永磁同步電機(jī)系統(tǒng)仿真

1、第1章 緒論1.1 課題研究的背景1.1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代。其運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體替代激磁繞組，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。隨著電力電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展，20 世紀(jì) 70 年代，永磁同步電機(jī)開始應(yīng)用于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。20 世紀(jì) 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的進(jìn)展，特別是剩磁高、矯頑力大而價(jià)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(jìn)了永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。尤其值得一提的是我國是一個(gè)稀土材料的大國，稀土儲(chǔ)量和稀土金屬的提煉都居世界首位。隨著稀土材料技術(shù)的不

2、斷發(fā)展，永磁材料的磁能積已經(jīng)做的很高，價(jià)格也早就滿足工業(yè)應(yīng)用的需要，加上矢量控制水平的不斷提高，永磁同步電動(dòng)機(jī)越來越顯出效率高、功率密度大、調(diào)速范圍寬、脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩小等高性能的優(yōu)勢(shì)。使我國在稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。新型永磁材料在電機(jī)上的應(yīng)用，不僅促進(jìn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、制造工藝等方面的改革，而且使永磁同步電機(jī)的性能有了質(zhì)的飛躍，稀土永磁同步電機(jī)正向大功率(超高速、大轉(zhuǎn)矩)微型化、智能化、高性能化的方向發(fā)展，成為交流調(diào)速領(lǐng)域的一個(gè)重要分支12。由于受到功率開關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展水平的制約，永磁同步電機(jī)最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上與直

3、流電機(jī)類似，但這種電機(jī)的轉(zhuǎn)矩存在較大的波動(dòng)。為了克服這一缺點(diǎn)，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上又研制出帶有位置傳感器、逆變器驅(qū)動(dòng)的正弦波永磁同步電機(jī)，這就使得永磁同步電機(jī)有了更廣闊的前景。1.1.2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的不斷發(fā)展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在實(shí)際中得到應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，各種控制策略都存在著一定的不足，如低速特性不夠理想，過分依賴于電機(jī)的參數(shù)等等，因此，對(duì)控制策略中存在的問題進(jìn)行研究就有著十分重大的意義。1971年，德國學(xué)者相繼提出了交流電機(jī)的矢量變換控制的新思想、新理論和新技術(shù)，它的出現(xiàn)對(duì)交

4、流電機(jī)控制技術(shù)的研究具有劃時(shí)代的意義。因?yàn)檫@種通過磁場(chǎng)定向構(gòu)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(jì)算機(jī)技術(shù)和永磁材料科學(xué)的發(fā)展，矢量控制技術(shù)得以迅速應(yīng)用和推廣。矢量控制是在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電機(jī)統(tǒng)一理論和空間矢量理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它首先應(yīng)用于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，很快擴(kuò)展到三相永磁同步電機(jī)。由于三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)造成轉(zhuǎn)子參數(shù)變化，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的觀測(cè)依賴于轉(zhuǎn)子參數(shù)，所以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)難以準(zhǔn)確觀測(cè)，使得實(shí)際控制效果難以達(dá)到理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實(shí)踐上的不足之處。而永磁同步電機(jī)采用永磁體做轉(zhuǎn)子，參數(shù)較固定，所以矢量控制永磁同步電機(jī)在小功

5、率和高精度的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。隨后，1985年，由德國魯爾大學(xué)教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，接著又把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。與矢量控制技術(shù)相比，直接轉(zhuǎn)矩控制很大程度上解決了矢量控制三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的特性易受電機(jī)參數(shù)變化的影響這一問題。直接轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜動(dòng)態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注和得到了迅速的發(fā)展。目前該技術(shù)成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。德國、日本、美國都競(jìng)相發(fā)展此項(xiàng)新技術(shù)34。20世紀(jì)90年代后，隨著微電子學(xué)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)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(jī)控制，可使電

6、機(jī)的調(diào)速性能有很大的提高，使復(fù)雜的矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)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(hù)、顯示、故障監(jiān)視、自診斷、自調(diào)試及自復(fù)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(shí)用性。近幾年，在先進(jìn)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(jī)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(diào)節(jié)和復(fù)雜的矢量控制，保證了用于電機(jī)控制的算法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制、觀測(cè)控制及狀態(tài)觀測(cè)器、線性二次型積分

7、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(hào)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代仿真技術(shù)1的發(fā)展與控制工程、系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)?？刂乒こ淌欠抡婕夹g(shù)較早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，控制工程技術(shù)的發(fā)展為現(xiàn)代仿真技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。系統(tǒng)工程的發(fā)展進(jìn)一步完善了系統(tǒng)建模與仿真的理論體系，同時(shí)使系統(tǒng)仿真廣泛應(yīng)用于非工程系統(tǒng)的研究和預(yù)測(cè)5。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不論是在理論還是實(shí)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(shù)目前仍然存在一些缺陷

8、，例如建模方法尚不完善，研究同一個(gè)系統(tǒng)的同一個(gè)問題可以建立出不同的模型，而且有些社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的問題尚無法建立準(zhǔn)確的模型進(jìn)行求解。進(jìn)入90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的各個(gè)方面都取得了很大的發(fā)展6。為了獲得滿意的轉(zhuǎn)矩計(jì)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(duì)PMSM系統(tǒng)進(jìn)行仿真。1.2 本文主要工作本文立題為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真，進(jìn)行了一系列的工作，主要涉及以下的研究內(nèi)容：(1)建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；(2)介紹永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，給出永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)方程；(3)介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)；(

9、4)建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；(5)對(duì)仿真結(jié)果的進(jìn)行分析，得出永磁同步電機(jī)的性質(zhì)特點(diǎn)。第2章 建模與仿真建模與仿真是指構(gòu)造現(xiàn)實(shí)世界實(shí)際系統(tǒng)的模型和計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真的有關(guān)復(fù)雜活動(dòng)，它主要包括實(shí)際系統(tǒng)、模型和計(jì)算機(jī)等三個(gè)部分，同時(shí)考慮三個(gè)基本部分之間的聯(lián)系，即建模與仿真關(guān)系。 2.1 建模與仿真的定義建模關(guān)系主要研究實(shí)際系統(tǒng)與模型之間的關(guān)系，它通過對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的觀測(cè)和檢測(cè)，在忽略次要因素及不可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡化近似模型，如圖2-1所示。仿真關(guān)系主要研究計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)與模型之間的關(guān)系，其程序能為計(jì)算機(jī)所接受并在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行7。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模

10、型建模仿真圖2-1 建模與仿真的基本組成與兩個(gè)關(guān)系 2.2 實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)是所關(guān)注的現(xiàn)實(shí)世界的某個(gè)部分，它具有獨(dú)立行為規(guī)律，是相互聯(lián)系又相互作用的對(duì)象的有機(jī)結(jié)合。實(shí)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(jì)劃的。例如，一個(gè)進(jìn)銷存儲(chǔ)系統(tǒng)是個(gè)人工系統(tǒng)，它包括經(jīng)理部、市場(chǎng)部、采購部、倉儲(chǔ)部和銷售部等部門，各個(gè)部門相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。總經(jīng)理負(fù)責(zé)各個(gè)部分之間的協(xié)調(diào)，并負(fù)責(zé)主要的決策。使系統(tǒng)獲得最大的利潤。剛開始建模時(shí)，對(duì)建模者而言，實(shí)際系統(tǒng)可表征為系統(tǒng)行為數(shù)據(jù)源，即以X對(duì)T曲線為主要形式的行為數(shù)據(jù)源，X是實(shí)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(shí)間軸，用秒、小時(shí)、日、月等度量，

11、如圖2-2所示。圖2-2實(shí)際系統(tǒng)的一般表示對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來說，無論是大還是小，都包括三個(gè)要素：實(shí)體、屬性和活動(dòng)。實(shí)體是指組成系統(tǒng)的具體對(duì)象，系統(tǒng)中的實(shí)體既具有一定的相對(duì)獨(dú)立性，又相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)整體。例如，在進(jìn)銷存儲(chǔ)系統(tǒng)中，經(jīng)理、部門、商品、倉庫、職員等都為實(shí)體。屬性是指對(duì)實(shí)體特征的描述，用特征參數(shù)或變量表示。實(shí)際系統(tǒng)不是孤立的存在的，任何一個(gè)系統(tǒng)都將由于系統(tǒng)之外的變化而受影響。這種對(duì)系統(tǒng)活動(dòng)產(chǎn)生影響的外界因素稱為系統(tǒng)的環(huán)境。在系統(tǒng)建模的初始階段，應(yīng)考慮系統(tǒng)所處的環(huán)境，并首先應(yīng)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(shí)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

12、型與建模關(guān)系構(gòu)造一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的模型，在模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成為系統(tǒng)分析、研究的十分有效的手段。為了達(dá)到系統(tǒng)研究的目的，系統(tǒng)模型用來收集系統(tǒng)有關(guān)信息和描述系統(tǒng)有關(guān)實(shí)體。也就是說，模型是為了產(chǎn)生行為數(shù)據(jù)的一組指令，它可以用數(shù)學(xué)公式、圖、表等形式表示。模型是對(duì)相應(yīng)的真實(shí)對(duì)象和真實(shí)關(guān)系中有些有用的和令人感興趣的特征的抽象，是對(duì)系統(tǒng)某些本質(zhì)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(duì)真實(shí)世界中的物體或過程的相關(guān)信息進(jìn)行形式化的結(jié)果。從某種意義上說，模型是系統(tǒng)的代表，同時(shí)也是對(duì)系統(tǒng)的簡化。另一方面，模型應(yīng)足夠詳細(xì)，以便從模型的實(shí)驗(yàn)中取得關(guān)于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的有效結(jié)論8。由一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)造一

13、個(gè)模型的任務(wù)一般包括兩方面的內(nèi)容：第一是建立模型結(jié)構(gòu)，第二是提供數(shù)據(jù)。在建立模型結(jié)構(gòu)時(shí)，要確定系統(tǒng)的邊界，還要鑒別系統(tǒng)的實(shí)體、屬性和活動(dòng)。而提供數(shù)據(jù)則要求能夠包括在活動(dòng)中的各個(gè)屬性之間有確定的關(guān)系，在選擇模型結(jié)構(gòu)時(shí)，要滿足兩個(gè)前提條件：第一是要細(xì)化模型研究的目的，二是要了解有關(guān)特定的建模目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系。一般來說，系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)具有以下一些性質(zhì)910：(l)相似性。模型與研究系統(tǒng)在屬性上具有相似的特性和變化規(guī)律，這就是說真實(shí)系統(tǒng)的“原型”與“替身”之間具有相似的物理屬性或數(shù)學(xué)描述。(2)簡單性。從實(shí)用的觀點(diǎn)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(cè)變量的影響，因

14、此實(shí)際的模型已是一個(gè)被簡化了的近似模型。(3)多面性。對(duì)于由許多實(shí)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(guān)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(guān)系仿真關(guān)系主要關(guān)注的是計(jì)算機(jī)執(zhí)行模型所規(guī)定的指令的真實(shí)性，一個(gè)模型的程序能否真實(shí)地體現(xiàn)模型所具有的內(nèi)涵，稱之為程序的準(zhǔn)確性，要驗(yàn)證模型的有效性，需要把模型的行為同實(shí)際系統(tǒng)的行為進(jìn)行比較，這樣才不會(huì)把程序問題和模型問題混淆起來。這就要求我們必須懂得仿真過程，包括仿真機(jī)理和仿真策略。2.5 建模與仿真工作內(nèi)容任何一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究都會(huì)涉及建模與仿真的問題，建模與仿真成為當(dāng)今現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的主要內(nèi)容

15、。其技術(shù)也滲透到各學(xué)科和工程技術(shù)領(lǐng)域。為了讓建模與仿真研究成果更好地被直接應(yīng)用或者用來指導(dǎo)將來的工作，使這項(xiàng)工作對(duì)科學(xué)與工業(yè)能有長期貢獻(xiàn)，并讓有關(guān)用戶和同行能更好理解和交流有關(guān)工作及實(shí)驗(yàn)。仿真建模表示內(nèi)容可規(guī)范如下6-10：(1)模型和針對(duì)模型構(gòu)造的假設(shè)的非形式描述(2)模型結(jié)構(gòu)形式描述(3)執(zhí)行仿真的程序設(shè)計(jì)(4)仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)結(jié)果及分析(5)模型應(yīng)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(guān)系2.6本章小結(jié)建模與仿真活動(dòng)一般由下面五個(gè)要素組成：實(shí)際系統(tǒng)、實(shí)際框架、基本模型、集總模型和計(jì)算機(jī)。第3章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型3.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的概述3.1.1 同步電機(jī)的基本

16、原理同步電動(dòng)機(jī)是一種交流電動(dòng)機(jī)，其主要特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)定子電流頻率以及電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。普通同步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，電動(dòng)機(jī)定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)殼組成。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種結(jié)構(gòu)形式，隱極式轉(zhuǎn)子做成圓柱形且其氣隙均勻，而凸極式轉(zhuǎn)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(dāng)同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較小時(shí)，可采用結(jié)構(gòu)簡單的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組套在轉(zhuǎn)子磁極鐵心上，而經(jīng)由電刷和集電環(huán)引入的勵(lì)磁電流應(yīng)能使轉(zhuǎn)子磁極的極性呈現(xiàn)N，S極交替排列1112。同步電動(dòng)機(jī)的工作原理，就是電動(dòng)機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以磁拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子

17、的同步地旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接入三相電流而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組接入直流電流而形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：n=ns=60fs/pn。式中,fs為電源頻率；pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；ns為同步轉(zhuǎn)速。3.1.2 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電機(jī)一致，永磁同步電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)基本相同，永磁同步電機(jī)定子主要由沖有槽孔的硅鋼片、三相Y型連接的對(duì)稱分布在槽中的繞組、固定鐵芯的機(jī)殼及端蓋等部分組成。三相永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。如果在三相空間對(duì)稱的定子繞組中通入三相時(shí)間上也對(duì)稱的正弦電流，那么在三相永磁同步電機(jī)的氣隙中會(huì)產(chǎn)生一

18、個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為n=ns=60fs/pn。式中，fs為電源頻率；pn為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；ns為同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。目前，永磁同步電機(jī)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(zhuǎn)子分為表面粘貼式、表面插入式和內(nèi)置式，如圖3-1所示。(a)表面粘貼式 (b)為表面插入式 (c)內(nèi)置式圖3-1 永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(nèi)置式。由于永磁體特別是稀土永磁體的磁導(dǎo)率近似等于真空磁導(dǎo)率，對(duì)于圖 3 -1(a)所示的轉(zhuǎn)

19、子結(jié)構(gòu)，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(zhì)。而對(duì)其他結(jié)構(gòu)，直軸磁阻大于交軸磁阻，因此LdLq，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。前兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的表面上，提供徑向的磁通，可減小轉(zhuǎn)子直徑，從而降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可獲得低電感，有利于電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的改善。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常為條狀，位于轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，機(jī)械強(qiáng)度高，磁路氣隙小，提供的磁通方向與轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于此種轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性，產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的過載能力和功率密度，適用于弱磁控制的高速運(yùn)行場(chǎng)合13-16。對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電

20、流為正弦波。為了使電機(jī)具有恒力矩輸出，電機(jī)應(yīng)具有正弦波反電勢(shì)，以保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定。通過合理的設(shè)計(jì)，表面式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦波反電勢(shì)。3.1.3 永磁同步電機(jī)的分類永磁同步電機(jī)的分類方法很多。按轉(zhuǎn)子上有無起動(dòng)繞組，可分為異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)(無起動(dòng)繞組的電動(dòng)機(jī))；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(yīng)電動(dòng)勢(shì)的不同，將永磁同步電機(jī)分為正弦波永磁同步電機(jī)和梯形波永磁同步電機(jī)，正弦波永磁同步電機(jī)稱為永磁同步電機(jī)；按工作主磁場(chǎng)方向不同，可分為徑向磁場(chǎng)式和軸向磁場(chǎng)式；按電驅(qū)繞組位置不同，可分為內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式；根據(jù)極對(duì)數(shù)的不同，可分為單極永磁同步電機(jī)

21、和多極永磁同步電機(jī)；因?yàn)樵诳刂粕细咏谥绷麟姍C(jī)的控制，梯形波永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)11-16。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)中不含高次諧波，渦流以及其磁滯損耗較小，所以電機(jī)效率會(huì)增加。永磁同步電動(dòng)機(jī)不存在相間換流時(shí)的沖擊電流，所以永磁同步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)低于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。3.1.4 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用現(xiàn)在永磁同步電機(jī)的輸出功率從幾毫瓦到幾千瓦，覆蓋了微、小及中型電機(jī)的功率范圍，且延伸至大功率領(lǐng)域。在永磁同步電機(jī)中，用于勵(lì)磁的永磁鐵取代了轉(zhuǎn)子的直流勵(lì)磁繞組，從而勵(lì)磁銅耗得以消除，轉(zhuǎn)子慣性也相應(yīng)的降低，并且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電

22、刷裝置，結(jié)構(gòu)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(jī)轉(zhuǎn)速被提高到最佳值，提高了功率質(zhì)量比。這些原因使其具有了普通電機(jī)所不具備的顯著特點(diǎn)：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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)差別較大，但由于永磁材料的使用，永磁同步電機(jī)具有如下共同的特點(diǎn)14-19：(1)體積小、質(zhì)量輕。近些年來，隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大提高，與同容量的異步電機(jī)相比，體積和重量都有明顯的減小，使其適合應(yīng)用在許多特殊場(chǎng)合。(2)功率因數(shù)高、效率高、節(jié)約能源。永磁同步電機(jī)與感應(yīng)電機(jī)相比，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，可以顯著提高功率因數(shù)，減小定子銅耗。而

23、且永磁同步電機(jī)在 25%-120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，使輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更為顯著。(3)磁通密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。高永磁磁通密度、輕轉(zhuǎn)子質(zhì)量，帶來高轉(zhuǎn)矩慣量比，有效提高了永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。(4)可靠性高。與直流電動(dòng)機(jī)和電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)相比，由于取消了集電環(huán)和電刷等機(jī)械換向裝置，成為無刷電機(jī)，這不但減少了機(jī)械和電氣損耗，而且還不會(huì)產(chǎn)生電刷火花所引起的電磁干擾，永磁電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單牢固、運(yùn)行可靠。(5)具有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速同步性和比較寬的調(diào)速范圍。對(duì)于要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)具有突出的優(yōu)點(diǎn)，變頻電源可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制，且調(diào)速控制方便，并在所有頻率范圍內(nèi)均能穩(wěn)定運(yùn)行。

24、(6)永磁同步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是失去了勵(lì)磁調(diào)節(jié)的靈活性；可能會(huì)出現(xiàn)退磁效應(yīng)；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(jī)這些優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外許多領(lǐng)域用的特殊電機(jī)、高性能電機(jī)都采用永磁同步電機(jī)方案目前節(jié)能降耗已經(jīng)成為我國基本國策，推廣應(yīng)用永磁同步電機(jī)可以促進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工作發(fā)展，促進(jìn)節(jié)能降耗目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。永磁同步電機(jī)在電梯領(lǐng)域的應(yīng)用。傳統(tǒng)的電梯拽引技術(shù)應(yīng)用了齒輪間接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在，使得整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)材料消耗較大、運(yùn)行效率低以及維護(hù)復(fù)雜、噪聲大等缺點(diǎn)。因此相比有齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用永磁同步電機(jī)直接無齒輪驅(qū)動(dòng)的電梯系統(tǒng)在節(jié)能、

25、環(huán)保方面有著突出的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外紛紛開始研究開發(fā)無齒輪永磁同步電梯拽引機(jī)，日本三菱公司首先在高速電梯上使用永磁同步拽引機(jī)，采取了有效措施抑制高次諧波以降低低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了其運(yùn)行性能，通力公司開發(fā)了ECODISO永磁盤式無齒拽引機(jī)，應(yīng)用于機(jī)房電梯。永磁同步電機(jī)在船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于永磁同步電機(jī)效率高，輕量化和高性能等特點(diǎn)，因此得到了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)供應(yīng)商青睞，比如船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)三大供應(yīng)商之一的西門子就開發(fā)出了以永磁同步電機(jī)為SPP推進(jìn)系統(tǒng)。效率較高的永磁同步電機(jī)是SPP系統(tǒng)的效率得到明顯提高。永磁同步電機(jī)在混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域的應(yīng)用。永磁同步電動(dòng)機(jī)是各種電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向之一。

26、日本1965年就開始研制電動(dòng)車，于1967年成立了日本電動(dòng)車協(xié)會(huì)。1996年，豐田汽車公司研制的電動(dòng)車RAV4就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其下屬的日本富士電子研究所研制的永磁同步電機(jī)可以達(dá)到最大功率50KW，最高轉(zhuǎn)速 1300r/min。歐洲許多發(fā)達(dá)國家很早就開始了對(duì)電動(dòng)車的研究。在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇上，不同國家各有側(cè)重，英國、法國偏重于永磁無刷直流電機(jī)，德國偏重于開關(guān)磁阻電機(jī)。綜上，永磁電機(jī)得到了非常廣泛的應(yīng)用，遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)已成為電機(jī)工業(yè)技術(shù)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(jī)

27、數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型能夠描述實(shí)際系統(tǒng)各物理量之間的關(guān)系和性能，是被描述系統(tǒng)的近似模擬。永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型認(rèn)識(shí)、分析電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各變量間的因果或定量關(guān)系，是對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制的理論基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)的定子與普通勵(lì)磁同步電機(jī)的定子一樣都是三相對(duì)稱繞組。通常按照電動(dòng)機(jī)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(xué)模型及電磁轉(zhuǎn)矩等特性18-23。為了便于分析，假定： (1)磁路不飽和，電機(jī)電感不受電流變化影響，不計(jì)渦流和磁滯損耗；(2)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)的影響；(3)三相繞組對(duì)稱，永久磁鋼的磁場(chǎng)沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；

28、(5)驅(qū)動(dòng)二極管和續(xù)流二極管為理想元件；(6)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布。轉(zhuǎn)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(jī)的定子繞組和普通三相交流感應(yīng)電機(jī)或同步電機(jī)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(xiàng)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(nèi)部的磁鏈，普通三相交流感應(yīng)電機(jī)由定子三相電流和轉(zhuǎn)子電流共同產(chǎn)生；普通同步電機(jī)由定子三相繞組與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流和阻尼繞組電流共同產(chǎn)生；永磁同步電機(jī)由定子三相繞組電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，其中轉(zhuǎn)子永磁磁鏈在每相繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。由此得到定

29、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(guān)，而且與轉(zhuǎn)子永磁極的勵(lì)磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，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(zhuǎn)子每極永磁磁鏈。并且定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈 (3-8) (3-9) (3-10)3.2.3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)子永磁在氣隙中產(chǎn)生的正弦分布磁場(chǎng)，正弦分布磁場(chǎng)的幅值是恒定的，空間位置就是轉(zhuǎn)子永磁磁極的直軸位置，它相對(duì)于

30、定子A相繞組軸線等于轉(zhuǎn)子位置角，在空間的分布可以表示為 (3-11)或者 (3-12)當(dāng)永磁磁極旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子位置角隨時(shí)間變化時(shí)，由式(3-12)可知，轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)是一個(gè)幅值恒定不變、幅值位置=隨轉(zhuǎn)子永磁磁極位置變化的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值在空間的轉(zhuǎn)速等于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對(duì)每一相定子電樞繞組來說，旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)在繞組中感應(yīng)電勢(shì)，稱為運(yùn)動(dòng)電勢(shì)。由于圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)于空間任意一點(diǎn)確定的位置仍然表現(xiàn)為脈動(dòng)的磁場(chǎng)，而且任意時(shí)刻圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)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(zhuǎn)子圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相當(dāng)于是兩個(gè)正交的脈振磁場(chǎng)的疊加20-

31、23，如圖3-2所示：該圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從定子上觀測(cè)，相當(dāng)于一個(gè)同A相繞組軸線重合按照余弦規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)與另一個(gè)同A相繞組垂直按照正弦規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)的疊加，即有 (3-13) (3-14)與A相繞組軸線正交的脈振磁場(chǎng)在A相繞組中匝鏈的磁鏈等于0，因此在A相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)也是等于0。而與繞組軸線重合的脈振磁場(chǎng)則產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，可以得到A相繞組由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)引起的感應(yīng)電勢(shì)為 (3-15)圖3-2 圓形磁場(chǎng)與脈振磁場(chǎng)其中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度等于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的

32、感應(yīng)電勢(shì)分別為 (3-19) (3-20)三相繞組感應(yīng)電勢(shì)也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即 (3-21)由式(3-21)可知，永磁磁場(chǎng)在定子電樞繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)的幅值為，它不僅與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，還與轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)與定子電樞繞組匝鏈的磁鏈成正比。3.3 坐標(biāo)變換對(duì)于三相永磁同步電機(jī)來說，它是一個(gè)具有多變量、解耦合及非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，要想對(duì)它進(jìn)行直接的控制是十分困難的，因此借助于坐標(biāo)變換，將它解耦，使各物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此時(shí)，同步坐標(biāo)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(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量變成標(biāo)量獨(dú)立開來，對(duì)這些給定量實(shí)時(shí)控制，就能達(dá)到直流電機(jī)的控制性能了。3.3

33、.1 三相靜止坐標(biāo)系(A-B-C軸系)三相永磁同步電機(jī)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(gòu)成了一個(gè)A-B-C三相坐標(biāo)系，如圖3-3所示?？臻g矢量在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影分別為、，代表該矢量在三個(gè)繞組上的分量18-23。圖3-3 三相靜止坐標(biāo)系3.3.2 兩相靜止坐標(biāo)系(-軸系)定義一個(gè)兩相直角坐標(biāo)系(-軸系)，它的軸和三相靜止坐標(biāo)系的A軸重合，軸逆時(shí)針超前軸90空間電角度，如圖3-4，圖中V、V為矢量在-坐標(biāo)系的投影。由于軸固定在定子A相繞組軸線，故-坐標(biāo)系亦為靜止坐標(biāo)系。3.3.3 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q軸系)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子磁

34、極軸線，q軸逆時(shí)針超前d軸90空間電角度，如圖3-4所示，該坐標(biāo)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(biāo)系。圖3-4 兩相靜止坐標(biāo)系3.3.4 三相靜止坐標(biāo)系與兩相靜止坐標(biāo)系間的變換(3s/2s)在三相靜止坐標(biāo)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(biāo)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，) (3-23)分離實(shí)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(shì)、總功率不變的原則，上式方程右邊矩陣前加系數(shù)。

35、當(dāng)然，也可以由兩相靜止坐標(biāo)變換為三相靜止坐標(biāo)，變換矩陣為： (3-27)式(3-27)的變換被稱為clarke反變換，按總磁勢(shì)、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(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間的變換(2s/2r)設(shè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與兩相靜止坐標(biāo)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park反變換。3.4 永磁同步電機(jī)在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型3.4.1 永磁同步電機(jī)A-B-C坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型三相永磁同步電機(jī)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

36、降和磁鏈變化相平衡，定子繞組內(nèi)部的磁鏈由定子三相電流和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生。定子三相繞組電流產(chǎn)生的磁鏈與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，其中轉(zhuǎn)子永磁磁鏈在每相繞組中產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。永磁同步電機(jī)三相集中繞組分別為A、B、C，各相繞組的中心線在與轉(zhuǎn)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(gè)線圈來表示，各相繞組的軸線在空間是固定的，M為轉(zhuǎn)子上安裝的永磁磁鋼的磁場(chǎng)方向，轉(zhuǎn)子上無任何線圈。電機(jī)以角速度順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其中為與A相繞組間的夾角，為時(shí)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

37、()。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(shè)，三相繞組在空間上呈對(duì)稱分布，并且通入三相繞組中的電流也是對(duì)稱的，則有： (3-33)其中：為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈的幅值，對(duì)于特定永磁同步電機(jī)，值為常數(shù)；設(shè)有，則式(3-31)可寫為： (3-34)從式(3-31)可以看出，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)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。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(jī)-坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)由于定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使得電機(jī)能夠產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩做功。為了

38、使交流電機(jī)達(dá)到與直流電機(jī)一樣的控制效果，我們利用磁場(chǎng)等效的觀念對(duì)電機(jī)的模型進(jìn)行化簡，將三相繞組上的電壓方程轉(zhuǎn)化為兩相繞組上的電壓方程，即可像控制直流電機(jī)那樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流和勵(lì)磁電流分別進(jìn)行獨(dú)立控制，并且使他們的磁場(chǎng)在空間位置上也能相差90角度。圖3-6 PMSM兩相繞組當(dāng)三相繞組A、B、C通入三相平衡電流、 (相位相差120，)時(shí)，在空間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。若兩相繞組、，其在空間相差90，當(dāng)通入兩相平衡電流、 (相位相差90)時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且與三相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有完全相同的特點(diǎn)，那么這兩個(gè)磁場(chǎng)是等效的20-23。利用這個(gè)原理，把式(3-34)進(jìn)行變換。選取軸同A軸重合，軸

39、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(chǎn)生的磁勢(shì)，下同)，超前90角度，那么三相繞組在氣隙中產(chǎn)生的總磁勢(shì)就可以由兩相繞組、等效產(chǎn)生，即： (3-35)(N2、N3為不同坐標(biāo)系下繞組的匝數(shù))利用式(3-26)就可以得到兩相坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型： (3-36)其中：、為-坐標(biāo)系下定子電壓、電流；、為-坐標(biāo)系下定子電阻、電感。轉(zhuǎn)矩方程： (為電機(jī)極對(duì)數(shù)) (3-37)由式(3-36)、式(3-37)可見：電壓回路方程與變量個(gè)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(jī)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型利用磁場(chǎng)等效的觀點(diǎn)，我們把三相永磁同步電機(jī)的模型由三相繞組上的電

40、壓方程簡化為兩相繞組上的電壓方程，但是從轉(zhuǎn)矩方程式(3-37)可以看出輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與電流、以及有關(guān)，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制就必須控制、的頻率、幅值及相位，這樣電機(jī)控制仍然很不方便。為了便于控制，還必須同樣的用磁場(chǎng)等效的觀點(diǎn)把-坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型變換為d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型20-23。如前述一樣，利用一個(gè)旋轉(zhuǎn)體來建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)體上放置兩個(gè)直流繞組，并通入直流電，再讓旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)就可得到一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，若該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的特性與前述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(jī)的轉(zhuǎn)子及其d-q坐標(biāo)系。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的等效，可以進(jìn)一步把-坐標(biāo)系下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換為旋

41、轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。即有： (3-38) (N2、N4為對(duì)應(yīng)繞組匝數(shù))圖3-7 PMSM d-q坐標(biāo)系按照3.3.3節(jié)建立d-q坐標(biāo)系，如圖3-7，d-q軸的旋轉(zhuǎn)角頻率為，d軸與軸的初始位置角為，選取d軸與轉(zhuǎn)子主磁通方向一致，即，由式(3-29)和式(3-36)，可得到d-q坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型： (3-39)其中：、為d-q坐標(biāo)系下定子電壓、電流；、為-坐標(biāo)系下定子等效電感。 將式(3-39)轉(zhuǎn)化為電流形式： (3-40)磁鏈方程： (3-41)轉(zhuǎn)矩方程： (3-42)運(yùn)動(dòng)方程： (3-43)其中：為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 為電機(jī)阻尼系數(shù)； 為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。其他方程： (3

42、-44) (3-45)由式(3-40)可知，在d-q坐標(biāo)下對(duì)永磁同步電機(jī)的控制只需對(duì)、進(jìn)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(shí)的控制方案，控制最為簡單，此時(shí)由式(3-42)知電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與有關(guān)，即控制的大小即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。另外，對(duì)于永磁同步電機(jī)，和通常相差不大，因此可以近似認(rèn)為。3.5 本章小結(jié)本章節(jié)介紹了永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并給出永磁同步電機(jī)分析中進(jìn)行等效變換時(shí)用到的三種坐標(biāo)系：三相定子坐標(biāo)系(A-B-C)、兩相定子坐標(biāo)系(-)、兩相轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(d-q)；從三相定子坐標(biāo)系出發(fā)，建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，導(dǎo)出-坐標(biāo)系

43、及d-q坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)介紹了d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，最后給出了其運(yùn)動(dòng)方程。為后續(xù)章節(jié)研究永磁同步電機(jī)仿真技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。第4章 永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)4.1 永磁同步電機(jī)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(jī)的三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換變成以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系，參照直流電機(jī)的控制思想，完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。磁場(chǎng)定向矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，精確的速度控制，零速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載。但是，矢量控制系統(tǒng)需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈，要進(jìn)行坐標(biāo)變換，運(yùn)算量很大，而且還要考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變動(dòng)的影響，使得系統(tǒng)比較復(fù)雜，這是矢量控制存

44、在的不足之處24-26。矢量控制最早是在1971年由BLASHKE等人針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出的，其基本思想源于對(duì)直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬。直流電機(jī)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(lì)磁電流達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁極的位置用來決定逆變器的觸發(fā)信號(hào)，以保證逆變器輸出頻率始終等于轉(zhuǎn)子角頻率。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁通勢(shì)間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(dāng)勵(lì)磁不變時(shí)，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩間存在著線性關(guān)系。通過調(diào)節(jié)電樞電流就可以直接控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小。另外，為使電動(dòng)機(jī)在高速區(qū)能以恒功率方式運(yùn)行，還可以單獨(dú)調(diào)節(jié)勵(lì)磁，進(jìn)行弱磁

45、控制。正是因?yàn)樵诤軐挼倪\(yùn)行范圍內(nèi)都能夠提供可控轉(zhuǎn)矩，所以直流電機(jī)才得以在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在同步電動(dòng)機(jī)中，勵(lì)磁磁場(chǎng)與電樞磁動(dòng)勢(shì)間的空間角度不是固定的，是隨負(fù)載而變化，尤其在動(dòng)態(tài)情況下，將會(huì)引起磁場(chǎng)間十分復(fù)雜的作用關(guān)系，因此就不能簡單地通過調(diào)節(jié)定子電流來控制轉(zhuǎn)矩。利用電機(jī)外部的控制系統(tǒng)對(duì)定子磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)的空間角度實(shí)施定向控制，就可以直接控制兩者間的空間角度，再對(duì)定子電流的幅值進(jìn)行獨(dú)立的直接控制，就將永磁同步電機(jī)模擬為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。這實(shí)際就是對(duì)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。4.1.2 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)它通過對(duì)定子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈

46、和轉(zhuǎn)矩的直接控制。其控制思想是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值，分別與轉(zhuǎn)矩和磁鏈的給定值比較，由轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器直接從一個(gè)離線計(jì)算的開關(guān)表中選擇合適的定子電壓空間矢量，進(jìn)而控制逆變器的功率開關(guān)的狀態(tài)。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要復(fù)雜的矢量坐標(biāo)變換，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡化處理，沒有脈寬調(diào)制PWM信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。但是也存在著一些不足：如逆變器開關(guān)頻率不固定；轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)大；實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制需要很高的采樣頻率等24-29。4.1.3 基于空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩控制(SVM-DTC)SVM-DTC控制是將矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合在一起，其理論基礎(chǔ)還是DTC控

47、制理論，是基于轉(zhuǎn)矩角控制。根據(jù)轉(zhuǎn)矩角的變化量及磁鏈?zhǔn)噶康奈恢?，得到下一個(gè)周期的磁鏈的位置，從而可以得到所需的參考電壓矢量，再把參考電壓矢量通過SVPWM來調(diào)制，產(chǎn)生PWM波驅(qū)動(dòng)逆變器。SVM- DTC控制中，利用磁鏈的變化來確定下一個(gè)位置，所以磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)對(duì)控制系統(tǒng)有較大的影響，而磁鏈的估計(jì)有賴電機(jī)參數(shù)的穩(wěn)定；另外，電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角是一種非線性關(guān)系，而實(shí)際應(yīng)用中一般近似為線性，采用PI調(diào)節(jié)，這樣PI參數(shù)的選擇也會(huì)影響到系統(tǒng)的性能；最后，SVM-DTC控制的計(jì)算周期很短，計(jì)算量很大，因此對(duì)控制器要求也較高24-29。4.1.4 模型參考自適應(yīng)控制(MRAS)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)要求控制系統(tǒng)用

48、一個(gè)模型來體現(xiàn)，模型的輸出就是理想的響應(yīng)，這個(gè)模型稱為參考模型。系統(tǒng)在運(yùn)行中總是力求使可調(diào)模型的動(dòng)態(tài)與參考模型的動(dòng)態(tài)一致。通過比較參考模型和實(shí)際過程的輸出，并通過自適應(yīng)控制器去調(diào)節(jié)可調(diào)模型的某些參數(shù)或產(chǎn)生一個(gè)輔助輸入，以使得實(shí)際輸出與參考模型的輸出偏差盡可能的小。實(shí)際應(yīng)用中，通常用于速度估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)無速度傳感器運(yùn)行。由此可知，模型參考自適應(yīng)主要取決于可調(diào)模型的精確程度，它對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性的作用；另外，自適應(yīng)控制律參數(shù)整定也是一個(gè)難題，對(duì)控制系統(tǒng)的控制精度也有著很大的影響。4.1.5 基于狀態(tài)觀測(cè)器控制基于狀態(tài)觀測(cè)器控制是在現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上

49、構(gòu)造觀測(cè)器，用來觀測(cè)控制系統(tǒng)中各個(gè)量的狀態(tài)，從而提取速度等控制量。它也依賴電機(jī)模型的準(zhǔn)確性，當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行或溫度升高導(dǎo)致電機(jī)參數(shù)變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差，從而給控制帶來較大的偏差。4.1.6 智能控制利用智能化的算法，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行智能化的控制，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、參數(shù)自整定等等，通過一次或幾次試運(yùn)行后，自動(dòng)將參數(shù)整定出來，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。智能控制雖然有著很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是其在多變量、非線性的電機(jī)控制系統(tǒng)中，然而，它的控制性能好壞有賴于控制對(duì)象，也就是說不是每個(gè)控制系統(tǒng)都能很好的實(shí)現(xiàn)控制，這需要經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)，其計(jì)算量較大，對(duì)控制器也有一定的要求。4.2 永磁同步電機(jī)矢量控制的理論基礎(chǔ)4.2.1 永

50、磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制的基本原理圖4-1 永磁同步電機(jī)矢量圖矢量控制的思想源于對(duì)直流電機(jī)控制的嚴(yán)格模擬，通過磁場(chǎng)定向?qū)⒍ㄗ与娏魇噶糠纸鉃閮蓚€(gè)分量：勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別加以控制，從而可獲得很好的解耦控制特性。矢量控制需要使用坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)，如圖4-1所示。其中包含從三相坐標(biāo)系A(chǔ)-B-C到兩相坐標(biāo)系的變換，從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換，相關(guān)變換關(guān)系公式見第三章。根據(jù)矢量控制原理，在不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選擇不同的磁鏈?zhǔn)噶孔鳛槎ㄏ蜃鴺?biāo)軸，按照定位的磁場(chǎng)矢量方向不同，目前存在四種磁場(chǎng)定向控制方式：轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制、定子磁鏈定向控制、氣隙磁鏈定

51、向控制和阻尼磁鏈定向控制。對(duì)于PMSM主要采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式，該方式對(duì)小容量驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合特別適合。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原則，采用同轉(zhuǎn)子以相同電角速度旋轉(zhuǎn)的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q，此時(shí)永磁同步電機(jī)等效模型見圖4-2所示18-23。圖4-2 d-q坐標(biāo)系下電機(jī)模型圖4-2中取逆時(shí)針方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向。d-q坐標(biāo)系隨定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，d軸固定在永磁體磁鏈方向上，沿轉(zhuǎn)速方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)超前d軸90度電角度為q軸。為定子三相基波合成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軸線與永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線間的空間電角度，則 (4-1) (4-2) (4-3)由式(4-3)可以看出，永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個(gè)分量，第一項(xiàng)是由兩磁場(chǎng)相互作用所

52、產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)，第二項(xiàng)為零，不存在磁阻轉(zhuǎn)矩，只存在電磁轉(zhuǎn)矩。即 (4-4)由于是不可調(diào)節(jié)的，因此矢量控制就是控制定子電流矢量的幅值和它相對(duì)的空間角度 (轉(zhuǎn)矩角)。控制時(shí)，向量與正交，我們將這種情況稱為“磁場(chǎng)定向”。此時(shí)每安培定子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩值最大，即可獲得最高的轉(zhuǎn)矩/電流比值，電動(dòng)機(jī)銅耗也最小。顯然，這是一種很有吸引力的運(yùn)行狀態(tài)。因此，永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向矢量控制就是要準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的空間位置(d軸)，通過控制逆變器使三相定子的合成電流位于q軸上，那么，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，即

53、控制定子電流的幅值就能較好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。圖4-3給出了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)原理圖圖4-3 PMSM矢量控制的原理圖若使兩相d-q坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈同步旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)一步將d軸取在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，則轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)矩分別由定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量來控制，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值保持恒定時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的解耦控制。圖4-3表明，這是一個(gè)電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過速度PI控制器計(jì)算得到定了電流、的參考輸入和。通過相電流檢測(cè)電路提取和，再使用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定了兩相坐標(biāo)系中，然后使用Park變換，將它們轉(zhuǎn)換

54、到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，再將d-q坐標(biāo)系中的電流信號(hào)與它們的和相比較，其中，通過PI控制器獲得理想的控制量?？刂菩盘?hào)再通過Park逆變換送到三相逆變器，從而得到控制定了三相對(duì)稱繞組的實(shí)際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號(hào)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。4.2.2 永磁同步電機(jī)的矢量控制方法的選擇永磁同步電機(jī)用途不同，電機(jī)電流矢量的控制方法也各不相同。可采用的控制方法主要有：(1) 控制；(2)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制；(3)控制；(4)恒磁鏈控制；(5)弱磁控制；(6)最大輸出功率控制不同控制方法具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如 最為簡單， 可降低與之匹配的逆變器的容量，恒磁鏈控制可增大電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩等。當(dāng)采用 的控