 ψ3s=L其中，F(xiàn)3sL3s3.轉(zhuǎn)矩方程 Te=14.機械運動方程 Jdωm2.4靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型1.電壓方程 uαuβ2.磁鏈方程 ddtψα3.轉(zhuǎn)矩方程 Te=34.機械運動方程 Jddtω2.5旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型1.電壓方程 &ud=R2.磁鏈方程 &ψd=3.轉(zhuǎn)矩方程 Te=34.機械運動方程 Te?T2.6本章小結(jié)本章首先簡要介紹了三相永磁同步電機的基本情況，接著闡述了坐標(biāo)變換的基本原理，并最終以方程的形式給出了三類坐標(biāo)系下三相永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。

第3章空間矢量調(diào)制技術(shù)的控制原理及應(yīng)用3.1空間矢量調(diào)制技術(shù)的控制原理3.1.1空間矢量調(diào)制技術(shù)的基本原理圖SEQ圖\*ARABIC3-1兩電平三相電源逆變器的逆變電路空間矢量調(diào)制技術(shù)簡稱SVPWM。有時也被其他學(xué)者稱為磁鏈追蹤PWM，這是因為該技術(shù)就是通過逆變器工作模式切換的讓電機產(chǎn)生的實際磁鏈向著理想的圓形磁鏈趨近。所以SVPWM逆變電路中開關(guān)元件的通斷情況是由追蹤結(jié)果所決定的，圖3圖SEQ圖\*ARABIC3-1兩電平三相電源逆變器的逆變電路在逆變電路中，一共有六個開關(guān)導(dǎo)通器件和六個二極管組成。其工作模式共有八種，即：開關(guān)器件1、3、5導(dǎo)通，開關(guān)器件1、3、2導(dǎo)通，開關(guān)器件1、6、2導(dǎo)通，開關(guān)器件1、6、5導(dǎo)通，開關(guān)器件4、3、5導(dǎo)通，開關(guān)器件4、3、2導(dǎo)通開關(guān)器件4、6、5導(dǎo)通，開關(guān)器件4、6、2導(dǎo)通。為了簡化分析，假設(shè)開關(guān)函數(shù) S=1，某相上橋臂開關(guān)通0，某相下橋臂開關(guān)通 圖3-2V1、V6、V2導(dǎo)通時的等效逆變電路這八種模式下，每一相所承受的電壓也是不一樣的，以V1、V6、V2導(dǎo)通下的情況分析,此時逆變電路可等效為圖3-2：圖3-2V1、V6、V2導(dǎo)通時的等效逆變電路結(jié)合電路知識，可得： UaN=2在其他工作模式下各相電壓的求法與此保持一致，這里不再一一求解。但是可以發(fā)現(xiàn)這樣一個規(guī)律，當(dāng)三相的上橋臂或下橋臂同時導(dǎo)通時，各相的相電壓均為0；當(dāng)三相導(dǎo)通的開關(guān)器件中既有上橋臂的又有下橋臂的情況時，其中導(dǎo)通橋臂的位置不同于其他兩相的那一個相，其相電壓是其他兩相相電壓的2倍，具體的導(dǎo)通情況及各相相電壓如下表所示：表3-3開關(guān)組合和電壓的關(guān)系導(dǎo)通模式SaSbSc矢量符號UaNUbNUcN1000U00002001U5-1/3Ud-1/3Ud2/3Ud3010U3-1/3Ud2/3Ud-1/3Ud4011U4-2/3Ud1/3Ud1/3Ud5100U12/3Ud-1/3Ud-1/3Ud6101U61/3Ud-2/3Ud1/3Ud7110U21/3Ud1/3Ud-2/3Ud8111U7000圖3-SEQ圖\*ARABIC4圖3-SEQ圖\*ARABIC4電壓空間矢量圖3.1.2空間矢量的合成SVPWM的目的是使電機產(chǎn)生的實際磁通向著圓形磁鏈逐漸趨近，雖然SVPWM的基本電壓矢量只有八個，但是可以通過八個基本矢量的線性組合得到多個大小相等的一般矢量，最終使電機形成一個理想的圓形磁鏈。這里以圖3-4中扇區(qū)Ⅰ中的某一時刻所需的空間矢量US為例，US可由U4、U6、 TS× TS=T按照這樣的原理可以類推其他扇區(qū)的空間矢量，通過每個扇區(qū)形成的等幅不等相的空間矢量的共同作用，使得電機的實際磁鏈逐漸趨近于圓形磁鏈。圖3-SEQ圖\*ARABIC5空間矢量合成示意圖通過上述的原理介紹，這里以圖3圖3-SEQ圖\*ARABIC5空間矢量合成示意圖其中，Uout為所需要合成的空間矢量，U1、 U1=T4為了求的矢量的作用時間，這里可以在O-Ts-T4組成的三角形中利用數(shù)學(xué)中的正弦定理計算，則有: Uoutsin2將U1和U T4=3求得基本電壓矢量的作用時間后，利用SVPWM產(chǎn)生調(diào)制波即可。目前，SVPWM有兩種產(chǎn)生調(diào)制波的方法，一種是五段式，另一種使七段式。五段式的優(yōu)點在于開關(guān)器件的動作次數(shù)少，缺點是產(chǎn)生的諧波含量大；七段式的優(yōu)點在于諧波含量少，缺點是開關(guān)器件的動作次數(shù)多。后續(xù)的三相永磁同步電機的矢量控制中就采用了七段式SVPWM，具體的開關(guān)導(dǎo)通情況在后續(xù)章節(jié)中給出。3.2空間矢量調(diào)制技術(shù)的算法實現(xiàn)通過前面對空間矢量調(diào)制技術(shù)原理的介紹，可以總結(jié)出空間矢量調(diào)制技術(shù)的具體算法步驟為：3.2.1電壓矢量的扇區(qū)判斷電壓矢量所在扇區(qū)的位置確定方法有兩種，一種叫角度判別法，另外一種稱為計算判別法。二者都是從電壓矢量的特征為判別依據(jù)的。（1）角度判別法圖3-4是在α?β平面所劃分的扇區(qū)，從該圖中可以直接寫出每一個扇區(qū)的判斷條件，將判據(jù)列表如下：表3-6合成矢量落在某扇區(qū)的判據(jù)扇區(qū)判據(jù)ⅠUⅡUⅢUⅣUⅤUⅥU（2）計算判別法從表3-6中仔細觀察可以看到，合成矢量所在扇區(qū)完全由Uβ Uref1=表3-7變量的值判定條件變量的值判定條件變量的值UA=1UA=0UB=1UB=0UC=1UC=0參照表3-7將所得結(jié)果代入公式N=4C+2B+A中求得N值。通過所得N值參照表3-8即可確定矢量所在扇區(qū)。表3-8N值與扇區(qū)的關(guān)系N315462扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ3.2.2非零矢量和零矢量作用時間的計算矢量作用時間的確定在上述內(nèi)容中有提到，這里仍然以扇區(qū)Ⅰ為例分析。從圖3-5中可以得出： T4=3類似地，也可以獲得其他扇區(qū)矢量的作用時間。假設(shè)存在變量X、Y、Z,則由公式（3-10）可求得基本矢量的作用時間并總結(jié)于表3-9中： X=3Ts表3-9各個扇區(qū)矢量的作用時間NⅠⅡⅢⅣⅤⅥT1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-ZT0(或T7）T0(T7)=(TS-T1-T2)/2在SVPWM的運算過程中很有可能會出現(xiàn)T1 T1=T3.2.3扇區(qū)矢量切換點的確認(rèn)上述兩步已知了合成矢量所在的扇區(qū)以及合成矢量所作用的時間，但尚不清楚開關(guān)期間的導(dǎo)通順序。本小節(jié)將給出開關(guān)的導(dǎo)通順序。開關(guān)器件的打開與關(guān)閉情況應(yīng)遵循以下兩點：一是在一個周期中開關(guān)器件的導(dǎo)通次數(shù)要盡可能少，二是使流過的電流中所含的諧波分量盡可能小。通過實踐證明，采用七段式SVPWM可以最大限度的滿足這兩個原則。本仿真所采用的是七段式SVPWM，這里以區(qū)域Ⅰ中的某一合成矢量為例說明，如圖3-10。圖3-10區(qū)域Ⅰ中某合成矢量的開關(guān)導(dǎo)通順序圖3-10區(qū)域Ⅰ中某合成矢量的開關(guān)導(dǎo)通順序 Ta=T上述的占空比即為切換點，由此可以類推出其他區(qū)域合成矢量的切換點，此處將以表格的形式給出，不再贅述。表3-11各扇區(qū)的切換點N123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa3.3本章小結(jié)本章內(nèi)容首先減少了空間矢量調(diào)制技術(shù)的基本原理，接著給出了空間矢量調(diào)制技術(shù)的三個算法步驟，最后針對每一個算法步驟給出了具體的實現(xiàn)辦法。

第4章PI電流控制的參數(shù)整定4.1電流環(huán)分析電流內(nèi)環(huán)的設(shè)置作用是使電機以最大電流起動，減少電機的電壓波動，增加電機動態(tài)響應(yīng)的靈敏性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電流環(huán)的參數(shù)整定分兩個部分，一部分是直軸電流PI調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，另一部分是交軸電流PI調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。二者參數(shù)設(shè)置方法一致，此處以交軸電流PI調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為例，圖4-1給出了電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框架。圖4-1q軸電流環(huán)框圖在沒有擾動的情況下合并時間常數(shù)，可以簡化電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框架，如圖4-2。圖4-2q軸電流環(huán)的簡化框圖根據(jù)圖4-2求得電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為： Wois=由于時間常數(shù)和開關(guān)頻率成反比，所以當(dāng)開關(guān)頻率足夠高時，時間常數(shù)趨于0，所以上述的閉環(huán)傳遞函數(shù)又進一步可以簡化為： Wois=1根據(jù)二階系統(tǒng)的相關(guān)知識，當(dāng)阻尼比為0.707時，二階系統(tǒng)是最好的。因此，結(jié)合閉環(huán)傳遞函數(shù)可以得出以下結(jié)論： 2Tsk上式簡單化簡后可得到電流環(huán)的PI參數(shù)為： &kIp=Ld軸電流PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)置與q軸幾乎一章中的模型采用的控制策略為id=0，對于控制策略的具體介紹將在第五章展開闡述。4.2轉(zhuǎn)速環(huán)分析轉(zhuǎn)速外環(huán)的作用是減少電機的轉(zhuǎn)矩波動，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在轉(zhuǎn)速環(huán)中，以忽略各類摩擦系數(shù)為前提，將負載作為擾動，可得到如圖4-3的轉(zhuǎn)速外環(huán)結(jié)構(gòu)框圖。圖4-3轉(zhuǎn)速外環(huán)結(jié)構(gòu)框圖在忽略負載的前提下，合并電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)的時間常數(shù)為5Ts，可得到轉(zhuǎn)速外環(huán)的簡化框圖，如圖4-4所示。圖4-4轉(zhuǎn)速外環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)框圖由圖4-3可得開轉(zhuǎn)速外環(huán)的傳遞函數(shù)為： Woss=轉(zhuǎn)速外環(huán)的中頻帶寬?s ?s=τ根據(jù)二階系統(tǒng)的相關(guān)知識可得： 32np當(dāng)?s &τs=5上式簡單化簡后可得到轉(zhuǎn)速環(huán)的PI參數(shù)為： &kvp=上述兩小節(jié)給出了電流內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)速外環(huán)的參數(shù)計算公式，為后續(xù)仿真參數(shù)的設(shè)定奠定了基礎(chǔ)。但是根據(jù)實際仿真摸索發(fā)現(xiàn)，電流內(nèi)環(huán)計算所的參數(shù)是滿足電機運行的條件的，而轉(zhuǎn)速外環(huán)計算所得參數(shù)是無法使電機平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動，最后可以通過“逼近法”估算求得轉(zhuǎn)速外環(huán)的參數(shù)值。4.3本章小結(jié)本章首先闡述了在三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中采用電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的作用效果，接著給出電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖，最后根據(jù)自動控制原理的相關(guān)知識求得電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的參數(shù)整定公式。

第5章三相永磁同步電機的矢量控制仿真與分析第二章給出了三相永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，第三章給出了空間矢量調(diào)制技術(shù)的原理，第三章給出了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的參數(shù)整定。而本章將結(jié)合這三章的內(nèi)容，利用Matlab仿真軟件中的Simulink搭建出三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)，并對所得結(jié)果做出分析。5.1仿真工具介紹Matlab是1980年代由CleveMoler博士建立的，起初用于授課和教學(xué)，經(jīng)過不斷地發(fā)展其逐步成為了構(gòu)建與分析實際問題數(shù)學(xué)模型的得力工具。其中的Simulink是一個附加的組件，給使用者提供了搭建模型的平臺，它能實現(xiàn)模型的建立與仿真的集成，達到高效率開發(fā)系統(tǒng)的目的。Simulink是Simulation和Link的縮寫，表示的是仿真鏈接。其作為搭建系統(tǒng)的仿真平臺具有一定的優(yōu)勢，具體可以總結(jié)為四個方面：（1）可以運用庫里現(xiàn)有的模塊對仿真系統(tǒng)進行搭建，不需要復(fù)雜的編程。并且對于參數(shù)的修改之間點擊模塊就可以實現(xiàn)，無需復(fù)雜的操作。（2）對于模型的仿真可以實現(xiàn)自動初始化、自動建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及自動計算輸出量。（3）仿真所得數(shù)據(jù)是.mat格式，可以使用其他軟件對數(shù)據(jù)進行處理。（4）對于仿真的錯誤可以實現(xiàn)提醒或警告。Simulink中含有一個元器件的模塊庫，里面仿真模塊涉及到多個領(lǐng)域，同時模塊都被優(yōu)化過，使用起來是十分便捷的。這里特別指出Simulink中的S-functionbuilder模塊，這個模塊的主要作用是可以采用多種語言實現(xiàn)各類模塊的功能，通過編程實現(xiàn)的模塊功能將更加貼近實際情況。本仿真中就采用了該模塊實現(xiàn)了SVPWM的功能。5.2控制策略介紹對于三相永磁同步電機的矢量控制一般有四種控制策略，這四種策略是根據(jù)控制目標(biāo)的不同進行區(qū)分的，下面對各種控制策略做出簡單介紹。勵磁電流id=0控制永磁同步電機定子電流由勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流組成，id=0的控制策略是通過人為因素將電機中的勵磁電流設(shè)置為0。當(dāng)勵磁電流被設(shè)定為0時，電機定子電流就是轉(zhuǎn)矩電流，此時控制電機定子電流就是直接控制了電機的轉(zhuǎn)矩。但這種策略也有一定的弊端，電機功率因素會隨轉(zhuǎn)矩的增大而減小，同時該控制策略下的電機調(diào)速范圍受限比較大。功率因素cosθcosθMTPA控制MTPA控制策略的本質(zhì)就是在改變勵磁電流的前提下尋找到電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩。這種策略的最大優(yōu)勢是可以減小電機的損耗，延長電機的使用壽命，但是缺點在于這種策略只適用于內(nèi)置式的三相永磁同步電機。磁場削弱控制磁場削弱控制的本質(zhì)就是增大去磁作用的電流id,同時要減小電流iq，通常應(yīng)用在電機恒定功率的情況下。根據(jù)公式us=?i以上四種策略即為電機矢量控制的一般情況，本仿真所采用的是勵磁電流id=0的控制策略。5.3仿真模型介紹圖5-1id=0控制策略下的三相永磁同步電機矢量控制框圖三相永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)主要由三相永磁同步電機、空間矢量調(diào)制技術(shù)和電流與轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)三部分組成，具體的系統(tǒng)框圖如圖5-1所示。圖5-1id=0控制策略下的三相永磁同步電機矢量控制框圖在確定了三相永磁同步電機所要達到的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為參考值后，將電機實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)速比較，接著通過雙閉環(huán)和Park逆變換的作用，得到靜態(tài)坐標(biāo)系中的電壓。同時，電壓被傳輸?shù)絊VPWM中以獲得控制脈沖，控制逆變器開關(guān)設(shè)備的導(dǎo)通順序，從而最終達到改變流入三相永磁同步電機的定子電流的目的。以上就是三相永磁同步電機矢量控制模型的基本工作原理，在這個控制中，電流內(nèi)環(huán)提供了控制脈沖的信號源，轉(zhuǎn)速外環(huán)提供了電流內(nèi)環(huán)中轉(zhuǎn)矩電流所需的給定值，通過兩個閉環(huán)的控制使得電機的調(diào)節(jié)變得更加準(zhǔn)確。5.4三相永磁同步電機矢量控制仿真搭建及結(jié)果分析5.4.1仿真搭建圖5-2三項永磁同步電機矢量控制的仿真模型通過上一小節(jié)給出的仿真模型框圖，這一小節(jié)利用Matlab中的Simulink搭建出仿真模型如圖5-2。圖5-2三項永磁同步電機矢量控制的仿真模型圖5-2中所有模塊的參數(shù)設(shè)置匯總于表5-3所示。表5-3仿真參數(shù)及其大小設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)大小參數(shù)名稱參數(shù)大小極對數(shù)4直流側(cè)電壓U定子電感LPWM開關(guān)頻率f定子電阻R=采樣周期T磁鏈ψ算法ode23tb轉(zhuǎn)動慣量J=相對誤差0.0001阻尼系數(shù)B=仿真時間1s額定轉(zhuǎn)速1200r/min參考轉(zhuǎn)速1000r本仿真模型主要包括三部分：一是三相永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立，二是實現(xiàn)SVPWM的算法控制，三是利用電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的共同作用實現(xiàn)雙閉環(huán)系統(tǒng)。在仿真中電機的數(shù)學(xué)模型變換需要利用第二章中坐標(biāo)變換的公式進行封裝搭建；SVPWM算法利用S-functionbuilder模塊，通過第三章算法的準(zhǔn)則寫出控制算法的C語言來實現(xiàn)；雙閉環(huán)部分直接采用元器件庫內(nèi)已優(yōu)化的模塊，具體的參數(shù)設(shè)置根據(jù)第四章的公式計算可得。但是PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)采用第四章的公式將無法得到與實際電機運行的結(jié)果，這里的參數(shù)需要采用“逼近法”進行手動調(diào)試，經(jīng)過不斷的嘗試，最終可以將參數(shù)鎖定為下表：表5-4PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)值iq電流環(huán)的PI參數(shù)Kp=300Ki=23950id電流環(huán)的PI參數(shù)Kp=131.25Ki=23950轉(zhuǎn)速環(huán)的PI參數(shù)Kp=0.2Ki=305.4.2結(jié)果分析1．不帶負載啟動及運行中突增負載的實驗電機的參考轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000，在0時刻以不帶任何負載為前提啟動電機，在0.1s左右的時刻給電機一定的負載擾動，所得的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及定子三相電流的情況如下圖5-5至圖5-7所示：圖5-5電機轉(zhuǎn)速波形圖5-5電機轉(zhuǎn)速波形圖5-6電機電磁轉(zhuǎn)矩波形圖5-6電機電磁轉(zhuǎn)矩波形圖5-7電機定子三相電流波形圖5-7電機定子三相電流波形根據(jù)電機所帶負載的大小，將上述波形分成0~0.1s，電機空載運行階段分析（0~0.1s）通過對仿真結(jié)果的觀察可知，電機剛剛啟動之后，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速迅速上升，并且轉(zhuǎn)速上升幅度超過參考轉(zhuǎn)速，這說明電機的啟動速度快。當(dāng)轉(zhuǎn)速維持到參考轉(zhuǎn)速時電機的轉(zhuǎn)矩急速下降并維持到0.83N?m，根據(jù)機械運動方程Te?通過觀察圖5-7電機定子三相電流波形可知，電機剛剛啟動之后，定子電流可以達到在25A以上,但是經(jīng)過很短的