基于SIMULINK的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)中文摘要在MATLAB/SIMULINK中建立獨(dú)立的功能模塊主要有：PMSM本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊等。同時(shí)進(jìn)行功能模塊的有機(jī)整合，搭建PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型采用雙臂環(huán)控制，速度環(huán)采用PI控制，電流環(huán)采用滯環(huán)電流控制。仿真結(jié)果證明了該方法的有效性，同時(shí)該模型也適用于驗(yàn)證其他控制算法的合理性，為實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供的新的思路。為了實(shí)現(xiàn)高性能的電流環(huán)控制，比照了常規(guī)電流滯環(huán)控制和三角波載波比擬方式的電流滯環(huán)控制。在MATLAB中搭建了兩種電流滯環(huán)控制方式的仿真模型，通過仿真得出采用常規(guī)電流滯環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響比擬大，而采用三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制容易獲得良好的控制效果。采用三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制的仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文分析的正確性，并且為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供了理論根底。關(guān)鍵詞：永磁同步電動(dòng)機(jī)；SIMULINK；電氣系統(tǒng)模型庫SimulationofcontrolsystemforthePermanentMagentSynchronousAbstractThepaperastheexampleofthecontrolsystemofpermanentsynchronousmotor,mainlyintroduceshowtogetthesimulationofACdrivensystemundertheenvironmentofSIMULINKbyusingthetoolboxofpowersystem,thendiscussestheeffectofadjusterPIontherevolutionduringsuddenlychangedload.InMATLAB/SIMULINKitestablishestheindependentfunctionmodules;PMSMbodymodule,vectorcontrolmodule,thecurrenthysteresiscontrol,speedcontrolmodule,functionmoduleandsoon.Atthesametime,itintegratesthefunctionmoduleandestablishesthesimulationmoduleofPMSMcontrolsystem.thissystemadoptsdoubleclosed-loopcontrolsystem,thePIcontrolthespeedloop,thesluggishloopelectriccurrentcontrolselectriccurrentloopthesimulationresultprovestheeffectivemethodoftheindeperdentfunctionmodules.Thismodelalsoappliestotestandverifythereasonablenessofthoughtforbothdesignofpracticalelectricalengineeringcontrolsystemanddebugging.Forthesakeofhigh-performancecurrent-loopinpositionservosystem,westudiedgeneralhysteresis-bandcurrent-controlandtriangularcarrierwavehysteresis-bandcurrent-control.SimulationmodelsofthetwomodewerebuildinMATLAB,bythesimulationanalysis,wecanknowthatgeneralhysteresis-bandcurrent-controlwillseriouslyinfluenceonperformanceofsystem,andtriangularcarrierwavehysteresis-bandcurrent-controlcanbeusedforgoodcontrolperformance.Whentriangularcarrierwavehysteresis-bandcurrent-controlwasused,analyticalresultsaregoodagreementwiththefeasiblesimulationresults,andtheresultscanprovidetheoreticalbasisforthedesignofservosystem.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor;SIMULINK;toolboxofpowersystem.目錄第一章前言11.1課題研究背景11.1.1永磁同步電機(jī)開展?fàn)顩r1永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的開展11.1.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的開展31.2MATLAB簡(jiǎn)介31.2.1MATLAB軟件的簡(jiǎn)介31.2.1MATLAB仿真工具箱簡(jiǎn)介81.3本文主要任務(wù)9第二章永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型92.1永磁同步電機(jī)的概述92.1.1同步電機(jī)的根本工作原理92.1.2永磁同步電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)及其分類92.1.3永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)與應(yīng)用112.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型132.2.1電壓平衡方程142.2.2磁鏈方程及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程152.3永磁同步電機(jī)在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型172.3.1磁同步電機(jī)A-B-C坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型172.3.2磁同步電機(jī)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型182.3.3永磁同步電機(jī)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型18第三章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理193.1PWM〔PULSE-WIDTHMODULATION〕技術(shù)193.2PMSM控制系統(tǒng)的組成223.3PMSM控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理23第四章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)244.1D-Q坐標(biāo)系與ABC三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換244.2PI調(diào)節(jié)器274.3利用SIMULINK構(gòu)建PMSM控制系統(tǒng)仿真模型304.4仿真結(jié)果31全文總結(jié)35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄38第一章前言1.1課題研究背景永磁同步電機(jī)開展?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(jiǎn)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)的開展，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)的開展。尤其值得一提的是我國是一個(gè)稀土材料豐富的大國，稀土儲(chǔ)量和稀土金屬的提煉都是居世界首位。隨著稀土材料科技的不斷開展，永磁材料的磁能積已做的很高，價(jià)格也是就滿足工業(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)的科研水平都到達(dá)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、高性能化的方向開展，成為交流調(diào)速領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。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)開展水平的制約，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根本上與直流電機(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)诖烁咨嫌盅兄瞥鰩в形恢脗鞲衅?、逆變器?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。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的開展隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)的不斷開展，各種控制技術(shù)的應(yīng)用也在逐步成熟，比方SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方面都在實(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缺乏，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)的矢量控制的新思想、新理論和新技術(shù)，它的出現(xiàn)對(duì)交流電機(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)的開展，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根底上開展起來的，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)際控制效果難以到達(dá)理論分析的結(jié)果，這是矢量控制實(shí)踐上缺乏之處。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)在小功率和高精度的場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。隨后，1985年，有德國魯爾大學(xué)Mr.Depenbrock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(jiǎn)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)注和得到了迅速的開展。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)相開展此項(xiàng)技術(shù)。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)的開展，高速度、高集成度、低本錢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(jiǎn)化了硬件，降低了本錢，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(jiǎn)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。近年來，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、線性二次型積分控制及模糊智能控制等各種行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)的重要開展方向之一。1.1.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的開展現(xiàn)代仿真技術(shù)的開展與控制工程、系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展密切相關(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)的開展為現(xiàn)代仿真技術(shù)的形成和開展奠定了良好的根底。系統(tǒng)工程的開展進(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)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不管是在理論還是實(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方法。仿真技術(shù)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(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)中存在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開展。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。1.2MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB軟件的簡(jiǎn)介MATLAB是集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算和圖形處理功能于一身的超級(jí)科學(xué)計(jì)算軟件；與其它計(jì)算語言相比，MATLAB在功能、開放性和易學(xué)性等方面獨(dú)占鰲頭；在工程實(shí)際中，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)往往很復(fù)雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，那么很難準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真。MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室〔MatrixLaboratory〕之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文學(xué)處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的根本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)字，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。當(dāng)前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包〔Toolbox〕。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專業(yè)性比擬弱的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬于此類。開放性使MATLAB廣受用戶歡送。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主要文件包和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過對(duì)源程序的修改或參加自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。在70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當(dāng)時(shí)這兩個(gè)程序庫代表矩陣運(yùn)算的最高水平。到70年代后期，身為美國NewMexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任的CleveMoler,在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教會(huì)學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開始自己動(dòng)手利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個(gè)接口程序取名為MATLAB該名為矩陣〔Matrix〕和實(shí)驗(yàn)室〔Laboratory〕兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母的組合。在以后的數(shù)年里MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用，并作為面向群眾的免費(fèi)軟件廣為流傳。1983年春天CleveMoler到Standford大學(xué)講學(xué)，MATLAB深深地吸引了工程師JohnLittle，JohnLittle敏銳地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景。同年，他和CleveMoler，SteveBangert一起用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的MATLAB語言同時(shí)具備了數(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能。1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks公司正式把MATLAB推向市場(chǎng)，并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開發(fā)。在當(dāng)今30多個(gè)數(shù)學(xué)科技應(yīng)用軟件中，就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言，可分為兩大類。一類是數(shù)值計(jì)算軟件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類數(shù)學(xué)分析型軟件，Mathematica、Maple等，這類軟件以符號(hào)計(jì)算見長(zhǎng)，能給出解析解和任意精確解，其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流，在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的根底上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模擬和實(shí)時(shí)控制能力，開發(fā)了適合多學(xué)科，多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB。經(jīng)過多年的國際競(jìng)爭(zhēng)，MATLAB已經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。在MATLAB進(jìn)入市場(chǎng)前，國際上的許多軟件包都是直接以FORTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡(jiǎn)陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)的基庫，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新開展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的根底。在MATLAB問世不久的80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版〔forwin3.X〕1997年推出5.0版。1993年推出5.3版。MATLAB5.X較MATLAB4.X無論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地瀏覽。時(shí)至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)開展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的根本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的根本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。在國內(nèi)，特別是工程界，MATLAB一定會(huì)盛行起來?？梢哉f，無論你從事工程方面的哪個(gè)學(xué)科，都能在MATLAB里找到適宜的功能。一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點(diǎn)，正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級(jí)語言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語言的MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長(zhǎng)代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡(jiǎn)潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡(jiǎn)單介紹一下MATLAB的主要特點(diǎn)。語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)憂函數(shù)的可靠性。可以說，用MATLAB進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句〔如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句〕，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。程序限制不?yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對(duì)矩陣預(yù)定義就可使用。程序的可移植性很好，根本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。MATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序解釋執(zhí)行，所以速度較慢。功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個(gè)局部：核心局部和各種可選的工具箱。核心局部中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱有分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比擬強(qiáng)的，如control、toolbox、signlprocessingtoolbox、commumnicationtoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的根底程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。源程序的開發(fā)性。開放性也許是MATLAB最受人們歡送的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過源文件的修改以及參加自己的文件構(gòu)成新的工具箱。1990年，MathWorks軟件公司命名為SIMULAB,1992年正式將該軟件更名為SIMULINK，使得仿真軟件進(jìn)入了模型化圖形組態(tài)階段SIMULINK的名稱說明了該系統(tǒng)的兩個(gè)主要功能：Simu(仿真)和Link(連接)，即該軟件可以利用鼠標(biāo)在模型窗口上繪制出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用SIMULINK提供的功能來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。MATLAB語言及其SIMULINK可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普遍，使用SIMULINK可以迅速建立各種線形或非線性系統(tǒng)模型，用戶可以根據(jù)需要任意觀察系統(tǒng)在各處參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，而且仿真速度比使用MATLAB語言更快。MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真環(huán)境，它能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真的環(huán)境集成，且可以根據(jù)設(shè)計(jì)及使用要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)工作的性能，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目的。在此環(huán)境下，用戶可以點(diǎn)擊拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式繪制和組織系統(tǒng)或電路，并完成對(duì)系統(tǒng)和電路的仿真。SIMULINK與MATLAB語言的主要區(qū)別在于使用戶把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。SIMULINK提供了一些按功能分類的根本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些根本的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需的系統(tǒng)模型〔以.mdl文件進(jìn)行存取〕，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。MATLAB仿真工具箱簡(jiǎn)介MATLAB/SIMULINK是MATHWORKS公司開發(fā)的用于數(shù)學(xué)計(jì)算的工具軟件。它具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力、繪圖功能、可視化的仿真環(huán)境SIMULINK。SIMULINK可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入的建模、仿真和研究。它由模塊庫、模型構(gòu)造及分析指令、演示程序Demo但局部組成。用戶進(jìn)行仿真時(shí)很少需要程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行仿真和分析研究。下面就本論文工作中使用的仿真工具M(jìn)ATLAB7.0作簡(jiǎn)單介紹。SIMULINK仿真工具箱包括了專用于電力電子、電氣傳動(dòng)學(xué)科進(jìn)行仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫〔SIMPOWERSYSTEM〕。運(yùn)行SIMULINK以后，翻開SIMPOWERSYSTEM，就能調(diào)出電氣系統(tǒng)模塊庫的各個(gè)子模塊。也可以在MATLAB的命令窗口，直接鍵入POWERLIB以調(diào)用電氣系統(tǒng)仿真根本模塊。電氣系統(tǒng)模塊庫主要包括以下七個(gè)子模塊：電源模塊：包括直流電壓源、交流電壓源、交流電流源、可控電壓源和可控電流源等；根本元件庫：包括串聯(lián)RLC負(fù)載、串聯(lián)RCL支路、并聯(lián)RCL負(fù)載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N相分布參數(shù)線路、單相π相集中參數(shù)傳輸線路和浪涌放電器等；電力電子模塊庫：包括二極管、晶閘管、MOSFET、GTO、理想開關(guān)和一個(gè)多功能橋等。為滿足不同的仿真要求并提高仿真速度還設(shè)有晶閘管簡(jiǎn)化模型；電機(jī)模塊庫：包括激磁裝置、勵(lì)磁裝置、水輪機(jī)及其調(diào)節(jié)器、異步電動(dòng)機(jī)、同步電機(jī)及其簡(jiǎn)化模型和永磁同步電機(jī)等；連接模塊庫：提供組織電力電子仿真線路的各連接件，包括地、中性線和母線〔公共點(diǎn)〕等；測(cè)量模塊庫：包括電流測(cè)量和電壓測(cè)量和電抗的測(cè)量模塊等；附加電氣系統(tǒng)模塊庫：包括均方根測(cè)算、有功與無功功率測(cè)算、傅立葉分析、可編程定時(shí)器、同步觸發(fā)脈沖發(fā)生器以及三相庫等；在以上模塊庫的根底上，根據(jù)需要，可以組合封裝成常用的較復(fù)雜的模塊，添加到所需的模塊中去。1.3本文主要任務(wù)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?jī)?nèi)容：建模與仿真的關(guān)系，及仿真的實(shí)際應(yīng)用意義；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；介紹永磁同步電機(jī)矢量控制的理論根底；建立永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；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)。第二章永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型2.1永磁同步電機(jī)的概述同步電機(jī)的根本工作原理同步電動(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)勢(shì)的極對(duì)數(shù)存在著嚴(yán)格不變的關(guān)系。普通同步電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大局部組成，電動(dòng)機(jī)定子有定子鐵心、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息均勻，而凸極式轉(zhuǎn)子的磁激明顯凸出且氣息不均勻，極弧底下氣隙較小，極間局部氣隙較大。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(jiǎn)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)子磁極鐵芯上，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)子磁激的記性呈現(xiàn)N，S極交替排列。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)以磁場(chǎng)拉力拖著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的同步地旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)定子三相繞組介入三相電流而產(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：，式中為電源頻率；為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；為同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)及其分類〔一〕根本結(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)子兩大局部組成。與傳統(tǒng)同步電機(jī)定子結(jié)構(gòu)根本相同，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)殼及端蓋等局部組成。三相永磁同步電機(jī)的根本結(jié)構(gòu)如圖2-1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)生一個(gè)在空間旋轉(zhuǎn)的圓形磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)速為，式中為電源頻率；為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)；為同步轉(zhuǎn)速。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體磁鋼和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。日前，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)子分為外表粘貼式、外表插入式和內(nèi)置式，如圖2-1所示。圖2-1永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)其中圖2-1(a)為外表粘貼式，圖2-1(b)為外表插入式，圖2-1(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2-1(a)所示的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，直軸磁阻與交軸磁阻相等，因此交軸、直軸電感相等，即=,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<，表現(xiàn)出凸極電機(jī)的性質(zhì)。前兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁體通常呈現(xiàn)瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表上，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。假設(shè)將永磁體直接粘在轉(zhuǎn)軸上還可以獲得低電感，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)子鐵芯內(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。對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子繞組電流為正弦波。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)，外表式、插入式和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子均可以使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦波反電勢(shì)?！捕撤诸悾河来磐诫姍C(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，可分為外表式和嵌入式；根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的不同，將永磁同步電機(jī)氣氛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)和多機(jī)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)。由于永磁同步電機(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)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)遠(yuǎn)低于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。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)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)更加鞏固。與此同時(shí)，永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)相比不再需要集電環(huán)和電刷裝置，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)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)速被提高到最正確值，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)差異較大，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)：(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的提高，與同容量的異步電機(jī)相比，體積和質(zhì)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(jiǎn)單牢固、運(yùn)行可靠。(5)具有嚴(yán)格的轉(zhuǎn)速同步性和比擬寬的調(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。(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)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)能降耗已成為我國的根本國策，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)能工作開展，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、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，輕量化和高性能化等特點(diǎn)，因此得到了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)供給商青睞，比方船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)三大供給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)的開展方向之一。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)可以到達(dá)最大功率50KW，最高轉(zhuǎn)速1300r/min。歐洲許多興旺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，普及航空航天、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)的主要開展方向之一，在未來也必將發(fā)揮更為重要的作用。2.2永磁同步電機(jī)的數(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)行控制的理論根底。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。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、換向過程和電樞反映的影響；(3)三相繞組對(duì)稱，永久磁銅的磁場(chǎng)沿氣隙周圍正弦分布；(4)電樞繞組在定子內(nèi)外表均勻連續(xù)分布；(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：〔2-1〕2.2.1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，每相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)。由此得到定子電壓方程式：〔2-2〕〔2-3〕〔2-4〕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。2.2.2磁鏈方程及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程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：〔2-5〕〔2-6〕〔2-7〕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時(shí)可能匝鏈的轉(zhuǎn)子每極永磁磁鏈：〔2-8〕〔2-9〕〔2-10〕感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程轉(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：〔2-11〕或者〔2-12〕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〔2-12〕可知，轉(zhuǎn)子永磁場(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〔2-13〕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，如下圖：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相繞組垂直按照正弦波規(guī)律變化的脈振磁場(chǎng)的疊加，即有：〔2-13〕〔2-14〕與A相繞組軸線正交的脈振磁場(chǎng)在A相繞組中匝鏈等于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)那么產(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：〔2-15〕圖2-2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：〔2-16〕同理有，〔2-17〕〔2-18〕由此，根據(jù)式〔2-18〕可以求出B相和C相繞組中由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)分別為：〔2-19〕〔2-20〕三相繞組感應(yīng)電勢(shì)也可以用統(tǒng)一的表達(dá)式，即：〔2-21〕由式〔2-21〕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。2.3永磁同步電機(jī)在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型對(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，就能到達(dá)直流電機(jī)的控制性能了。磁同步電機(jī)A-B-C坐標(biāo)下數(shù)學(xué)模型三相永磁同步電機(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2-3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。圖2-3三相靜止坐標(biāo)系磁同步電機(jī)坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型定義一個(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2-4，圖中為矢量在坐標(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。永磁同步電機(jī)d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子磁極軸線，q軸逆時(shí)針超前圖2-4兩相靜止坐標(biāo)系d軸90°空間電角度，如圖2-4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。第三章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理3.1PWM〔PULSE-WIDTHMODULATION〕技術(shù)脈寬調(diào)制〔PMSM〕是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，從測(cè)量、通信到功率控制與變換等許多領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)而言之，PMSM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有〔ON〕，要么完全無〔OFF〕。電壓或電流是以一種通〔ON〕或斷〔OFF〕的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)復(fù)原為模擬形式。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把這項(xiàng)通訊技術(shù)應(yīng)用到交流傳動(dòng)中，從此為交流傳動(dòng)的推廣應(yīng)用開辟了新的局面。從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波比擬，產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制SPWM信號(hào)以控制功率器件開光開始，到目前采用全數(shù)字化方案，完成優(yōu)化的實(shí)時(shí)在線的PWM信號(hào)輸出，可以說直到目前為止，PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍在主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)。由于PWM可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波的特點(diǎn)。由此在交流傳動(dòng)及至其它能量變換系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。PWM控制技術(shù)大致可以分為三類，正弦PWM〔包括電壓、電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種PWM方案，多重PWM也應(yīng)歸于此類〕，優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM。正弦PWM已為人們所熟知，而旨在改善輸出電壓、電流波形、降低電源系統(tǒng)諧波的多重PWM技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)〔如ABBACS1000系列和美國ROBICON公司的完美無諧波系列等〕；而優(yōu)化PWM所追求的那么是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率〔THD〕最小，電壓利用率最高，效率最優(yōu)，及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。在70年代開始至80年代初，由于但是大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般最高不超過5KHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波引起的振動(dòng)引起人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪音〔在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的〕，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特性的有色噪音強(qiáng)度大大消弱。正應(yīng)為如此，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面那么告訴人們消除機(jī)械和電磁噪音的最正確方法不是盲目地提高工作效率，因?yàn)殡S機(jī)PWM技術(shù)提供了一個(gè)分析、解決問題的全新思路。電流環(huán)是PMSM系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。PMSM系統(tǒng)要求電流環(huán)具有輸出電流諧波分量小、響應(yīng)速度快等性能。在PMSM系統(tǒng)的電流環(huán)中，必須滿足內(nèi)環(huán)控制所需要的控制響應(yīng)速度，能精確控制隨轉(zhuǎn)速變化的交流電流頻率。對(duì)于PMSM的控制，通常有兩種控制方式，一種是針對(duì)電流的滯環(huán)控制，另一種是采用電壓控制。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快，主要用在模擬控制中；電壓控制的理論根底是空間矢量PWM控制，提高了逆變器的電壓輸出能力，保持恒定的開關(guān)頻率，適合數(shù)字控制。PMSM系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)構(gòu)成的二環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)系統(tǒng)高性能的根底，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其的電流環(huán)，他是高性能PMSM系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，到達(dá)矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。電流控制是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的根底，電流控制的目的是使三相定子電流嚴(yán)格地跟蹤正弦的電流給定信號(hào)，對(duì)于PMSM它是一種正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁電動(dòng)機(jī)，為了獲得平穩(wěn)的轉(zhuǎn)矩，定子電流必須是相互平衡且為轉(zhuǎn)子電角度位移的正弦函數(shù)。圖4-1具有電流滯環(huán)的A相控制原理圖圖4-2電流滯環(huán)跟蹤控制電流波形示意圖滯環(huán)控制器是環(huán)寬為2h，將給定電流與輸出電流經(jīng)行比擬，電流偏差超過h時(shí)，經(jīng)滯環(huán)控制器控制逆變器A相上〔或下〕橋臂的功率器件動(dòng)作。B、C二相的原理圖均與此相同。電流環(huán)滯控制電流波形示意圖如圖4-1所示。如果且，那么滯環(huán)控制器輸出正電平，驅(qū)動(dòng)上橋臂功率開關(guān)器件V1導(dǎo)通，此時(shí)逆變器輸出正電壓，使實(shí)際電流增大。當(dāng)實(shí)際電流增大到與給定電流相等時(shí)，滯環(huán)控制器仍保持正電平輸出，V1保持導(dǎo)通，使實(shí)際電流繼續(xù)增大直到達(dá)，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，滯環(huán)控制器輸出負(fù)電平，關(guān)斷V1，并經(jīng)延時(shí)后驅(qū)動(dòng)V4。3.2PMSM控制系統(tǒng)的組成PMSM控制系統(tǒng)仿真模型主要由PMSM本體模塊、d-q向a-b-c轉(zhuǎn)換模塊如圖3-4、電流調(diào)節(jié)器如圖3-3、速度調(diào)節(jié)器如圖3-2組成，如圖3-1是一個(gè)典型的轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。圖3-1PMSM控制系統(tǒng)仿真模型圖3-2PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器圖3-3PWM逆變器圖3-4d-q向a-b-c轉(zhuǎn)換模塊3.3PMSM控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場(chǎng)相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)是復(fù)雜耦合的，不能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長(zhǎng)期以來成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。20世紀(jì)30年代以來，交流電機(jī)理論在同步電機(jī)雙反響原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論根底上逐步形成了交流電機(jī)派克方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電機(jī)的同一樣性。在這些理論研究成果的根底上，1971年德國西門子公司的F.Blasschke等發(fā)表的論文《感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理》和美國P.C.Custman與A.A.Clark申請(qǐng)的專利《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》，經(jīng)過各國學(xué)者和工程師的研究、實(shí)踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普通應(yīng)用的交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，也成矢量控制系統(tǒng)。磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而磨坊直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流調(diào)速到達(dá)并超出傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的根本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。仿效直流電機(jī)電流與同正交解耦可分別控制轉(zhuǎn)矩特性，講旋轉(zhuǎn)的電機(jī)磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法把定子電流變換為轉(zhuǎn)矩電流分量的激磁電流分量，相互正交，可以分別獨(dú)立控制，這種通過坐標(biāo)變換重構(gòu)的電機(jī)模型可以等效為直流電機(jī)，從而像直流電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準(zhǔn)確控制。由于收到功率開關(guān)元件、永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)開展水平的制約，永磁同步電機(jī)最初都采用矩形波形式，在原理和控制方式上根本與直流電機(jī)系統(tǒng)類似，習(xí)慣稱為永磁同步電機(jī)。這種電機(jī)通過正弦電流和連續(xù)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行控制，理論上可獲得平衡轉(zhuǎn)矩。交流電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。對(duì)于一般的三相交流電機(jī)，采用坐標(biāo)變換，將三相交流繞組等效為兩相互相垂直的交流繞組或旋轉(zhuǎn)的兩相直流繞組，變換后系統(tǒng)變量之間得到局部解耦，從而使得系統(tǒng)分析和控制大為簡(jiǎn)化。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁永久磁鐵提供。永磁同步電機(jī)的氣隙長(zhǎng)度在物理上是均勻的，但由于永磁材料的磁阻和鐵磁材料的磁阻不一樣，氣隙磁阻的分布并不均勻，通常d軸即磁極軸線的磁阻比q軸相鄰兩個(gè)磁極磁阻的中性線的磁阻大。永磁同步電機(jī)模型如圖，有四個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端，其中A，B，C鏈接三相電壓，輸入端TM接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)。輸出端M用于測(cè)量和觀察同步電機(jī)的工作狀態(tài)圖3-5永磁同步電機(jī)模圖3-6永磁同步電機(jī)模型參數(shù)對(duì)話框永磁同步電機(jī)模型可工作在發(fā)電狀態(tài)或電動(dòng)狀態(tài)，它的工作方式取決于輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩極性，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為正，那么工作在發(fā)電狀態(tài)，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為負(fù)，那么工作在電動(dòng)狀態(tài)。永磁同步電機(jī)的電氣局部和機(jī)械局部都用二階狀態(tài)方程表示，并且模型假定定子磁通是爭(zhēng)先分布的，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也是正弦的。永磁同步電機(jī)模型建立在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上，所有參數(shù)也是折算到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上。電機(jī)方程如下：電路方程為：式中，為軸電成；為定子繞組電阻；為軸電流分量；為軸電壓分量；為轉(zhuǎn)子角速度；為極對(duì)數(shù)；為電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)械方程：式中，為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為轉(zhuǎn)子和負(fù)載的摩擦系數(shù)；為轉(zhuǎn)子位置角；為軸上機(jī)械轉(zhuǎn)矩。第四章永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)4.1D-Q坐標(biāo)系與ABC三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換在交流電機(jī)中三相對(duì)稱繞組通過三相對(duì)稱電流可以在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，在功率不變的條件下，按磁動(dòng)勢(shì)相等原那么，三相對(duì)稱繞組產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以用兩相對(duì)稱繞組來等效，三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系的變換原那么建立了磁動(dòng)勢(shì)不變情況下，三相繞組和兩相繞組電壓、電流和磁動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。這兩個(gè)變換都是定子側(cè)的電流旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)原那么是，不管怎么變換其實(shí)都是一種遐想的坐標(biāo)系，都只有原始的三相繞組，通三相電流。變換的目的是從中找出另外一個(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)矩有直接關(guān)系的“狀態(tài)量〞——轉(zhuǎn)矩電流，來控制轉(zhuǎn)矩。實(shí)際矢量控制時(shí)，這一切變換都是在計(jì)算機(jī)里完成，最后又通過控制三相電流的，但此時(shí)的三相電流給定值可以保證這個(gè)“狀態(tài)量〞是我想要的那個(gè)數(shù)值。為什么非要交換呢，因?yàn)橐獙?duì)電機(jī)進(jìn)行控制〔速度控制〕，使電機(jī)按照我們的意圖去運(yùn)轉(zhuǎn)，必須控制加到電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩與三相電流之間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系是沒法直接寫出來的，只有通過變換，才可以清楚地找出這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖4-3定子靜止三相到靜止兩相的轉(zhuǎn)圖4-4靜止兩相到旋轉(zhuǎn)兩相的變換Aclarke變化claeke變換是從固定的定子三相坐標(biāo)〔繞線繞的時(shí)候，三相坐標(biāo)就已經(jīng)形成〕到固定的兩相坐標(biāo)〔假想的，的軸與三相的A軸重合〕。變換的原那么：兩者的磁場(chǎng)〔磁動(dòng)勢(shì)〕完全等效，磁動(dòng)勢(shì)等于電流與匝數(shù)的乘積?！踩绻请娏鞯淖儞Q就不需要乘了〕那么有〔4-1〕〔4-2〕式中和分別是兩相繞組和三相繞組的有效匝數(shù)。〔4-3〕〔4-4〕矩陣形式是：〔4-5〕因?yàn)橐_定和,必須想個(gè)方法。開始時(shí)我認(rèn)為匝數(shù)比大一些，兩相電流值小一些，反之，電流值大一些。后來發(fā)現(xiàn)其實(shí)就不存在，因此，必須把這兩個(gè)匝數(shù)放在矩陣內(nèi)部。求出這兩個(gè)數(shù)。這樣做是通過確定匝數(shù)比，使得在兩種坐標(biāo)系下電流矢量相等那么磁動(dòng)勢(shì)矢量也相等，這樣就避開了匝數(shù)的干擾?？紤]到矩陣變換中正交變換不改變矢量的長(zhǎng)度。希望中間變換矩陣具有這一性質(zhì)。那么中間變換矩陣應(yīng)該是正交矩陣的局部行。因?yàn)檗D(zhuǎn)換矩陣不是方陣，不能求逆。添加零軸電流坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換矩陣添加與線性無關(guān)的行。變換為：〔4-6〕利用，即得〔4-7〕得,可以去掉沒有用處的第三行Clarke…..變換：……………〔4-8〕這就是clarke正變換，它唯一確定了從三相到兩相之間為使磁場(chǎng)相同，電流值的變換。Clarke…..逆變換：……….…〔4-9〕BPark變換Park變換是從靜止的兩相坐標(biāo)系到固定在轉(zhuǎn)子上的運(yùn)動(dòng)兩相坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。這個(gè)好理解，直接寫出就可以。Park…….變換：………………〔4-10〕Park…..逆變換：……………..〔4-11〕電機(jī)控制電機(jī)的速度是通過在電機(jī)定子三相繞組中通入適宜的交流電壓，產(chǎn)生粗長(zhǎng)，最終在轉(zhuǎn)子上施加扭矩，使轉(zhuǎn)子帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的。大家知道：轉(zhuǎn)子連同負(fù)載是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，如果能夠控制施加給轉(zhuǎn)子的扭矩，那么可以隨意控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，“施加扭矩〞就成了一個(gè)關(guān)鍵的狀態(tài)量。從物理模型來講，驅(qū)動(dòng)器只能調(diào)控三相電壓〔或說電流〕，通過檢測(cè)也只能檢測(cè)出每個(gè)相的電流。也就是說，驅(qū)動(dòng)器可以精確地控制每個(gè)相的電流，在正負(fù)額定電流之間按需分配。4.2PI調(diào)節(jié)器正確選取PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益，直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。比例積分調(diào)節(jié)器有兩個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)；比例增益和積分增益。對(duì)于偏差信號(hào)，如果只調(diào)節(jié)，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，沒有滯后現(xiàn)象，但有靜差；如果只調(diào)節(jié)，雖然調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，有滯后現(xiàn)象，但沒有靜差；因此，對(duì)于比例增益和積分增益，一般都采用組合使用。比例調(diào)節(jié)器將輸入的偏差信號(hào)放大輸出，同時(shí)通過積分調(diào)節(jié)器將輸入的偏差信號(hào)按時(shí)間逐漸積累從而消除靜差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。圖4-5PI調(diào)節(jié)器控制原理流程圖線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)決定于系統(tǒng)本身的特性，而與輸入信號(hào)的大小無關(guān)，同一個(gè)線性系統(tǒng)對(duì)不同幅值階躍輸入的瞬態(tài)響應(yīng)間的區(qū)別，僅在于幅值成比例地變化，響應(yīng)時(shí)間完全相同，單位階躍輸入瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線，其中各參數(shù)含義如下：(1)延遲時(shí)間，相應(yīng)曲線第一次到達(dá)穩(wěn)定值的一半所需的時(shí)間；(2)上升時(shí)間，相應(yīng)曲線從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%~100%所需的時(shí)間；(3)峰值時(shí)間，相應(yīng)曲線到達(dá)第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；(4)最大超調(diào)量，從1開始計(jì)算相應(yīng)曲線的最大超調(diào)值；(5)調(diào)整時(shí)間，在相應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)線上，用穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)作為一個(gè)允許范圍，相應(yīng)曲線第一次到達(dá)并保持在這一允許誤差范圍所需的時(shí)間；(6)靜差，指動(dòng)態(tài)過程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，可正可負(fù)，靜差用表示，數(shù)值大小由生產(chǎn)過程所要求的精度來確定，如果=0，為無差調(diào)節(jié)，如果>0，為有差調(diào)節(jié)，靜差屬于調(diào)整精度的一個(gè)重要指標(biāo)。圖4-6性能指標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：〔4-12〕兩個(gè)運(yùn)算放大器傳遞函數(shù)為：〔4-13〕比擬〔1〕、〔2〕得：〔4-14〕〔4-15〕三運(yùn)算放大器的傳遞函數(shù)為：〔4-16〕因此PI控制器參數(shù)與電路原件參數(shù)關(guān)系為：〔4-17〕〔4-18〕電路的優(yōu)點(diǎn)的和的值之間相互獨(dú)立；但不管哪種電路，的值都與電容值成倒數(shù)關(guān)系，有效的PI控制設(shè)計(jì)一般要求小的值，因此我們必須再次注意不符合實(shí)際的大電容值。校正系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為：〔4-19〕顯然PI控制器的作用為：1在前向通道傳遞函數(shù)處增加了一個(gè)零點(diǎn)。2在前向通道傳遞函數(shù)S=0處增加了一個(gè)零點(diǎn)，這說明控制系統(tǒng)從1型變?yōu)?型。因此，原始系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以得以改善，即如果響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差為常數(shù)，PI控制將會(huì)減小到0。如果參考輸入是斜坡函數(shù)，前向通道傳遞函數(shù)為式〔3〕的控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。但因?yàn)橄到y(tǒng)是三階的，它可能臂二階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)形更差，甚至如果和的值選擇不當(dāng)系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。系統(tǒng)參加PI控制器后，從1型系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為2型系統(tǒng)，對(duì)于穩(wěn)定的2型系統(tǒng)，在斜坡信號(hào)響應(yīng)時(shí)輸出穩(wěn)態(tài)誤差一直為零，不再對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差有影響?，F(xiàn)在的問題就是選擇適宜的值才能夠得到滿意的瞬態(tài)響應(yīng)。4.3利用SIMULINK構(gòu)建PMSM控制系統(tǒng)仿真模型應(yīng)用MATLAB/Simulink與電氣傳動(dòng)仿真的電氣系統(tǒng)模塊庫建立了分別基于電流滯環(huán)控制和三角載波比擬跟蹤控制的PMSM系統(tǒng)矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI型；速度給定值與實(shí)際電角速度相比擬后經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，輸出為交軸電流參考值，直軸電流給定值。經(jīng)d-q/a-b-c坐標(biāo)變換得到三相電流給定值，相電流給定信號(hào)與相電流反響信號(hào)相比擬，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)和PWM產(chǎn)生電路控制逆變器的PWM型號(hào)，從而控制電機(jī)的三相電流?；谏鲜鲇来磐诫妱?dòng)機(jī)在d-q坐標(biāo)系中的狀態(tài)空間模型。采用電力系統(tǒng)模型庫，可建立PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI型，積分常數(shù)取2.6，比例常數(shù)為50，飽和限制的正負(fù)幅值為30，其功能為解決由于轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩問題，使轉(zhuǎn)速幾乎無靜差。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出量d-p/a-b-c坐標(biāo)變換，得到a-b-c三相定子電流的給定，作為電流調(diào)節(jié)器〔PWM逆變器〕的輸入。電流調(diào)節(jié)器即為三相電流源型逆變器，采用滯環(huán)電流控制方法，實(shí)現(xiàn)電流逆變，應(yīng)用PWM控制技術(shù)的變壓變頻器都是電壓源型的，它可以按需要方便的控制其輸出電壓，對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)，實(shí)際應(yīng)該保證的應(yīng)是正弦波電流，因?yàn)橹挥性诮涣麟妱?dòng)機(jī)繞組中通入三相平衡的正弦電流才能使合成的電磁轉(zhuǎn)矩為恒定值，不含脈動(dòng)成分。因此，假設(shè)能對(duì)電流實(shí)行閉環(huán)控制，以保證其正弦波形，顯然將比電壓開環(huán)控制獲得更好的性能。電流控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬2h選的較大時(shí)，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了，這是一對(duì)矛盾的因素。實(shí)際中，應(yīng)在充分應(yīng)用器件開關(guān)頻率的前提下，正確的選擇盡可能小的環(huán)寬。根據(jù)電流偏差的符號(hào)相應(yīng)地直接輸出+-155V，然后采用可控電壓源模塊將此僅有數(shù)學(xué)意義的SIMULINK信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有電氣意義的電壓信號(hào)，送入PMSM的定子遭阻輸入ABC連接三相電壓，輸入端接入機(jī)械轉(zhuǎn)矩信號(hào)。輸出端用于測(cè)量和觀察PMSM的工作狀態(tài)。PMSM輸出為矢量。有PMSMMeasurementDemux模塊分解為10個(gè)標(biāo)量輸出〔1~3為三相電流，4和5為，6和7為，8為點(diǎn)角速度，9為電角度，10為電磁轉(zhuǎn)矩〕，值得注意的是，電氣系統(tǒng)模型庫要求系統(tǒng)中至少有一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)。4.4仿真結(jié)果該系統(tǒng)的電流限幅值設(shè)為30A，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，在0.04s時(shí)突然加負(fù)載轉(zhuǎn)矩3N.m。在轉(zhuǎn)速給定值為400rad/s及負(fù)載突變的情況下，對(duì)該系統(tǒng)SIMULINK模型進(jìn)行仿真，得到轉(zhuǎn)矩和三相電流的曲線如圖4-7和圖4-8所示。仿真結(jié)果說明：系統(tǒng)輸出能夠較快地跟隨輸入，具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)也說明該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性。具有一定的使用價(jià)值。圖4-10為系統(tǒng)在開環(huán)情況時(shí)，負(fù)載突變對(duì)轉(zhuǎn)速的影響，可以看到這時(shí)的轉(zhuǎn)速無法滿足系統(tǒng)所要求的性能指標(biāo)，甚至不能正常工作。相應(yīng)的相應(yīng)曲線圖如下所示：圖4-7轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖4-8三相電流曲線圖3-9有PI作用時(shí)負(fù)載突變的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖3-10系統(tǒng)開環(huán)時(shí)負(fù)載突變的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線由此可見，采用MATLAB的電氣系統(tǒng)模型庫，可以在SIMULINK環(huán)境下高效率地完成PMSM控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和分析，通過仿真可以看出系統(tǒng)具有較好的動(dòng)靜態(tài)特性，同時(shí)也可以方便的驗(yàn)證各種控制方法，這為分析和設(shè)計(jì)實(shí)際電機(jī)控制系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的手段。可以看出，常規(guī)電流滯環(huán)控制方法，它的優(yōu)點(diǎn)電流響應(yīng)快，缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定、電流畸變較大、紋波大對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響比擬大。采用三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制，其主要優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率固定，輸出波形純粹，計(jì)算簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來比擬方便，比擬容易獲得良好的控制效果。圖4-11常規(guī)電流滯環(huán)控制仿真模塊采用三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制，進(jìn)一步分析其仿真結(jié)果如圖4-13~圖4-14所示?？梢钥闯觯妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流迅速到達(dá)最大值，然后穩(wěn)定在正常值；當(dāng)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電流經(jīng)過一個(gè)輕微的振動(dòng)過程后到達(dá)穩(wěn)定在一個(gè)新值。電磁轉(zhuǎn)矩在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)迅速到達(dá)最大值〔15N.m〕然后快速穩(wěn)定在正常值〔3N.m〕，在0.04s時(shí)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩3N.m，電磁轉(zhuǎn)矩同電流值一樣經(jīng)過一個(gè)輕微的振蕩過程，然后穩(wěn)定在一個(gè)新值〔1N.m〕。電流電磁轉(zhuǎn)矩成比例變化，且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，轉(zhuǎn)矩控制性能良好。轉(zhuǎn)子電角速度迅速穩(wěn)定到給定轉(zhuǎn)速。并且突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)幾乎不受干擾。電流環(huán)是PMSM系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它是提高系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。選擇適宜的電流控制方案對(duì)于系統(tǒng)性能的提高和硬件的實(shí)現(xiàn)時(shí)至關(guān)重要的一步。通過仿真分析了基于矢量控制的PMSM控制方案，圖4-12三角載波比擬方式電流滯環(huán)控制仿真模塊圖4-13電磁轉(zhuǎn)矩圖4-14轉(zhuǎn)子電角速度得出采用三角載波方式的電流環(huán)滯控制能夠比擬容易獲得良好的控制性能。這給系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和整體性能的獲得提供了根底和先決條件。全文總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是《基于MATLAB永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)》,以電力系統(tǒng)庫中的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的雙閉環(huán)系統(tǒng)。并討論負(fù)載突變情況下，PI調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。為了實(shí)現(xiàn)高性能的電流環(huán)控制。比照了常規(guī)電流滯環(huán)控制和三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制。在MATLAB中搭建了兩種電流滯環(huán)控制方式的仿真模型，通過仿真得出采用常規(guī)電流滯環(huán)控制對(duì)系統(tǒng)的整體性能影響比擬大，而采用三角載波比擬方式的電流滯環(huán)控制容易獲得良好的控制效果。并且為系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)提供了理論根底，具有實(shí)際意義。為分析和設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的手段。致謝經(jīng)過幾個(gè)月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，作為一位本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于各種經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的催促指導(dǎo)，以及一起努力工作和學(xué)習(xí)的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)是難以想象的。首先我最應(yīng)感謝的就是我們的指導(dǎo)教師張老師，雖身負(fù)教學(xué)、科研重任，卻仍然抽出珍貴的時(shí)間，不時(shí)地召集我和同學(xué)以督責(zé)課業(yè)，耳提面命，殷殷之情盡在諄諄教誨中。這篇論文更傾注了他的大量心血。從初搞到定稿，老師總是不厭其煩，一審再審，到達(dá)篇章布局的偏頗，笑道語句格式的瑕疵、單詞標(biāo)點(diǎn)的糾正，都一一予以指出。我還要感謝學(xué)院的各位工作人員，他們細(xì)致的工作使我和同學(xué)們的學(xué)習(xí)和生活井然有序。指導(dǎo)教師：張?jiān)喇厴I(yè)設(shè)計(jì)：孟祥龍時(shí)間：2012-5-18參考文獻(xiàn)[1]洪乃剛等編著.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)MATLAB仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006.1[2]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社[3]李海濤等主編.MATLAB程序設(shè)計(jì)教程[M].北京：高等教育出版社[4]張?jiān)?基于SIMULINK的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)[J]遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9〔1〕,1-3.[5]劉慧穎編著.MATLABR2007根底教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2023.7[6]羅華飛編著.MATLABGUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手記[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2023.8[7]田淳，胡育文.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論方案的研究[J]，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002〔2〕：8-11[8]李鐘明，劉衛(wèi)國，劉景林等.稀土永磁電機(jī)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.[9]李發(fā)海，陳湯銘，鄭逢時(shí)，張麟征，朱東起.電機(jī)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1991.[10]王沫然.Simulink4建模及動(dòng)態(tài)仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002.[11]李燁，嚴(yán)欣平永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]，重慶大學(xué)，2001，34〔4〕，30-33.[12]黃慧敏.永磁同步電機(jī)系統(tǒng)建模與仿真研究[D].武漢理工大學(xué)，2007.[13]張崇巍等.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].武漢理工大學(xué)出版社，2002.[14]楊興瑤.電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理及系統(tǒng)[M].水利電力出版社，1995.附錄Controlofpermanent-MagnetGeneratorsAppliedtoVariable-SpeedWind-EnergySystemsConnectedtotheGridI.INTRODUCTIONVARIABLE-SPEEDpowergenerationenablesoperationoftheturbineatitsmaximumpowercoefficientoverawiderangeofwindspeeds,obtainingalargerenergycapturefromthewind.Oneoftheproblemsassociatedwithvariable-speedwindsystemstodayisthepresenceofthegearboxcouplingthewindturbinetothegenerator.Thismechanicalelementsuffersfromconsiderablefaultsandincreasesmaintenanceexpenses.Toimprovereliabilityofthewindmillandreducemaintenanceexpensesthegearboxcanbeeliminated.Permanentmagnetscanbeusedtoreplacetheexcitationwindingofsynchronousmachinesbecauseofduetomagnetpricereductionandmagneticmaterialcharacteristicimprovement[1].Permanent-magnetexcitationallowsustouseasmallerpolepitchthandoconventionalgenerators,sothesemachinescanbedesignedtorotateatratedspeedsof20–200r/min,dependingonthegeneratorratedpower[2].Severalwindgeneratormanufacturersincorporatemultipolepermanent-magnetgeneratorsintotheirwindturbines.Fig.1.Rectifiercontrolschemes.Theoverallsystem(seeFigs.1and3)consistsofasurfacemountedpermanent-magnetgeneratorwithafrequencyconverterwhichallowsvariable-speedoperation.Byadaptingtheturbinespeedtowindvariations,itispossibletoobtainmaximumpowerfromtheincidentwind.Themainaimofthisworkisthepreciseselectionofthesystemcomponents(generator,converter,gridfilter)aswellasthecontrolloopdesignandimplementation,inordertoextractmaximumpowerfromthewind.Toachie