1、誠 信 聲 明我聲明，所呈交的論文是本人在老師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。我承諾，論文中的所有內容均真實、可信。 論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日授 權 聲 明 學校有權保留送論文交的原件，允許論文被查閱和借閱，學校可以公布論文的全部或部分內容，可以影印、縮印或其他復制手段保存論文，學校必須嚴格按照授權對論文進行處理，不得超越授權對論文進行任意處置。論文作者簽名： 簽名日期： 年 月 日摘 要永磁同步電機由于體積小、重量輕、功率密度

2、高，能夠實現快速、準確的控制要求，在工業領域中被廣泛應用。永磁同步電機控制系統是一個多變量、非線性、高耦合的非線性復雜系統，而研究先進控制算法的首要任務就是建立適合的永磁同步電機數學模型，并以此進行建模與仿真分析，因此，如何建立合適的永磁同步模型一直是研究永磁同步電機控制系統的基礎。論文在分析了永磁同步電機的結構和工作原理的基礎上，討論了永磁同步電機控制系統的坐標變換，并給出了永磁同步電機基于ABC靜止坐標系、靜止坐標系和d-q旋轉坐標系的數學模型，在此基礎上，探討了永磁同步電機的控制方法，給出了基于矢量控制的永磁同步電機控制方法。論文通過Matlab/Simulink，對永磁同步電機矢量控制

3、系統進行了建模和仿真。仿真結果表明，論文所建模型正確，可以作為進一步研究永磁同步電機控制的基礎模型。關鍵字 永磁同步電機，矢量控制，數學模型，MATLAB，仿真模型ABSTRACTPermanent magnet synchronous motor as small size, light weight, to achieve fast and accurate control requirements, has been widely used in various fields. While permanent magnet synchronous motor is a multi-var

4、iable, nonlinear, high-coupling system, to create a suitable mathematical model of permanent magnet synchronous motor is the first task of researching advanced control algorithm,and use modeling and simulation analysis,therefore,how to establish a suitable moedl for permanent magnet synchronous is a

5、lways the study fo permanent magnet synchronous motor control system based on.The issue bases on the introductin of the structure, type and working principle of the permanent magnet synchronous motor,giving permanent magnet synchronous motors static coordinate system based on ABC, - stationary coord

6、inate system and the d-q rotating coordinate system of the mathematical model ,on this basis,discussing the permanent magnet synchronous motor method,giving the control method based on vector control of permanent magnet synchronous motor.Using Matlab/Simulink simulation, issue model and simulate the

7、 permanent magnet synchronous motor vector control system.The resutl show that the model is correct,and can be further studied based on permanent magnet synchronous motor control model.Keyword：permanent magnet synchronous motor, vector control, mathematical model, MATLAB, simulation model 目 錄1 緒論61.

8、1永磁同步電機61.2 永磁同步電機控制系統81.3 本文主要工作92 永磁同步電機的工作原理和數學模型112.1 永磁同步電機的結構和類型112.2 永磁同步電機的工作原理112.3 坐標變換122.4 永磁同步電機的數學模型123 永磁同步電機的控制系統123.1 有傳感器控制與無傳感器控制123.2 矢量控制123.3 直接轉矩控制144 永磁同步電機控制系統的建模和仿真224.1 Matlab/Simulink軟件224.2 永磁同步電機的建模方法224.3 PI控制模塊的建模和仿真244.4 坐標變換模塊的建模和仿真254.5 SVPWM模塊的建模和仿真284.6 電機與逆變器模塊的

9、建模和仿真394.7 永磁同步電機控制系統的仿真305 總結與展望42參考文獻43致謝44421 緒論永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱PMSM）是用稀土永磁體代替勵磁繞組構成的一種新型的同步電機。它結構簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因數高，轉子無發熱問題，有大的過載能力，小的轉動慣量和小的轉矩脈動。PMSM無需電流勵磁，不設電刷和滑環，因此使用方便，可靠性高。所以由PMSM組成的系統已廣泛用于柔性制造系統、機器人、辦公自動化和數控機床等領域1。控制電動機的關鍵是轉矩的控制，然而感應電動機的轉矩與氣隙主磁通，轉子電流、轉子內功率因數有關

10、，而這些量都是轉差率S的函數，它們相互藕合，互不獨立，并且又都是難以控制的量。因此，要在動態中控制感應電機的轉矩是比較困難的，對于同步電機，更是如此。于是各種新型控制策略的提出為永磁同步電機的動態控制起到了很大的作用，同時在實際運用中，出現的各種問題也為控制策略的進步與發展起到了重要的影響2。1.1 永磁同步電機1.1.1 永磁同步電機的發展美國、日本和德國是開發永磁同步電動機起步較早的國家。早在20世紀50年代，美國GE公司就研制了一批數百瓦的微型永磁同步電動機。那時，這種電機是在鼠籠轉子中加裝鐵氧體永磁，但由于這種磁鋼的磁能積和剩磁密度都很低，其功率因數雖然提高較多，但效率提高較少；西德西

11、門子公司，經過10多年的研究，采用不同的結構型式和鐵氧體永磁材料，開發了多種用途的永磁同步電動機。例如用于化纖設備的高速永磁同步電動機，用于變頻器供電的永磁同步電動機。 1973年國際上出現了第一次能源危機，石油、燃料、電力不斷漲價，能耗最嚴重的美國首當其沖。1975年聯邦能源局對電動機的節能潛力和高效電動機的發展前景進行調查分析。1976年該公司提交了一份題為能量的效率與電動機的報告，引起了美國工業部門的廣泛重視。一時間，許多電機廠、研究所和大學相繼開發了高效率異步電動機(效率比一般異步電動機高)，并紛紛研制高效率、高功率因數的永磁同步電動機和“功率因數控制器”等各種節能裝置。可見

12、，永磁同步電動機是一種高效節能產品已成為人們的共識，并已引起世人的廣泛關注。70年代后期，發展微型和小型永磁同步電動機已呈世界性趨勢。60年代初期和70年代初期，第一代和第二代稀土釤鈷永磁材料相繼問世，釤鈷材料的優異磁性能給永磁電機的發展注入了新的生機。但是，釤、鈷均為稀有金屬，產量極少，因此，釤鈷磁鋼的價格昂貴，使永磁同步電動機的價格也相應提高。1978年，法國CEM公司采用瑞士BBC公司生產的低稀土20釤鈷磁鋼，研制成功新型永磁同步電動機，電機的中心高63160mm，共8個機座號，功率0.3718.5kW，共10個規格。與三相異步電動機相比，該系列電機的效率提高百分之四百分之十，其功率因數

13、很高，功率因數平均提高0.072，電機價格約增高百分之三十五。這種電機特別適于大范圍同步調速的化纖、紡織工業，也廣泛用于水泵、風機等連續調速運轉的機械。而超出的價格可以從12年電費的節省中得到補償。 我國對永磁同步電動機的研究起步較晚，但發展迅速。相繼研制成功高效率、高起動轉矩的稀土永磁同步電動機。1986年，上海電器科學研究所開發出化纖用外轉子永磁同步電動機，這是一種用于滌綸、維綸長絲高速紡機，作變速卷繞頭傳動裝置的專用電機，調速范圍15009000rmin或150012720rmin，調速平穩，性能穩定，運行可靠。轉矩有1.05N·m、2.35N·m、3.60

14、N·m等13個規格，可替代進口電機3。1.1.2 影響永磁同步電機發展的因素（1） 高性能永磁材料的發展在1983年問世的欽鐵硼永磁材料，由于磁特性和物理特性優異，成本低廉且材料來源有保證，所以在開發高磁場永磁材料(特別是欽鐵硼永磁材料)方面具有十分有利條件，又由于我國的欽鐵硼永磁材料特性水平為世界的先進水平，為永磁同步電機的發展提供了物質基礎。永磁材料的發展極大地推動了永磁同步電動機的開發應用。在同步電動機中用永磁體取代傳統的電勵磁磁極的好處是不僅簡化了結構，還消除了轉子的滑環、電刷，實現了無刷結構，縮小了轉子體積:省去勵磁直流電源，消除了勵磁損耗和發熱。當今中小功率的同步電動機絕

15、大多數已采用永磁式結構。（2） 新型電力電子技術器件和脈寬調制技術應用電力電子技術是信息產業和傳統產業間的重要接口，也是弱電與被控強電之間的橋梁。自1958年世界上第一個功率半導體開關晶閘管發明以來，電力電子元件已經歷了第一代半控式晶閘管，第二代有自關斷能力的半導體器件、第三代復合場控器件直至90年代出現的第四代功率集成電路IPM。由于半導體開關器件性能不斷提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制電路日趨完善，其極大地推動了各類電機的控制。70年代出現了通用變頻器的系列產品，為交流電機的變頻調速創造了條件。同時也對同步電動機而言解決了起動問題。對最新的永磁同步電動機，高性能電力半導體開關組成的逆

16、變電路是其控制系統中不可缺少的功率環節。（3） 電子技術和控制理論的發展集成電路和計算機技術是電子技術發展的代表，大規模集成電路和計算機技術的發展完全改變了現代永磁同步電動機的控制。隨著電子技術的發展，各種集成化的數字信號處理器發展很快，性能日益改善，軟件和開發工具越來越多，數字式控制處理芯片的運算能力和可靠性得到了很大提高，出現了專門用于電機控制的高性能、低價位的數字信號處理器。這使以單片機為核心的全數字控制系統取代模擬器件控制系統成為可能。計算機技術的應用除了實現復雜控制規律，便于故障監視、診斷和保護等功能外，還可以用于計算機輔助分析和數字仿真。集成電路和計算機技術的發展對永磁同步電動機控

17、制技術起到了重要的推動作用。它們的飛速發展也促進了電機控制理論的發展與創新4。1.1.3永磁同步電機的特點與優點（1） 永磁同步電機的特點l 電動機的轉速與電源頻率始終保持準確的同步關系，控制電源頻率就能控制電機的轉速。l 永磁同步電機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電機轉矩的擾動具有較強的承受能力。l 永磁同步電機轉子上有永久磁鐵無需勵磁，因此電機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬。（2）永磁同步電機的優點l 明顯的節能效果。永磁同步電機用永磁體代替電勵磁，無勵磁損耗，由于定、轉子同步，轉子鐵心沒有鐵耗，因此永磁同步電機的效率比電勵磁同步電機和異步電機要高，而且不需要從電

18、網吸取滯后的勵磁電流，從而節約了無功，提高了電機的功率因數。通過實驗對比證明，永磁同步電機比異步電機節電，效率高。l 稀土永磁同步電機較異步電機尺寸大大減少，成為高密度、高效率的電機。l 轉子結構大大簡化，提高了電機運行的穩定性。1.2 永磁同步電機控制系統永磁同步電機控制的出現是永磁電機發展過程中兩種不同開發路線匯合的結果。一條路線是早期發展的可直接起動的帶有轉子鼠籠繞組的永磁電動機，這種電機是為直接由公用交流電網供電的方式運行設計的。這種特殊類型的混合式永磁同步電機的出現可以追溯至50年代，主要應用于一些重要的工業設備，如紡織生產線，這里需要大量的電動機以相同額定速度運行。在其后的70年代

19、，經過設計改進的直接起動型永磁同步電動機，采用了鐵氧體和稀土材料，具有很好的效率特性，但其成本高于異步電動機而未能廣泛使用。第二條發展路線的標志是永磁直流伺服電動機開始取代傳統的帶勵磁繞組的直流電動機。這種永磁直流伺服電動機在60年代已經用于高性能機床的伺服機構。此時，高強度稀土永久磁鐵已有效使用。最后在 70年代，這兩條路線匯合在一起，產生了無轉子鼠籠的永磁同步電動機，它與調頻逆變器結合在一起實現了高性能的運動控制。首先開發的是梯形永磁同步電動機，這種結構可以簡化控制裝置，此后在70年代后期以及80年代，高性能的正弦波永磁同步電機控制系統開始飛速發展。70年代末以來，隨著電力電子學、微電子學

20、、傳感技術、永磁技術和控制理論的驚人發展，永磁控制系統的研究和應用取得了舉世矚目的發展，已具備了寬調速范圍、高穩態精度、快速動態響應及四象限運行等良好性能，其動態、靜態性能已可以和直流控制系統相媲美。并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價格的降低，其在工業自動化領域中的應用將越來越廣泛5。永磁同步電機的一大主要特點為轉速與電源頻率同步，因此可采用變壓變頻（Variable Voltage Variable Frequency）實現調速，為了提高控制的性能和降低成本，VVVF控制策略得到了巨大發展，新型的控制策略也不斷提出。（1） 轉速開環恒壓頻比控制：該控制方法從電機的穩態特性推導得出。其只要求

21、控制變量的幅值，而且反饋量是與給定量成正比的直流量，追究本質是一種標量控制。所以控制原理與結構簡單，成本低，容易實現，能滿足一定的調速要求，恒壓頻比控制在實際運用中仍廣泛使用。但由于采用單變量系統的控制，穩定性能不高，動態性能不夠理想，參數難以設計等缺點也十分明顯。（2） 矢量控制：該控制方法是將交流電機和直流電機分析、對比來解釋其工作原理的，并由此創造了交流電機等效直流電機控制的首例。矢量控制使人們看到交流電機控制復雜，卻依舊可以實現電磁轉矩、電機磁場獨立控制的本質。（3） 直接轉矩控制：該控制方法是在空間矢量調速理論的基礎上發展起來的一種新型交流電動機調速策略，其在異步電動機調速系統中的應

22、用已經比較成熟 ,但在永磁同步電動機控制系統中的應用研究相對滯后。由于永磁同步電動機具有諸多優點，應用日益廣泛，因此直接轉矩控制在永磁同步電動機中的應用研究成為當前運動控制研究的熱點課題6。1.3 本文主要工作（1） 了解永磁同步電機的結構，工作原理，坐標變換，在此基礎上建立其在三相定子坐標系，靜止坐標系，旋轉坐標系上的數學模型。（2） 介紹了永磁同步電機的有傳感器和無傳感器的控制系統，對矢量控制系統進行了詳細的分析，并針對其矢量控制框圖對控制過程的流程進行了簡述。（3）利用Matlab/Simulink對矢量控制中各個模塊的模型進行建立和仿真，并觀測其輸入輸出波形，在此基礎上對各個模塊加以連

23、接，得出矢量控制框圖，并適當調節其參數，驗證里矢量控制系統的合理性。介紹了永磁同步電機和控制系統的發展，對課題有了一定的理論基礎。在此基礎上，規劃了課題所要研究的內容和研究的方向，并制定了所對應的計劃，為后續的研究擬定了整體框架。2 永磁同步電機的工作原理和數學模型2.1 永磁同步電機的結構和類型永磁同步電動機主要由定子和轉子兩大部分組成。永磁同步電動機的定子是指電動機在運行狀態下靜止不動的部分，其與異步電動機定子結構相似，主要是由硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機殼及端蓋部分組成。永磁同步電動機的轉子是指電動機在運行狀態下可以自由旋轉的部分，采用永磁材料組成，如欽鐵硼等。這樣的永磁稀土材料

24、具有很大的剩磁和矯頑力，加上它的磁導率與空氣磁導率相仿，對于徑向結構的電動機交軸和直軸磁路磁阻都很大，可以很大程度上的減少電樞反應。永磁同步電機轉子按其形狀可以分為兩類：凸極式和隱極式（見圖2-1）。它們的根本不同在于轉子磁極所在位置，凸極式是將永磁鐵安裝在轉子軸的表面，因為永磁材料的磁導率很接近空氣磁導率，所以在交軸(q軸)和直軸(d軸)上的電感基本相同。隱極式轉子則是將永磁鐵嵌入在轉子軸的內部，因此交軸的電感大于直軸的電感，并且，除了電磁轉矩外，還有磁阻轉矩存在7。 （a）凸極式 （b) 隱極式圖2-1 永磁同步電機的分類2.2 永磁同步電機的工作原理當A相控制繞組通電,B相和C相斷電時,

25、同步電動機的氣隙磁場與A相繞組軸線重合,而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過,故電機轉子受到一個反應轉矩,在同步電機中稱之為靜轉矩。在此轉矩的作用下,使轉子的齒1和齒3旋轉到與A相繞組軸線相同的位置上,如圖2-2(a)所示。如果B相通電,A相和C相斷電,那轉子受反應轉矩而轉動,使轉子齒2齒4與定子極B、B對齊, 如圖2-2(b)所示,此時,轉子在空間上逆時針轉過的空間角為30度,即前進了一步,轉過這個角叫做步距角。同樣的,如果C相通電, A相B相斷電,轉子又逆時針轉動一個步距角,使轉子的齒1和齒3與定子極C、C對齊,如圖2-2(c)所示。如此按A-B-C-A順序不斷地接通和斷開控制繞組,電機便

26、按一定的方向一步一步地轉動,若按A-C-B-A順序通電, 則電機反向一步一步轉動。圖2-2 永磁同步電機的工作原理圖2.3 坐標變換電機控制中的坐標系有兩種，一種是靜止坐標系，一種是旋轉坐標系。（1）三相定子坐標系(A, B, C坐標系)如圖2-3所示，三相交流電機繞組軸線分別為A,B,C，彼此之間互差120度空間電角度，構成了一個A-B-C三相坐標系。空間任意一矢量V在三個坐標上的投影代表了該矢量在三個繞組上的分量。（2）兩相定子坐標系(一坐標系)兩相對稱繞組通以兩相對稱電流也能產生旋轉磁場。對于空間的任意一矢量，數學描述時習慣采用兩相直角坐標系來描述，所以定義一個兩相靜止坐標系，即一坐標系

27、，它的軸和三相定子坐標系的A軸重合，軸逆時針超前軸90度空間電角度。由于軸固定在定子A相繞組軸線上，所以一坐標系也是靜止坐標系。（3）轉子坐標系(d-q坐標系)轉子坐標系d軸位于轉子磁鏈軸線上，q軸逆時針超前d軸90度空間電角度，該坐標系和轉子一起在空間上以轉子角速度旋轉，故為旋轉坐標系。對于同步電動機，d軸是轉子磁極的軸線。永磁同步電機的空間矢量圖如圖2-3所示。圖中A、B、C為定子三相靜止坐標系，選定軸方向與電機定子A相繞組軸線一致，-為定子兩相靜止坐標系，轉子坐標系d-q與轉子同步旋轉；為轉子磁極d軸相對定子A相繞組或a軸的轉子空間位置角；為定、轉子磁鏈矢量、間夾角，即電機功角8，9。圖

28、2-3 坐標變換矢量圖從三相定子坐標系（A，B，C坐標系）變換到靜止坐標系（，坐標系）的關系式為： （2-1）從兩相靜止坐標系（，坐標系）變換到兩相旋轉坐標系（d，q坐標系）的關系式為： （2-2）從兩相旋轉坐標系（d，q坐標系）變換到兩相靜止坐標系（，坐標系）的關系式為： （2-3）2.4 永磁同步電機的數學模型2.4.1 三相定子坐標系（A，B，C坐標系）上的模型（1）電壓方程：三相永磁同步電機的定子繞組呈空間分布，軸線互差120度電角度，每相繞組電壓與電阻壓降和磁鏈變化相平衡。永磁同步電機由定子三相繞組電流和轉子永磁體產生。定子三相繞組電流產生的磁鏈與轉子的位置角有關，其中，轉子永磁磁鏈

29、在每相繞組中產生反電動勢。由此可得到定子電壓方程為： （2-4）其中：為三相繞組相電壓； 為每相繞組電阻； 為三相繞組相電流； 為三相繞組匝鏈的磁鏈； P=為微分算子。（2） 磁鏈方程定子每相繞組磁鏈不僅與三相繞組電流有關，而且與轉子永磁極的勵磁磁場和轉子的位置角有關，因此磁鏈方程可以表示為： （2-5）其中：為每相繞組互感； =,=,=為兩相繞組互感； 為三相繞組匝鏈的磁鏈的轉子每極永磁磁鏈；并且：定子電樞繞組最大可能匝鏈的轉子每極永磁磁鏈 （2-6）（3） 轉矩方程： （2-7）式中：為電角速度，Xq,Xd為交，直流同步電抗。2.4.2 靜止坐標系（，坐標系）上的模型（1） 電壓方程 （2

30、-8）（2） 磁鏈方程 （2-9）（3） 轉矩方程 （2-10）2.4.3 旋轉坐標系（d,q坐標系）上的模型永磁同步電機是由電磁式同步電動機發展而來，它用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵磁線圈、滑環和電刷，而定子與電磁式同步電機基本相同仍要求輸入三相對稱正弦電流。現對其在d,q坐標系的數學模型描述如下：（1） 電壓方程 （2-11）其中：為d,q軸上的電壓分量； 為d,q軸上的電流分量； 為d,q坐標系旋轉角頻率； 為永磁體在d,q軸上的磁鏈；(2) 磁鏈方程 （2-12）其中: 為永磁體在d,q軸上的磁鏈； L為d,q坐標系上的等效電樞電感； 為d,q軸上的電流分量； 為永磁體產生的磁鏈；

31、(3) 電磁轉矩方程 （2-13）其中：為輸出電磁轉矩； 為磁極對數；本章對永磁同步電機的結構、類型以及工作原理進行了介紹，并在坐標變換的基礎上，對其在各個坐標下的數學模型進行了建立，為下文的控制系統的建立與相關模型的仿真提供了基礎。3 永磁同步電機的控制系統永磁同步電機有許多種控制方式，由于控制系統需要通過精確的轉子位置和速度信號的反饋對控制系統進行調節與控制，根據轉子位置和速度信號的獲得可把控制系統分為有傳感器控制和無傳感器控制。而根據控制轉矩的方式來分又可以分為矢量控制與直接轉矩控制。3.1 有傳感器控制與無傳感器控制有傳感器控制精度高，控制算法簡單，通過硬件方式來獲得轉子位置和速度的信

32、息，如增量式編碼器，絕對式編碼器，光電編碼器，其中光電編碼器是將角位移轉換成對應數字代碼，集傳感器和模數轉換于一體的數字式測角儀，可直接與計算機相連，抗干擾能力強，具有很高的測速精度和測速范圍。無傳感器控制則可以不依賴于電機參數和負載干擾，在高速段控制中已獲得良好的控制性能10。高性能的系統控制需要實現轉速和位置的閉環控制，所需的轉速反饋信號來自和電動機轉軸相連的光電碼盤、旋轉變壓器等位置速度傳感器。然而，這些設備的加入就帶來了一些問題：增加了系統成本，高溫、潮濕、振動、粉塵、腐蝕性等環境都會對傳感器造成一定的影響，從而制約了系統在非理想環境中的使用，而在某些特殊場合根本不允許或許很難安裝傳感

33、器，因為傳感器需要進行專門維護。除此之外，在系統設計的過程中還要考慮到抑制外界干擾對速度傳感器所造成的影響，這樣就進一步增加了系統的成本和復雜性。而無傳感器技術可以有效的解決這些問題，其關鍵的因素就是位置轉速信息的獲得，如何借助所測量的電動機的電壓和電流信號估計電動機的轉速和位置，就是無傳感器技術的關鍵因素。獲得電動機速度的方法主要有：基于電機模型的估計，基于控制理論的估計，調整模型進行速度辨識，利用齒諧波信號進行轉速辨識，利用漏感脈動檢測和飽和凸極檢測。而獲得轉子位置信息的方法主要有基于轉子凸極效應的估計和基于諧波信號的估計11。3.2 矢量控制3.2.1 概述1971年，德國科學家Blas

34、chke和Hasse提出了交流電動機的矢量理論，運用矢量控制可以使交流調速得到直流調速同樣優良的控制性能。其基本思想是在普通的三相交流電動機上模擬直流電動機轉矩控制的規律與方法，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后對勵磁電流分量和轉矩電流分量進行調節。通過這種方法，交流電動機的轉矩控制，從原理和特性上就和直流電動機的轉矩控制相類似了。因此矢量控制的關鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。雖然矢量控制的目的是能夠提高轉矩控制的性能，但最終實施仍然是落實到對定子電流的控制上。由于在定子側的各個物理

35、量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等，采用的都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，調節、控制和相對應的計算都不是很方便。因此，針對這一點，需要借助坐標變換，使得各個物理量從兩相靜止坐標系（，坐標系）轉換到兩相轉子同步旋轉坐標系（d，q坐標系），然后，從同步旋轉坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，電流和電壓都成了直流量，然后通過轉矩公式，根據轉矩和被控矢量的各個分量之間的數學關系，實時的計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值。按照這些分量值進行實時控制，就可以達到直流電動機的控制性能的目的12，13。永磁同步電機的矢量控制方式：電動機調速的關鍵是對其轉矩的控制，矢量

36、控制的實質是為了改善轉矩控制的性能，而最終實施是落實到對定子電流的控制上。在系統參數不變的情況下，對電磁轉矩的控制最終可以歸結為對d, q軸電流的控制.對于給定的輸出轉矩，有多個d, q軸電流的控制組合，由此形成了永磁同步電機的電流控制策略。（1）的控制方法其最大的優點是電機的輸出轉矩與定子電流的幅值成正比，即實現了PMSM的解耦控制，其性能類似于直流電機，控制簡單，且無去磁作用，因此得到了非常廣泛的應用，尤其是對隱極式同步電機控制的系統。但使用該方法的電機功率因數較低，電機和逆變器的容量不能充分的利用；（2）的控制方法其特點是電機的功率因數恒定為1，逆變器的容量得到了充分的利用，但該方法所能

37、輸出的最大轉矩比較小；（3）磁鏈恒定的控制方法其特點是電機的功率因數較高，電壓基本是恒定的，轉矩線性且可控，但需要較大的定子電流磁場分量來助磁；（4）最優轉矩控制，也稱定子電流最小的控制，或稱為最大轉矩電流控制，是指在轉矩給定的情況下，最優配置d, q軸的電流分量，使定子的電流最小，即單位電流下電機輸出轉矩最大的矢量控制方法。該方法可以減小電機的銅耗，提高運行效率，從而使整個系統的性能得到優化。此外，由于逆變器所需要輸出的電流比較小，對逆變器容量的要求可相對的降低。通過公式變換后，我們由公式（2-11）,（2-12），（2-13）可知，采用的控制策略后，定子電流兩個分量實現了解耦:當轉子磁鏈恒

38、定時，電磁轉矩與成正比，能達到直流電動機的控制性能。因此，在本文中采用的控制方法對永磁同步電機進行控制。3.2.2 矢量控制圖圖3-1永磁同步電機矢量控制系統結構框圖根據圖3-1，可得永磁同步電機矢量控制的過程為:給定速度信號與檢測到的速度信號相比較，經速度PI控制器的調節后，輸出交軸電流分量作為電流PI調節器的給定信號,同時，經坐標變換后，定子反饋電流變為Id，Iq，控制直軸給定電流=0，與變換后得到的直軸電流1d相比較，經過PI調節器后輸出直軸電壓Vd，給定交軸電流與變換后的得到的交軸電流Iq比較，經過PI調節器后輸出交軸電壓Vq，然后經過Park逆變換得到，軸電壓。最后通過SVPWM模塊

39、輸出六路控制信號驅動逆變器工作，輸出可變幅值和頻率的三相正弦電流輸入電動機定子。3.3 直接轉矩控制3.3.1 概述直接轉矩控制（Direct Torque Control，縮寫為DTC）技術自從被提出以來，由于其諸多優點而引起人們一直的關注和研究。其傳統應用領域主要是感應電機的交流調速，而在感應電機上的應用卻是越來越得到肯定，現在人們也在逐漸嘗試將它應用在無刷直流電動機和永磁同步電機的調速系統中。直接轉矩控制不通過控制電流、磁鏈等變量來間接控制電磁轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來進行控制，將轉子磁通定向更換為定子磁通定向。由于定子磁通定向只牽涉到定子電阻，因而對電機參數的依賴性大為減弱。在實

40、現應用中，直接轉矩控制取消旋轉坐標變換，通過檢測定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的定子磁鏈和電磁轉矩，并根據與給定值比較所得的差值，實現電機磁鏈和轉矩的直接控制14,15。3.3.2 直接轉矩控制圖在實際應用中，由于電機轉矩和磁鏈的計算對控制系統性能影響很大，為了獲得更好的轉矩計算，應用了計算機仿真技術對控制系統進行了研究。圖3-2給出了永磁同步電機直接轉矩控制的系統結構原理圖。圖3-2 永磁同步電機直接轉矩控制框圖根據圖3-2永磁同步電機直接轉矩控制框圖。控制系統的控制功能完全由DSP軟件實現。速度給定信號*源于自動力總成系統，通過CAN總線實時對給定速度信號*與速度反饋信號進行

41、比較，誤差經過PI控制器調節后作為轉矩給定信號。磁鏈給定由函數發生器根據速度給定計算得到。直接轉矩控制中最重要的部分是磁鏈/轉矩的預估，如圖3-2右下所示，它是根據定子電流反饋值和直流母線電壓值以及逆變器當前開關狀態計算實現的。轉矩偏差和定子磁鏈偏差經過兩點式調節分別輸出信號，它們與定子磁鏈位置一起共同決定下一個時刻的逆變器開關狀態，即選擇電壓矢量。本章通過對有、無傳感器控制系統的介紹，引出了有傳感器控制的矢量控制和直接轉矩控制以及無傳感器控制的永磁同步電機的控制系統。由于不同的控制策略各有特點，且在不同的應用場合可取得不同的控制效果，所以需要根據不同場合進行選擇，才能得到最好的控制效果。4

42、永磁同步電機控制系統的建模和仿真4.1 Matlab/Simulink軟件MATLAB是MathWorks公司開發的用于數學計算的工具軟件。它具有強大的矩陣運算能力、簡便的繪圖功能、可視化的仿真環境SIMULINK。SIMULINK可以對通信系統、非線性控制、電力系統等進行深入的建模、仿真和研究。SIMULINK由模塊庫、模型構造及分析指令、演示程序三部分組成。用戶進行仿真時很少需要寫程序，只需要用鼠標完成拖拉等簡單的操作，就可以形象地建立起被研究系統的數學模型，并進行仿真和分析研究16，17。SIMULINK仿真工具箱還包括了專門用于電力電子、電氣傳動學科進行仿真的電氣系統模塊庫。電氣系統模

43、塊庫包括以下六個子模塊庫組成：(1) 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。(2) 基本元件模塊庫:包括串聯RCL負載、并聯RCL負載、線性變壓器、飽和變壓器、互感器、斷路器、N相分布參數線路、單相型集中參數傳輸線路和浪涌放電器等。(3) 電力電子模塊庫:包括二極管、晶閘管、GTO, MOSFET和理想開關等。為滿足不同的仿真要求并提高仿真速度還有晶閘管簡化模型。(4) 電機模塊庫:包括激磁裝置、水輪機及其調節器、異步電動機、同步電動機及其簡化模型和永磁同步電動機等。(5) 連接模塊庫:包括地和中性點和母線(公共點)等。(6) 測量模塊庫:包括電流測量和電

44、壓測量模塊。(7) 附加電氣系統模塊庫:包括均方根測算、有功與無功功率測算、傅立葉分析 、可編程定時器 、同步脈沖發生器以及三相庫等。在以上模塊庫的基礎上，根據需要，可以組合封裝出常用的更為復雜的模塊，添加到所需模塊庫中去。4.2 永磁同步電機的建模方法永磁同步電機建模建立的方法比較多，有微分方程法，Laplace法，狀態空間法，S函數法以及Simulink法下面將對這些方法進行介紹。4.2.1 微分方程法微分方程法是根據電機各種電壓、電磁、機械方程的微分形式，通過Simulink中最基本的控件元素搭建永磁同步電機的邏輯關系，從而實現電機輸入輸出的關系模型。如圖4-1所示為微分方程法所實現的電

45、機模型圖。4-1 微分方程法模型框圖4.2.2 狀態空間法狀態空間法是直接利用狀態方程的表達方式，通過矩陣變換和運算得到的系統結構，遇到非線性部分，則用Simulink的基本控件完成設計，如圖 4-2所示為該方法設計框架，較微分方程法更加直觀，邏輯層次較為清晰，對模型的再次修訂是十分有益的。圖4-2 狀態空間法模型框圖4.2.3 Laplace法與自動控制原理一樣，電機系統的微分方程可以通過 Laplace 變換，轉換成為 Laplace 函數進行建模，利用該方法的模型如圖4-3所示。圖4-3 Laplace法4.2.4 S函數法S函數是動態系統中的計算機語言，在Matlab中可以通過m文件編

46、寫，也可通過c或mex文件編寫。S函數為Simulink的擴展提供了幫助，其運用特定的語言，是函數和Simulink交互，可廣泛運用與自己定義的Simulink模塊18。4.2.5 Simulink法Simulink為用戶提供了基本模塊，只要從庫中調出模塊，就能夠直觀、快捷地構建控制系統的方塊圖模型，并在此基礎上進行仿真結果的可視化分析。綜合以上建模方法，由于微分方程法在生產和科研中的微分方程往往比較復雜且大多數得不出一般值，所以不予采用。而狀態空間法以狀態和操作符為基礎，需要擴展很多節點，容易產生組態錯誤，因而只能適用于表達比較簡單的問題。Laplace則要用到拉普拉斯變換，S函數是Simu

47、link中的一個系統模塊，運用時要進行MATLAB代碼，C，C+等匯編語言的編寫，比較繁瑣，操作性不高，所以Simulink是本文建模和仿真的主要方法。4.3 PI控制模塊的建模和仿真PID控制是控制系統中運用比較成熟，而且最為廣泛的控制器。它結構簡單，參數容易調整，而且不一定需要確切的數學模型，故在工業中的各個領域都有應用。而PI調節器是應用最為廣泛的，其未使用微分因素（D），避免了響應的震蕩，而積分因素（I）的使用，則可以補償只用比例因素（P）時的誤差部分。按照d，q坐標系下的數學表達式（2-11），（2-12）可得： （4-1）即可得Simulink仿真如圖4-4：圖4-4 電流PI模塊

48、同理，按照電流與轉矩的關系式，可得轉速PI的Simulink的仿真如圖4-5：圖4-5 轉速PI模塊4.4 坐標變換模塊的建模和仿真矢量控制中用到的坐標變換有:Clarke變換(將三相平面坐標系向兩相平面直角坐標系的轉換)和Park變換(將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉直角坐標系的變換)。靜止的三相靜止坐標系(a、b、c)和靜止的兩相定子坐標系(，)以及固定在轉子上的兩相旋轉坐標系(d，q)間變換矩陣如下所示：一 Clarke變換 （4-2）Simulink仿真如圖4-6：圖4-6 Clarke變換假設a,b,c輸入是幅值為1，2，3的正弦波，則輸出波形如圖4-7所示：圖4-7 Clarke變換

49、輸入輸出波形二 Park變換 （4-3） Simulink仿真如圖4-8：圖4-8 Park變換假設，輸入是幅值為1，2的正弦波，角度為，則輸出波形如圖4-9所示：圖4-9 Park變換輸入輸出波形三 Park逆變換 （4-4） Simulink仿真如圖4-10：圖4-10 Park逆變換假設d,q輸入是幅值為1，2的正弦波，角度為，則輸出波形如圖4-11 所示：圖4-11 Park逆變換輸入輸出波形4.5 SVPWM模塊的建模和仿真SVPWM調制的原理是使逆變器瞬時輸出三相脈沖電壓合成的空間電壓矢量與期望輸出的三相正弦波電壓合成的空間電壓矢量相等。調制用于產生定子相電壓，它用一種特別的方式開

50、關功率管從而產生定子相的正弦電流。這種開關方式把(,)電壓參考矢量轉換成每個功率管的開關時間19。典型的三相電壓源型逆變器的結構如圖4-12所示，SVPWM控制的主電路是由VT1到VT6六個功率晶體管IGBT組成的三相逆變器。VT1-VT6六個功率晶體管分別由PWM1-PWM6信號控制。當同一橋臂的上方IGBT處于導通時，則下方IGBT處于關閉狀態。圖4-12 三相逆變器主電路根據三組橋臂的通斷，則共有8個可能的開關狀態，產生六個有效向量Ul(001)，U2(010)，U3(011), U4(100), U5(101), U6(110)(也稱6個基本空間矢量)和兩個零矢量U0(000), U7

51、 (111)。可能性組合的情況下其相應的功率橋輸出電壓如表4-1所示。表4-1 功率橋輸出電壓表abcUaoUboUcoUanUbnUcn000-Vdc/2-Vdc/2-Vdc/2000001-Vdc/2-Vdc/2+Vdc/2-Vdc/3-Vdc/32Vdc/3010-Vdc/2+Vdc/2-Vdc/2-Vdc/32Vdc/3-Vdc/3011-Vdc/2+Vdc/2+Vdc/2-2Vdc/3Vdc/3Vdc/3100+Vdc/2-Vdc/2-Vdc/22Vdc/3-Vdc/3-Vdc/3101+Vdc/2-Vdc/2+Vdc/2Vdc/3-2Vdc/3Vdc/3110+Vdc/2+Vdc/

52、2-Vdc/2Vdc/3Vdc/3-2Vdc/3111+Vdc/2+Vdc/2+Vdc/2000三相電壓（Uan、Ubn、Ucn）通過clark變換，在,坐標系如表4-2所示：表4-2 定子在（,）軸下的電壓輸出abc00000001-Vdc/3-Vdc/010-Vdc/3Vdc/011-2Vdc/30續表4-2 abc1002Vdc/30101Vdc/3-Vdc/110Vdc/3Vdc/11100根據表4-2，我們可以通過在,坐標系上來表示所對應的電壓，如圖4-13 ：圖4-13 逆變器電壓空間矢量 4.5.1 計算開關矢量作用時間為了使逆變器輸出的電壓矢量接近圓形，并最終獲得圓形的旋轉磁通

53、，必須利用逆變器的輸出電壓的時間組合，形成多邊形電壓矢量軌跡，使之更加接近圓形。圖4-14 定子參考電壓矢量的合成及分解由上述原理出發，要有效地控制磁通軌跡，首先要選擇電壓矢量，通常將圓平面分成6個扇區，并選擇相鄰的兩個電壓矢量用于合成每個扇區內的任意電壓矢量，如圖4-14所示，定子參考電壓Vs位于第I區域，設定PWM中斷周期為T0,兩相鄰矢量V4, V6的調制時間分別為T4、T6，由圖4-14可得以下公式: (4-5) (4-6)根據V1=V2=V3=V4=V5=V6=2Vdc/3,可解兩相鄰電壓矢量及零矢量的作用時間分別為： (4-7)同理可以得到參考電壓在其他扇區時，相鄰兩電壓矢量在整個

54、PWM中斷周期中的作用時間如表4-3所示。表4-3 相鄰電壓矢量在各扇區內的作用時間扇區1扇區2扇區3扇區4扇區5扇區6綜合上述表格分析，每個扇區中都要計算相關的部分，矢量在半個PWM中斷周期中的作用時間與下列變量有關， （4-8）在每次程序計算過程中，只需計算出這三個變量X, Y, Z的值即可，從而簡化了程序。相應的Simulink的仿真如圖4-15：圖4-15 計算X,Y,ZT1、T2幅值之后，要進行飽和性判斷，換相周期T應由旋轉磁場所需的頻率決定，事實上，T與T1+T2未必相等。當T1+T2<T時，其間隙時間T0可用零矢量U7,U8來填補，當T1+T2T,則：, （4-9） （4-10）相應的Simulink仿真如圖4-16：圖4-16 開關矢量作用時間4.5.2 扇形