永磁同步電機(jī)磁場定向矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u1532摘要 316204緒論 584881.1研究背景及意義 5279951.1.1研究背景 586651.1.2設(shè)計意義 5117271.2國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 5285571.2.1國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀 550261.2.2國外技術(shù)現(xiàn)狀 6237851.3本文的主要研究內(nèi)容 7195031.4小結(jié) 76652第二章系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立 999552.1三相PMSM的基本數(shù)學(xué)模型 94362.2兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 11326122.3同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 12255672.4三相電壓的空間矢量表示 13179142.5SVPWM的生成步驟 13144562.6空間矢量調(diào)制算法的扇區(qū)判斷 15642.7基本空間矢量作用時間 15199802.8扇區(qū)矢量切換點的確定 16113722.9第二章小結(jié) 1721617第三章系統(tǒng)仿真模型的搭建 189333.1永磁同步電機(jī)磁場定向矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真建模 18282103.2仿真電機(jī)參數(shù) 18154263.3仿真基本思路及仿真模塊的搭建 1816243.4坐標(biāo)變換模塊 19130443.5PI調(diào)節(jié)器模塊 20218793.6PI參數(shù)整定 21230643.6.1電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 2261863.6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 2422483.7SVPWM模塊 25190393.8第三章小結(jié) 3020337第四章系統(tǒng)仿真波形分析 3156744.1仿真結(jié)果分析 31260854.1.1空載啟動及突加負(fù)載實驗 31230244.1.2帶載啟動及突降負(fù)載實驗 35100614.2第四章小結(jié) 392345第五章總結(jié) 40292915.1設(shè)計總結(jié) 4010445.2存在問題及展望 40

00摘要永磁同步電機(jī)憑借其功率因數(shù)大、可靠性高和節(jié)等優(yōu)勢被普遍使用在生活中的各個領(lǐng)域，成為了不可替代的動力源泉。在永磁同步電機(jī)的實際應(yīng)用中，電機(jī)控制是一項關(guān)鍵技術(shù)。目前，永磁同步電機(jī)兩種主流的控制策略一種為直接轉(zhuǎn)矩控制，另一種是矢量控制，這兩種控制策略在永磁同步電機(jī)的眾多控制算法中的主導(dǎo)地位始終無法被撼動。本文針對永磁同步電機(jī)的矢量控制，結(jié)合生活中負(fù)載變化的需求確立了變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制的研究意義。并借助MATLAB在有一定數(shù)學(xué)理論的基準(zhǔn)上搭建了仿真模型，系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，并采用PI控制器以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。最后對系統(tǒng)的快速性和抗干擾性進(jìn)行了觀察與分析，驗證了此次設(shè)計的合理性。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；矢量控制；PI控制；雙閉環(huán)緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景電機(jī)作為平時生活中很多機(jī)器的動力源泉，受益于磁場定向矢量空間技術(shù)的出現(xiàn)，它的控制性能因此被提高。該項控制技術(shù)將磁場的控制和轉(zhuǎn)矩的控制技術(shù)全部加于自己身上，實現(xiàn)了沖擊電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦，解決了交流電機(jī)自身耦合的不足。永磁同步電動機(jī)具有方便檢測轉(zhuǎn)子線圈和坐標(biāo)信息算法相對簡便的優(yōu)點。因此，永磁同步發(fā)動機(jī)控制領(lǐng)域中交流調(diào)速的矢量控制理論被廣泛應(yīng)用。將交流電機(jī)與直流電機(jī)放在同一平面上而言，交流電機(jī)克服了直流電機(jī)由于電刷和機(jī)械開關(guān)的限制，在工業(yè)自動化中得到了廣泛的應(yīng)用。永磁同步發(fā)動機(jī)因為其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、損耗低的特點得以在汽車領(lǐng)域中大展拳腳，成為主流電機(jī)，永磁同步發(fā)動機(jī)（PMSM）以其優(yōu)異的性能和多樣化的結(jié)構(gòu)引起了發(fā)動機(jī)設(shè)計和驅(qū)動技術(shù)研究者的極大關(guān)注。1.1.2設(shè)計意義當(dāng)一件機(jī)器得以大力發(fā)展時，那建造其所需要的原材料也會決定其發(fā)展的速度及上限。永磁同步電機(jī)發(fā)展與它的永磁材料的發(fā)展是密切相關(guān)。而我國地大物博，稀土資源儲量很大。我國的稀土永磁材料和稀土礦石的產(chǎn)量也位居世界前列，因而在高磁性能的永磁材料研制方面有著得天獨厚的優(yōu)勢，同時我國的稀土永磁電機(jī)的研發(fā)水平也在國際前列。因此，大力研發(fā)和推廣使用以稀土永磁電機(jī)為代表的各類永磁電機(jī),對我國科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的意義。另外，在中，不同情景所需要的負(fù)載是不同的，而負(fù)載的變化可以對轉(zhuǎn)速的降落，恢復(fù)時間，電流的突增量，電磁轉(zhuǎn)矩的突增和抗干擾性等有一定影響，所以為了滿足實際使用的需要，需要研究負(fù)載的變換對控制策略的影響。由此可以看出，對于永磁同步電機(jī)既穩(wěn)定又高效的控制系統(tǒng)的研究，對實際的應(yīng)用價值有著重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制方式一般是通過比例積分（PI）來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。PI控制器被得以大力應(yīng)用的原因主要是其結(jié)構(gòu)簡單，控制性能優(yōu)越，當(dāng)被控制對象的參數(shù)改變時不會階躍式跳躍和突飛。1991年r.b.sepe首次將自整定應(yīng)用于速度控制，早期的自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于直流控制系統(tǒng)。國立臺灣大學(xué)劉天華等首次提出了永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動的魯棒控制理論[1]，電機(jī)在運行過程中模型和參數(shù)不是一成不變的，而是隨時間不斷變化的，這些改變將會使得系統(tǒng)控制性能的降低。而現(xiàn)代控制理論中不同的魯棒控制技術(shù)可以改變這種現(xiàn)象：即模型和參數(shù)改變時電機(jī)控制性能下降。因此，在電機(jī)控制領(lǐng)域中使用各種魯棒控制技術(shù)可以讓調(diào)速系統(tǒng)的的控制性能有一個質(zhì)的飛躍。在這種背景下，最成功的控制技術(shù)有自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)辨識技術(shù)等。一件事物的成功發(fā)展不僅僅取決于人力，更需要物質(zhì)基礎(chǔ)，同理，現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功發(fā)展也需要有一定的物質(zhì)基礎(chǔ)，而它的物質(zhì)基礎(chǔ)就是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展。電力半導(dǎo)體器件的主要發(fā)展方向是可控硅晶體管（GTR）、晶閘管（GTO）和隔離柵功率晶體管（MOSFET），后來出現(xiàn)的智能功率模塊（IPM）是功率半導(dǎo)體器件向功率集成電路過渡的產(chǎn)物[2]。將電力電子技術(shù)于微電子技術(shù)進(jìn)行交融貫通就會產(chǎn)生一種新的事物，那就是IPM。它的功能非常強大，不僅可以進(jìn)行輸出，還短小精悍，方便快捷也有很高的系統(tǒng)可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今人們對電子儀器小但功能強大的需求，在電子領(lǐng)域的領(lǐng)土在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣發(fā)。在現(xiàn)代交流調(diào)速中，逆變器的調(diào)制方式也特別重要，其中最重要的調(diào)制方式是脈寬調(diào)制（PWM）。不同的PWM技術(shù)有各自的特點，其中最重要的三種PWM技術(shù)是：正弦脈沖波長調(diào)制（SPWM）、電流滯環(huán)跟蹤PWM控制（CHBPWM）和電壓空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)(SVPWM)[3]。電壓空間矢量PWM調(diào)制技術(shù)(SVPWM)為了從電機(jī)電流的角度控制逆變器的輸出電壓，使發(fā)動機(jī)獲得恒幅的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在三相對稱的正弦電壓供電下，交流發(fā)動機(jī)產(chǎn)生圓形電流連接。基于理想的轉(zhuǎn)矩曲線的SVPWM調(diào)制技術(shù)，逆變器上下橋臂具有不同狀態(tài)開關(guān)時，將他們組合起來就會產(chǎn)生不同的定子電流，逼近參考電流電路，從而實現(xiàn)高的控制功率，SVPWM調(diào)制技術(shù)的特點是轉(zhuǎn)矩運動小，控制精度高，與SPWM調(diào)制技術(shù)相比，在SPWM的基礎(chǔ)上，SVPWM調(diào)制技術(shù)使直流母線電壓利用率由接近15%提高[4]。1.2.2國外技術(shù)現(xiàn)狀當(dāng)一件機(jī)器得以大力發(fā)展時，那所建造其所需要的原材料也會決定其發(fā)展的速度及上限。永磁同步電機(jī)就是這樣的機(jī)器，它的發(fā)展與它的原材料：永磁材料的發(fā)展是脫不開關(guān)系的。當(dāng)各種發(fā)動機(jī)飛快發(fā)展的需求與電流充磁器的問世同時出現(xiàn)時，研究人員加大了對永磁材料的研究，發(fā)現(xiàn)了多種新的永磁材料。其中鋁鎳鈷永磁和鐵氧體永磁以他們優(yōu)越的的磁性性能在眾多永磁材料中嶄露頭角,由此而生的是眾多微型電機(jī)及精密儀器都選擇采用永磁材料。任何事物都不會是完美的，永磁材料也是這樣，當(dāng)人們驚訝于他們的磁性性能優(yōu)異時，也發(fā)現(xiàn)了他們的缺點：鋁鎳永磁體的受力較小，鐵氧體的剩余密度較低，而這些缺點讓其應(yīng)用受到限制。20世紀(jì)六八十年代，稀土永磁材料問世，開始一個接一個展露屬于他們的崢嶸。它們以高磁能積、高剩余密度、線性退磁曲線等優(yōu)良的磁性能迅速占據(jù)電機(jī)的生產(chǎn)領(lǐng)域，而稀土永磁磁性材料的出現(xiàn)，使永磁發(fā)動機(jī)進(jìn)入了一輪新發(fā)展狂潮[5]。自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對永磁同步發(fā)動機(jī)的數(shù)學(xué)模型、穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性投入了大量的時間及精力來進(jìn)行研究與探討。A.V.Gumaste等人研究了由電壓型逆變器（VSI）驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)（PMSM）和帶功率逆變器（CSI）的永磁同步電動機(jī)（PMSM）的穩(wěn)態(tài)特性[6]。由于人們對物質(zhì)的要求及標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，電機(jī)的控制性能也迎來了它的高要求及高標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計一臺高效率、高慣性、高能量密度的永磁同步發(fā)動機(jī)是十分必要的。斯萊蒙基于快速動態(tài)性能和高效率調(diào)速的要求，對設(shè)計現(xiàn)代永磁同步電機(jī)提出見解和想法，而由于微機(jī)技術(shù)有了很大程度的進(jìn)步，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)也得因于此跨向全數(shù)字控制。1.3本文的主要研究內(nèi)容本次設(shè)計的題目為變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計。在了解了永磁同步電機(jī)的發(fā)展歷程后，結(jié)合實際，設(shè)計變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)是可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹呢?fù)載變化的需求的。為搭建出仿真模型，這里需要用到Matlab仿真軟件，文中將模型搭建的過程分為兩個階段，分別是數(shù)學(xué)模型的建立和仿真模型的搭建，在文中會分別對兩個過程進(jìn)行詳細(xì)的闡述。最后根據(jù)仿真模型的運行結(jié)果及波形，分析驗證了系統(tǒng)的快速性和抗擾動性。具體內(nèi)容如下：（1）了解永磁同步電機(jī)的發(fā)展；（2）研究永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)；（3）建立變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；（4）搭建變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型；（5）對變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行初步研究。1.4小結(jié)第一章：首先闡述了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究背景，然后根據(jù)實際生活發(fā)現(xiàn)：生活中人們對電機(jī)負(fù)載的需求并不是一成不變的，而是希望負(fù)載可以適應(yīng)各種情景來不斷變化的，提出了變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計的研究意義，并查閱資料，了解了國內(nèi)外對于本課題的研究現(xiàn)狀，介紹了后續(xù)完成本次課題需要的工作內(nèi)容。第二章：本章節(jié)內(nèi)容主要建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)仿真模型的建立提供一定理論依據(jù)。首先介紹了永磁同步電機(jī)的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和分類，讓我們對永磁同步電機(jī)有了一個基本的理解。然后由于搭建模型需要兩種變換，將三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，并對他們進(jìn)行了簡要分析。最后提到了本文所采用的控制策略，對其原理和步驟以及優(yōu)越點進(jìn)行了闡述。并較為詳細(xì)的介紹了搭建該控制模塊的步驟，為后續(xù)模型的搭建提供了思路和理論基礎(chǔ)。第三章：本章節(jié)內(nèi)容主要為系統(tǒng)仿真模型的搭建。簡要介紹了搭建仿真模型所需要的軟件，并提到了該軟件的來源和本次模型搭建的主要思路：分別搭建模塊，使整個系統(tǒng)模塊化，最后進(jìn)行整合。對本次系統(tǒng)模型所采用的電機(jī)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，然后給出了整個系統(tǒng)模型的整體框圖。最后根據(jù)框圖分別介紹了各個模塊：坐標(biāo)變換模塊，PI調(diào)節(jié)模塊以及控制策略模塊。并對PI調(diào)節(jié)模塊中的控制參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)說明。第四章：本章節(jié)內(nèi)容主要為仿真波形分析。將仿真波形分為兩個大部分：空載啟動及突加負(fù)載實驗和帶載啟動及突降負(fù)載實驗。而兩個大部分之中每個又分為兩個小部分。對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機(jī)線電壓、相電流、電樞電流和勵磁電流進(jìn)行了觀察分析，詳細(xì)闡述了波形的每一階段的變化和原因。最后根據(jù)所有波形的分析，對本次設(shè)計的系統(tǒng)的抗干擾性及快速性進(jìn)行了分析和總結(jié)。第二章系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立2.1三相PMSM的基本數(shù)學(xué)模型電機(jī)運行時的控制性能及方法、制作工藝、適用場合的主要決定因素為該電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。而以永磁體在轉(zhuǎn)子上所處位置的不同為決定性因素，將三相PMSM的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)歸為表貼式和內(nèi)置式兩種類型。如圖2-1所示。（a）表貼式（b）內(nèi)置式圖2-1三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)，所具有的優(yōu)缺點也是不同的。表貼式在恒功率運行范圍不寬的三相永磁同步電機(jī)、永磁無刷直流電機(jī)中占據(jù)大部分市場，正是因為它具有簡單、制造成本低廉和轉(zhuǎn)動慣量不大等優(yōu)勢。還有值得一提的方面是得利于該結(jié)構(gòu)中的永磁磁極，使得其與其他材料相比較讓最優(yōu)設(shè)計變成現(xiàn)實的困難度大大降低。當(dāng)達(dá)到最優(yōu)設(shè)計時，電機(jī)的氣隙磁密波形將會呈現(xiàn)出趨于正弦波的波形，這樣，電機(jī)的運行性能就會被拉伸，跨入一個新的層面。一般結(jié)構(gòu)的電機(jī)運行過程中會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，是由于轉(zhuǎn)子磁路是不對稱的，而存在的磁阻轉(zhuǎn)矩會使得電機(jī)的運行性能降低。但內(nèi)置式結(jié)構(gòu)很好的解決了這個問題，它將磁阻轉(zhuǎn)矩化廢為寶，使電機(jī)的功率密度提高，與第一種結(jié)構(gòu)電機(jī)比較，其動態(tài)性能有明顯的改善，另外它具有制造工藝簡單的優(yōu)點[7]。但它的缺點也很明顯，那就是漏磁系數(shù)以及制造成本相較偏高。表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電磁性能上被劃分為隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因為其采用了磁導(dǎo)率無限接近于1的永磁材料；內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在電磁性能上被劃分為凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因為沒有采用永磁材料，而是在相鄰永磁磁極間采用了磁導(dǎo)率很大的改磁材料[8]。假設(shè)三相PMSM是理想電機(jī)，且滿足以下條件：（1）忽略電機(jī)鐵芯的飽和；（2）忽略不計電機(jī)中的渦流和磁滯損耗；（3）電機(jī)中的電流為對稱的三相正弦波電流。當(dāng)電機(jī)滿足上述假設(shè)，列出永磁同步電機(jī)在自然坐標(biāo)系下的三相電壓方程和磁鏈方程。根據(jù)以上假設(shè)，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC下電壓方程和磁鏈方程，如式2.1及式2.2所示：電壓方程： (2.1)其中ua，ub，uc是三相電壓；ia，ib，ic是三相電流；ψa，ψb，ψc，是三相磁鏈；R是電樞繞組電阻。磁鏈方程： (2.2)AX繞組、BY繞組、CZ繞組為定子三相繞組，且三相定子繞組在空間中的分布是對稱的，我們將ABC作為繞組的首端，將XYZ作為繞組的末端。以ABC三相的相電流方向的正方向作為的空間坐標(biāo)軸的參考軸線，就能夠建立一個三相靜止坐標(biāo)系并將其命名為ABC坐標(biāo)系。將永磁體的磁軸線N極定為d軸，垂直N極定為q軸，則可以得到一個固定在轉(zhuǎn)子上的坐標(biāo)系并將其命名為dq軸坐標(biāo)系。如圖2-2。圖2-2坐標(biāo)系為了簡化三相永磁同步電機(jī)在自然坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，需要進(jìn)行一個坐標(biāo)處理過程即坐標(biāo)變換。采用的處理方式通常包括Clark變換和Park變換。它們之間的坐標(biāo)關(guān)系如圖2-3所示，其中ABC為自然坐標(biāo)系，α－β為靜止坐標(biāo)系，d-q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。圖2-3靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的關(guān)系2.2兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如圖2-4所示是各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系。是電角速度，是電角度，它們分別與機(jī)械角速度，的關(guān)系式，其中為極對數(shù)： (2.3)圖2-4各個坐標(biāo)系之間的關(guān)系為了達(dá)到將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系的目的，需要采用Clark變換的處理方式，已知Clark變換公式為： (2.4)其中K=2/3為恒幅值轉(zhuǎn)換，K=根號(2/3)為恒功率轉(zhuǎn)換，在沒有特殊情況說明下一般采用恒幅值轉(zhuǎn)換，即K=根號(2/3)。否則就會出現(xiàn)在后續(xù)的過程SVPWM中會出現(xiàn)過調(diào)制情況，為防止這種情況的出現(xiàn)后續(xù)分析全部采用K=根號(2/3)[9]。同理反Clark變換公式： (2.5)其中K=1為恒幅值轉(zhuǎn)換，K=根號(2/3)為恒功率轉(zhuǎn)換。根據(jù)式(2.4)Clark變換可以得到PMSM在坐標(biāo)系下的電壓方程和磁鏈方程。2.3同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為了便于后期控制器的設(shè)計，需要進(jìn)行坐標(biāo)處理過程，而處理方式一般將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型解耦。從坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系要用到Park變換。已知Park變換公式： (2.6)同理Park逆變換的公式為： (2.7)根據(jù)式(2.6)可以得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程和定子磁鏈方程：定子電壓方程： (2.8)定子磁鏈方程： (2.9)將式(2.9)代入式(2.8)最終可以得到定子電壓方程為： (2.10)其中，分別是定子電壓d-q軸分量；，是定子電流d-q軸分量；R是定子電阻；，是定子磁鏈在d-q軸分量；是電角速度；，是d-q軸電感分量；是永磁磁鏈。由式(2.10)可發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型已實現(xiàn)完全解耦[10]。電磁轉(zhuǎn)矩方程： (2.11)轉(zhuǎn)子運動方程： （2.12）其中Te是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；TL是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J是轉(zhuǎn)動慣量；Pn是極對數(shù)。對于凸極機(jī)有≠，隱極機(jī)有=，由于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)遣蛔兊?，因此只要調(diào)節(jié)和就能夠調(diào)節(jié)PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩，為了控制和帶來影響，將控制為0，則只需控制就能夠調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。2.4三相電壓的空間矢量表示這里我們認(rèn)識一種基于變換器空載電壓（電流）矢量切換的新型控制思想和控制策略：空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制策略。其基本思想是：與原來的SPWM算法相比，利用逆變器的空電壓矢量開關(guān)獲得準(zhǔn)圓形旋轉(zhuǎn)磁場，在開關(guān)頻率較低的情況下，讓電機(jī)獲得較好的控制性能。SVPWM算法是開關(guān)設(shè)備序列和脈寬的特殊組合，對應(yīng)于交流發(fā)動機(jī)中三相電壓疊加逆變器的集合[11]。這種開關(guān)漏斗序列和組合產(chǎn)生120度電角差的三相正弦波，定子線圈畸變小，已被實踐和理論證明，與直接SPWM技術(shù)相比，SVPWM算法具有以下優(yōu)點[12]：（1）SVPWM諧波優(yōu)化程度高，諧波消除效果優(yōu)于SPWM，實現(xiàn)簡單，能提高電壓利用率；（2）SVPWM算法使電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)速度得到了提高了并減小了發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩運動；（3）SVPWM相比于其他算法更適合于數(shù)字控制。2.5SVPWM的生成步驟我們將直流母線側(cè)電壓設(shè)為Udc，設(shè)Ua、Ub、Uc為逆變器輸出的三相相電壓，他們在同一個三相平面坐標(biāo)系上，靜止且互相相差120°，它們的方向始終不會脫離他們自己各相的軸線，它們的大小因為時間的變化而變化，作正弦規(guī)律，時間相位互差120°[13]。如果Um為相電壓波峰值，f為電源頻率,則可得到公式.如圖2-5.2-5逆變器橋臂圖在三相靜止坐標(biāo)系的平面中，三相電壓空間矢量相加的合成空間矢量us(t)就可以表示為式2.13（2.13）us(t)作為一個空間矢量，它是旋轉(zhuǎn)的，它的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向以同一個速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為。另外它的幅值可以按相電壓峰值的1.5倍Um(為相電壓峰值）來計算，而空間矢量us(t)在三相坐標(biāo)軸（a,b,c）上的投影就是對稱的三相正弦量。在圖2-5中我們可以發(fā)現(xiàn)逆變器三相橋臂共有6個開關(guān)管，當(dāng)每一相上下橋臂開關(guān)不同情況時，輸出的空間電壓矢量也是不同的，我們?yōu)榱搜芯克乃薪M合，特定義開關(guān)函數(shù)Sx(x=a、b、c),如式2.14。 （2.14）結(jié)果分布如表2-1。表2-1SaSbSc矢量符號線電壓相電壓UabUbcUcaUanUbnUcn000U0000000100U4Udc0-Udc2/3Udc-1/3Udc-1/3Udc110U60Udc-Udc1/3Udc1/3Udc-2/3Udc010U2-UdcUdc0-1/3Udc2/3Udc-1/3Udc011U3-Udc0Udc-2/3Udc1/3Udc1/3Udc001U10-UdcUdc-1/3Udc-1/3Udc2/3Udc101U5Udc-Udc01/3Udc-2/3Udc1/3Udc111U7000000根據(jù)表2-1。我們知道一共有6個基本電壓空間矢量，對應(yīng)6個基本電壓空間矢量定義6個扇區(qū)，任意選擇一個扇區(qū)，將相鄰的兩個電壓矢量配同零矢量，以伏秒平衡的原則來合成每個扇區(qū)內(nèi)的任意電壓矢量[14]。2.6空間矢量調(diào)制算法的扇區(qū)判斷為了使電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場逼近圓形，空間矢量調(diào)制算法(SVPWM)就是在一個開關(guān)周期內(nèi)通過基本電壓矢量合成，使其在一個輸出周期內(nèi)合成矢量能夠旋轉(zhuǎn)成一個圓軌跡。如圖2-6所示。圖2-6空間矢量圖規(guī)定和為參考矢量在兩相靜止坐標(biāo)系下的橫軸縱軸分量，確定參考矢量的方法如下：若，則A=1，否則A=0若，則B=1，否則B=0若，則C=1，否則C=0由此得到扇區(qū)號：2.7基本空間矢量作用時間為了確定基本空間矢量的作用時間，我們在這里定義三個中間量X,Y,Z.他們?yōu)樯葏^(qū)各矢量的作用時間。令` （2.15）這樣就可以列出各個扇區(qū)T0,T7,T4和T6的作用時間，如表2-2。表2-2各扇區(qū)作用時間N123456T4ZY-Z-XX-YT6Y-XXZ-Y-ZT0如果T4+T6大于TS,則需要多一步處理：過調(diào)制,令 (2.16)2.8扇區(qū)矢量切換點的確定為了確定扇區(qū)矢量的切換點，首先定義三個中間量Ta,Tb,Tc,如式2.17 （2.17）就可以列出三相電壓開關(guān)時間Tcm1,Tcm2,Tcm3與各扇區(qū)的關(guān)系，如表2-3表2-3三相電壓開關(guān)時間與各扇區(qū)的關(guān)系N123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa各電壓矢量時間分配圖如圖2-7。圖2-7各電壓矢量時間分配圖綜上，SVPWM算法的主要過程可以概括為三個步驟。參考電壓矢量的扇區(qū)判斷，各個扇區(qū)矢量的作用時間以及最后的各個扇區(qū)矢量切換點的確定。最后將固定頻率的三角載波與各個矢量切換點放在同一平面上進(jìn)行對比，就可以得到逆變器所需要的PWM脈沖[15]。2.9第二章小結(jié)第二章首先針對永磁同步電機(jī)基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹。接著提到了本次設(shè)計中所需要的坐標(biāo)變換及所采用的控制算法，并逐一推導(dǎo)了各個坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。最后介紹了本設(shè)計所用算法的基本原理和生成步驟，讓我們對各個模塊有了一個較為深入的認(rèn)知，為后續(xù)模型的搭建建立了基礎(chǔ)。

第三章系統(tǒng)仿真模型的搭建3.1永磁同步電機(jī)磁場定向矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真建模Matlab是美國MathWorks公司開發(fā)的Matlab/Simulink軟件，具有強大的矩陣功能、可視化仿真背景和字符功能，它主要用于數(shù)學(xué)計算。SIMULINK自帶一套模型齊全的POWERSYSTEM工具箱，這使得它在電氣工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也較為廣泛。在實際工程應(yīng)用中，其仿真結(jié)果常與實驗結(jié)果高度吻合，這很大程度上提高了工程開發(fā)的效率[16]。本文在完成了對PMSM矢量控制技術(shù)的理論分析后，構(gòu)建了矢量控制系統(tǒng)中的各個模塊的仿真模型，它們分別是SVPWM模塊、坐標(biāo)變換模塊、PI調(diào)節(jié)器模塊，最終將各個模塊整合，完成了本次課題所需要的變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型搭建。并從電機(jī)在d-q軸的數(shù)學(xué)模型的出發(fā)，分析了系統(tǒng)的快速性和抗干擾。3.2仿真電機(jī)參數(shù)本文選擇額定功率為3kw的凸極永磁同步電機(jī)，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1200rpm，定子電阻為0.958，直流母線電壓Ud為311。具體電機(jī)參數(shù)如下表所示。表3-1仿真電機(jī)參數(shù)參數(shù)數(shù)值單位參數(shù)數(shù)值單位額定功率3額定轉(zhuǎn)速1200定子電阻0.958極對數(shù)4阻尼系數(shù)0.008采樣時間1母線電壓311軸電感5.25軸電感12磁鏈0.18273.3仿真基本思路及仿真模塊的搭建利用模塊化的思想和SIMULINK仿真工具，根據(jù)系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動需求，這次設(shè)計采用的控制策略，其控制原理如圖3-1所示。按照框圖所示，把控制系統(tǒng)分為多個功能相對獨立的功能模塊，最后將各個模塊進(jìn)行整合，以完成本次設(shè)計的仿真模型搭建。本節(jié)將具體介紹各個模塊仿真框圖的搭建過程。圖3-1控制策略框圖3.4坐標(biāo)變換模塊在矢量控制中，坐標(biāo)變換模塊有三種，分別為Clark變換（仿真框圖如圖3-2所示），Park變換（仿真框圖如圖3-3所示）和反Park變換（仿真框圖如圖3-4所示）。圖3-2Clark變換圖3-3Park變換圖3-4反Park變換3.5PI調(diào)節(jié)器模塊首先，我們需要根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)原理,搭建PI調(diào)節(jié)器模塊，如圖3-5所示：圖3-5PI調(diào)節(jié)器模塊3.6PI參數(shù)整定根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以得知，時，從電機(jī)連接來看，永磁同步電機(jī)相當(dāng)于單獨勵磁的直流電機(jī)。定子電流中只有一個交變軸分量，定子磁感應(yīng)力的空間矢量與永磁感應(yīng)力正交。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有一個永磁轉(zhuǎn)矩分量，其大小為，由于電磁轉(zhuǎn)矩只依賴于交軸電流，在轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中，正方形的電流和軸線的直流電是斷開的，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中交、直軸電流解耦。這種控制方法是該技術(shù)中最簡單、最容易實現(xiàn)的，對于隱極式永磁同步電機(jī)而言，的方式是最大轉(zhuǎn)矩電流比的工作狀態(tài)。矢量控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-6所示：圖3-6控制結(jié)構(gòu)框圖在本次設(shè)計中，電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)均采用傳統(tǒng)的PI控制器進(jìn)行控制。下面簡要介紹每個PI控制器的參數(shù)設(shè)置方法。3.6.1電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定由于本次設(shè)計采用控制方法是，而軸電流內(nèi)環(huán)具有對稱性相似的系統(tǒng)特性，所以只分析下軸電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法，而軸電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法和軸差別不大。由于PWM控制的延時性和低慣性，軸電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-7所示。圖3-7軸電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖圖中顯示了當(dāng)前回路即電流環(huán)的采樣周期，為了方便于我們下面的分析，在不考慮帶來的擾動情況下，將PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)變換為零極點的形式為：（3.1）將兩個小時間常數(shù)進(jìn)行合并得到如下軸電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)框圖由兩個時間常數(shù)組合而成，如圖3-8所示：圖3-8軸電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)框圖通過對PI控制器的校正，得到了電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)，如下：（3.2）由開環(huán)傳遞函數(shù)可求得閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（3.3）當(dāng)具有較高的開關(guān)頻率時，的取值夠小，就可以認(rèn)為的系數(shù)為零，可忽略不計。從而可以得到軸電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：（3.4）查閱典型型系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)參數(shù)表就可以知道，在阻尼比時就會是最佳二階系統(tǒng)，從而有：（3.5）由式（3.4）及式（3.5）就可以推出電流回路的PI參數(shù)為：（3.6）3.6.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定將負(fù)載轉(zhuǎn)矩當(dāng)作干擾引入，由于粘著系數(shù)在工藝上可忽略不計，因此可以確定轉(zhuǎn)速環(huán)近似控制框圖，如圖3-9所示：圖3-9電流外環(huán)結(jié)構(gòu)框圖由于轉(zhuǎn)速外環(huán)包含電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)對應(yīng)為小時間常數(shù)，而速度信號采樣的小時間常數(shù)，然后將他們進(jìn)行整合合并得，我們先不考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩，從而確定轉(zhuǎn)速外環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖為圖3-10所示：圖3-10轉(zhuǎn)速外環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)框圖由圖3-9求得開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3.7）轉(zhuǎn)速外環(huán)的中頻帶寬為：（3.8）根據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，可以確定關(guān)系如下：（3.9）在工程技術(shù)應(yīng)用中一般采用中頻帶寬，將數(shù)值帶入式（3.9）可得：（3.10）進(jìn)而可以推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI參數(shù)為：（3.11）以上為電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)理論分析計算，而系統(tǒng)的實際運行情況往往和理論分析有差別，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)谜{(diào)整參數(shù)。3.7SVPWM模塊SVPWM的主要思想可以概況為以下內(nèi)容：當(dāng)三相電源是對稱的正弦波電壓時，將此時電機(jī)定子的理想流路做為參考標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)切換與三相逆變器的不同模式之間，達(dá)到出現(xiàn)PWM波的目的，實際磁鏈?zhǔn)噶颗c精確的磁鏈周期之間的關(guān)系為前者跟蹤后者。相較于傳統(tǒng)的SPWM方法，SVPWM將交流系統(tǒng)與異步電機(jī)合二為一成一個整體來進(jìn)行考慮，而傳統(tǒng)的SPWM方法更多的是考慮生成一個頻率和電壓可調(diào)的同步電源。SVPWM相較于SPWM方法來說更為方便快捷與簡單，一定程度上讓微處理器的實時控制得到了方便。而合成電壓矢量的原因就是在為了在電機(jī)的內(nèi)部形成圓形的旋轉(zhuǎn)磁鏈。由于磁鏈方向與電壓矢量方向垂直，通過使得合成的電壓矢量不斷逼近圓形旋轉(zhuǎn)，即可合成圓形旋轉(zhuǎn)磁場；通過進(jìn)一步通過判斷扇區(qū)、時間分配等操作組合各個基本矢量的作用時間，即可使得電壓矢量的末端始終沿著圓形旋轉(zhuǎn)。按照以下步驟搭建仿真。1、確定參考矢量所在的扇區(qū)。規(guī)定和為參考矢量在兩相靜止坐標(biāo)系下的橫軸縱軸分量，確定參考矢量的方法如下：若，則A=1，否則A=0若，則B=1，否則B=0若，則C=1，否則C=0由此得到扇區(qū)號：，如圖3-11所示：圖3-11扇區(qū)判斷2、計算不同扇區(qū)中兩個相鄰非零矢量的作用時間X、Y、Z根據(jù)秒伏原理，可以計算出基本矢量作用的時間，其仿真框圖如圖3-12所示。圖3-12矢量作用時間計算3、作用時間和的分配不同的的扇區(qū)和的取值如下表3-2所示：表3-2六個扇區(qū)矢量作用時間分配表扇區(qū)號123456ZY-Z-XX-YY-XXZ-Y-Z仿真模塊如下圖所示：圖3-13矢量作用時間分配4、根據(jù)表3-3所示不同的扇區(qū)號所對應(yīng)的作用時間分配，計算空間電壓矢量切換點、、，其計算方程如式3.12所示。（3.12）表3-3空間矢量切換點扇區(qū)號123456圖3-14電壓空間矢量切換點5、在計算出電壓矢量切換點后，將所生成的調(diào)制波轉(zhuǎn)化為PWM脈沖，根據(jù)規(guī)則采樣法搭建脈沖輸出模塊，如圖3-15所示。圖3-15脈沖輸出模型6、SVPWM整體框圖圖3-16SVPWM整體框圖3.8第三章小結(jié)第三章為仿真模型搭建章節(jié)，整體思路為將系統(tǒng)設(shè)計模塊化，分別搭建模塊，最后整合從而完成本次系統(tǒng)的仿真設(shè)計。并在給出了整個系統(tǒng)的設(shè)計框圖的基礎(chǔ)上分別對所設(shè)計的單一模塊進(jìn)行闡述，詳細(xì)介紹了模型的搭建過程。

第四章系統(tǒng)仿真波形分析4.1仿真結(jié)果分析4.1.1空載啟動及突加負(fù)載實驗電機(jī)轉(zhuǎn)速值設(shè)置為1000，d軸電流主要用來勵磁，所以將其值設(shè)置為0，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始值為0，系統(tǒng)運行到0.1s時突加10。仿真過程中，對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機(jī)線電壓、相電流、電樞電流和勵磁電流進(jìn)行觀察分析。圖4-1突加負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形圖4-2突加負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖4-3逆變器輸出電壓波形圖4-4定子三相電流波形圖4-5電機(jī)定子繞組波形將以上仿真分成兩段分析：空載啟動(0~0.11s)分析圖4-1突加負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形及圖4-2突加負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速波形可知，電機(jī)處于初始空載狀態(tài)啟動時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩會有一個突變過程：在大概0.002突然上升到限幅值，并在此后一段時間維持該幅值直到大概0.018。分析此時電機(jī)的轉(zhuǎn)速波形發(fā)現(xiàn)與此同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速上升。在0.018左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，甚至超過設(shè)定值1000，而在0.03左右，電機(jī)速度有一個稍微的降低從而達(dá)到給定值1000，說明電機(jī)于0.03左右進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降，直至轉(zhuǎn)矩為0.82。分析電機(jī)運動方程的組成可知，此時電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的差值為，計算可得轉(zhuǎn)矩差值為0.84，仿真結(jié)果大致符合電機(jī)運動方程。從圖4-3所示的逆變器輸出電壓波形可以看出，電壓頻率隨著電機(jī)的啟動過程而逐漸增加，但在0.04后其周期并沒有顯而易見的變化，頻率達(dá)到設(shè)定的頻率值，說明此時電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。觀察整個過程輸出線電壓的幅值，發(fā)現(xiàn)均為311，等同于直流側(cè)電壓。分析圖4-4三相定子電流波形可知，定子三相電流頻率與逆變器輸出電壓波形一致，空載啟動時電流會急劇上升，并在0.001達(dá)到最大值25.7A，而在0.0018-0.1之間不在有變化并維持0值。而0.11后電流幅值為0.95A，并不在變化，說明此時電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生上述這種變化的原因是摩擦轉(zhuǎn)矩的存在。分析圖4-5定子繞組軸電流波形，藍(lán)色為d軸電流，主要作用為勵磁，所以給定值為0。觀察波形發(fā)現(xiàn)，在0-0.02值在0軸附近飄忽，略大于0。紅色電流為q軸電流，在0-0.018有一個急劇上升的過程，達(dá)到最大值26，0.018-0.02下降到0。0.021時，急劇下降為0.79A。0.021-0.1時，持續(xù)為0，保持為0.79A,說明此時電機(jī)進(jìn)入到穩(wěn)定運行狀態(tài)。直到0.1加入負(fù)載12,q軸電流急劇上升略微超過負(fù)載值，0.11秒左右下降到到11.7接近于負(fù)載值并后續(xù)保持為該值，而d軸電流從無限接近于0略微上升為0.15A。根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程可知，穩(wěn)態(tài)過程，經(jīng)計算為0.78A，仿真結(jié)果與其相差不大，基本符合。突加負(fù)載(0.1~0.2)分析圖4-1電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形可知，在0.1處，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩突然急劇上升，從0階躍到12，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩在這個急劇上升的過程中會產(chǎn)生超調(diào)量為12.8%，在0.108快速穩(wěn)定在12.84。如圖4-2所示，在0.1突然加入負(fù)載時，電機(jī)轉(zhuǎn)速會下降，下降值為40，于0.102處達(dá)到最低值，此時電機(jī)轉(zhuǎn)速為960，下降后約0.015，即0.117處開始回升至1000。此時電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)。分析圖4-5可得，0.1突然后加負(fù)載后，q軸電流迅速從0.79A上升至12.9A，同樣會產(chǎn)生超調(diào)量，超調(diào)量為12.8%，并且在0.11秒左右下降到到11.7A接近于負(fù)載值，并后續(xù)保持為該值，而d軸電流繼續(xù)保持為0。以上突加負(fù)載實驗結(jié)果說明，電機(jī)在空載起動過程中，具有較好的快速性能；電流內(nèi)環(huán)快速飽和，電機(jī)能夠迅速以最大轉(zhuǎn)矩啟動。在0.1突加負(fù)載后，系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)，輸出轉(zhuǎn)矩快速跟隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)；電機(jī)轉(zhuǎn)速略微降落后迅速回到給定值，系統(tǒng)的抗擾動性能優(yōu)良。4.1.2帶載啟動及突降負(fù)載實驗電機(jī)轉(zhuǎn)速值設(shè)置為1000，d軸電流主要用來勵磁，所以將其值設(shè)置為0，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始值為8，系統(tǒng)運行到0.1s時突降為0。仿真過程中，對電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機(jī)線電壓、相電流、電樞電流和勵磁電流進(jìn)行觀察分析。圖4-6突降負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形圖4-7突降負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖4-8逆變器輸出電壓波形圖4-9三相定子電流波形圖4-10電機(jī)定子繞組波形（1）帶載啟動(0~0.1)分析圖4-6突降負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形可得，帶8負(fù)載起動時，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩同空載啟動時在0-0.018都會有一個急劇上升的過程，而在0.018-0.02，電磁轉(zhuǎn)矩會急劇下降，從28的最大值下降為約8.85，0.03后穩(wěn)定在8.85，0.03-0.1電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波動很小，可見系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間為0.035左右，比空載起動時間略長，與數(shù)學(xué)模型計算值相符。分析圖4-7突降負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速波形可知，帶負(fù)載啟動時，同空載啟動時在0.018左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值，甚至超過設(shè)定值1000，而在0.03左右，電機(jī)速度有一個稍微的降低從而達(dá)到給定值1000，并在0.035后穩(wěn)定在給定值1000。分析圖4-9三相定子電流波形，電機(jī)初始啟動時，三相定子電流波形會有一個接近正弦函數(shù)的飄動，而啟動結(jié)束時，即0.02-0.1時，電機(jī)進(jìn)如穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時波形成正弦函數(shù)狀，值大約等同于負(fù)載值8A。分析圖4-10電機(jī)定子繞組波形，同空載啟動時，在0-0.02值在0軸附近飄忽，略大于0。q軸電流，在初始啟動狀態(tài)急劇上升為26A，并在此后00.01-0.018保持為該值，0.018-0.02下降到7.9A。0.021-0.1時，持續(xù)為0，保持為7.9A,接近給定負(fù)載值，說明此時電機(jī)進(jìn)入到穩(wěn)定運行狀態(tài)。（2）突降負(fù)載(0.1~0.2)分析圖4-6突降負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形可得，0.1-0.108時電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩急劇下降為0，而在大概0.11左右，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩略微提升為0.85，并且后續(xù)維持此值。分析圖4-10電機(jī)定子繞組波形，0.1時下降為0.78A，繼續(xù)保持為0。觀察圖4-7突降負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，發(fā)現(xiàn)此時電機(jī)轉(zhuǎn)速略微上升20，整個過渡過程很短，產(chǎn)生的超調(diào)量也較低為2%左右。分析圖4-9三相定子電流波形，0.1-0.2時，電流值一直保持為0，并沒有很大的變化。以上突降負(fù)載實驗結(jié)果說明，電機(jī)在帶載起動時，同樣具有較好的快速性，輸出轉(zhuǎn)矩能夠迅速增大到限幅值，也能以最大轉(zhuǎn)矩起動，在電機(jī)到達(dá)給定轉(zhuǎn)速后，輸出轉(zhuǎn)矩迅速下降至負(fù)載轉(zhuǎn)矩和摩擦阻力的總值。在突降負(fù)載為0時，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速的下降到摩擦阻力的大小，說明電機(jī)在負(fù)載下降時也具有較好的動態(tài)性能。綜合上述分析，仿真結(jié)果能夠與數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果始終保持一致。電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系變化。勵磁電流波形始終在零附近波動，且相電流波形較為理想，實現(xiàn)了對勵磁電流的控制。驗證了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速換PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的正確性。在施加不同形式的外部擾動的情況下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速且穩(wěn)定的跟隨給定，系統(tǒng)響應(yīng)快速且平穩(wěn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速在突加減負(fù)載過程中速度降落較低，調(diào)節(jié)時間較短。在具備較好穩(wěn)定性的前提下，系統(tǒng)的快速性能優(yōu)越，并具備較好的抗擾動特性。4.2第四章小結(jié)第四章為系統(tǒng)仿真分析章節(jié)，在完成上述章節(jié)的內(nèi)容后，結(jié)合電機(jī)運行過程中電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機(jī)線電壓、相電流、電樞電流和勵磁電流的波形進(jìn)行觀察分析。對系統(tǒng)的快速性，抗擾動性進(jìn)行了考量。驗證了本次設(shè)計的合理性。

總結(jié)5.1設(shè)計總結(jié)本次設(shè)計的題目為變負(fù)載永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計，將題目分為兩部分理解，即變負(fù)載設(shè)計和永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計。為滿足系統(tǒng)變負(fù)載的需求，將其劃分為兩部分：空載啟動突加負(fù)載和帶載啟動突降負(fù)載，這樣就既滿足了課題變負(fù)載的需求，又使得系統(tǒng)多樣化，一定程度契合了實驗所模擬的生活情景，更有利于驗證系統(tǒng)的快速性及抗干擾性。而永磁同步電機(jī)矢量控制這一部分采用雙閉環(huán)（內(nèi)環(huán)電流環(huán)，外環(huán)轉(zhuǎn)環(huán)）通過PI控制器進(jìn)行矢量控制的基本控制策略。本次設(shè)計可大概分為三部分：查閱文獻(xiàn)，通過對永磁同步電機(jī)發(fā)展歷程的了解，結(jié)合實際，確立了本次課題的研究意義，驗證了本次設(shè)計的的可行性。并比較了不同脈寬的調(diào)制方式，選擇了優(yōu)越性能更高的電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)來作為本設(shè)計的算法。在確立了設(shè)計基本框架后，開始系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真模型的建立。仿真模型的搭建需要以一定的數(shù)學(xué)理論作為基準(zhǔn)，所以以二三章來詮釋整個系統(tǒng)的搭建過程。模型搭建完成后，根據(jù)運行過程中的波形分析了此次仿真設(shè)計的快速性以及抗干擾性，經(jīng)過分析，系統(tǒng)快速性能優(yōu)越，抗干擾性較好，完成了此次課題的主要任務(wù)和目標(biāo)。最后給出整個系統(tǒng)的運行過程：直流電源經(jīng)過三相逆變橋形成三相交流電供給永磁同步電機(jī)，永磁同步電機(jī)輸出的三相電流經(jīng)由Clark變換為兩相靜止坐標(biāo)系，在經(jīng)由Park變換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。分別對d軸電流，q軸電流進(jìn)行控制，控制方式采用PI控制。由于d軸電流主要用來勵磁，參數(shù)設(shè)置為0。q軸電流用來控制轉(zhuǎn)矩，通過外轉(zhuǎn)速環(huán)經(jīng)過PI控制器得到一個電壓值，經(jīng)由反Park變換得到兩相靜止坐標(biāo)系電壓值，送到SVPWM模塊形成一個控制脈沖送到逆變器，完成系