1、第一章永磁同步電機的原理及結構1.1 永磁同步電機的基本工作原理 永磁同步電機的原理如下在電動機的定子繞組中通入三相電流 ，在通入電流 后就會在電動機的定子繞組中形成旋轉磁場 ，由于在轉子上安裝了永磁體 ， 永磁體 的磁極是固定的 ，根據磁極的同性相吸異性相斥的原理 ， 在定子中產生的旋轉磁場 會帶動轉子進行旋轉 ，最終達到轉子的旋轉速度與定子中產生的旋轉磁極的轉速相 等，所以可以把永磁同步電機的起動過程看成是由異步啟動階段和牽入同步階段組 成的 。在異步啟動的研究階段中 ，電動機的轉速是從零開始逐漸增大的 ，造成上訴 的主要原因是其在異步轉矩、永磁發電制動轉矩、 由轉子磁路不對稱而引 起的磁

2、阻轉矩和單軸轉 矩 等一系列的因素共同作用下而引起 的，所以在這個過程中轉速是振蕩著上升的。在起動過程中， 只有異步轉矩是驅動性 質的轉矩， 電動機就是以這轉矩來得以加速的 ，其他的轉矩大 部分以制動性質為主 。在電動機的速度由零增加到接近定子的磁場旋轉轉速時 ，在 永磁體脈振轉矩的影響下永磁同步電機的轉速有可能會超過同步轉速 ，而出現轉速 的超調現象 。 但經過一段時間的轉速振蕩后 ， 最終在同步轉矩的作用下而被牽入同 步。1.2 永磁同步電機的結構永磁同步電機主要是由轉子 、端蓋、及定子等各部件組成的 。一般來說 ，永磁 同步電機的最大的特點是它的定子結構與普通的感應電機的結構非常非常的相

3、似 ， 主要是區別于轉子的獨特的結構與其它電機形成了差別。 和常用的異步電機的最大不同則是轉子的獨特的結構 ，在轉子上放有高質量的永磁體磁極 。 由于在轉子上安 放永磁體的位置有很多選擇 ，所以永磁同步電機通常會被分為三大類 ：內嵌式 、面 貼式以及插入式 ，如圖 1.1所示 。永磁同步電機的運行性能是最受關注的 ，影響其性 能的因素有很多 ，但是最主要的則是永磁同步電機的結構 。就面貼式 、插入式和嵌 入式而言 ，各種結構都各有其各自的優點 。a）面貼式b）插入式c）內嵌式圖1-1面貼式的永磁同步電機在工業上是應用最廣泛的，其最主要的原因是其擁有很多其他形式電機無法比擬的優點，例如其制造方便

4、，轉動慣性比較小以及結構很簡 單等。并且這種類型的永磁同步電機更加容易被設計師來進行對其的優化設計，其中最主要的方法是把氣隙磁鏈的分布結構設計成近似正弦的分布，將其分布結構改 成正弦分布后能夠帶來很多的優勢，例如 能減小磁場它的所皆帶皮來以的應用以上的方法能夠很好的改善電機的 運行性能。插入式結構的電機之所以能夠跟面貼式的電機相比較有很大的改善是因 為它充分的利用了它設計出的磁鏈的結構有著不對稱性所生成的獨特的磁阻轉矩能 大大的提高了電機的功率密度，并且在也能很方便的制造出來，所以永磁同步電機 的這種結構被比較多的應用于在傳動系統中，但是其缺點也是很突出的，例如制作 成本和漏磁系數與面貼式的相

5、比較都要大的多 。嵌入式的 永磁同步電機中的永磁體 是被安置在轉子的內部，相比較而言其結構雖然比較復雜，但卻有幾個很明顯的優 點是毋庸置疑的，因為有高氣隙的磁通密度，所 以很明顯的它跟面貼式的電機相比 較就會產生很大的轉矩；因為在轉子永磁體的安裝方式是選擇嵌入式的，所以永磁體在被去磁后所帶來的一系列的危險的可能性就會很小，因此電機能夠在更高的旋轉速度下運行但是并不需要考慮轉子中永磁體是否會因為離心力過大而被破壞。為了體現永磁同步電機的優越性能 ，與傳統異步電機來進行比較，永磁同步電 機特別是最常用的稀土式的永磁同步電機具有結構簡單，運行可靠性很高；體積非常的小，質量特別的輕；損耗也相對較少，效

6、率也比較高；電機的形狀以及大小可 以靈活多樣的變化等比較明顯的優點。正是因為其擁有這么多的優勢所以其應用范 圍非常的廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農業的生產和日常生活等的各個領域。永磁同步電動機與感應電動機相比，可以考慮不輸入無功勵磁電流，因此可以 非常明顯的提高其功率因素，進而減少了定子上的電流以及定子上電阻的損耗 ，而 且在穩定運行的時候沒有轉子電阻上的損耗 ，進而可以因總損耗的降低而減小風扇（小容量的電機甚至可以不用風扇）以及相應的風磨損耗，從而與同規格的感應電 動機相比較其效率可以提高2-8個百分點。1.3永磁同步電機的數學特性先對永磁同步電機的轉速進行研究，在分析定子和轉子的磁動勢

7、間的轉速關系 時，假定轉子的轉速為n r/min,所以轉子的磁動勢相應的轉速也為n r/min，所以一Pn一定子的電流相應的頻率是f=，因為定子旋轉的磁動勢的旋轉速度是由定子上的電60流產生的，所以應為60 f 60 pn nnp p 60（1.1）可以看出轉子的旋轉速度是與定子的磁動勢的轉速相等的 。對于永磁同步電機的電壓特性研究，可以利用電動機的慣例來直接寫出它的電動勢平衡方程式U 二 Eo j J XdXq（1.2）對于永磁同步電機的功率而言，同樣根據發電機的慣例能夠得到永磁同步電機的電磁功率為UE).U2 1PM 二 msin m1sin2Xd2 iXqXd(1.3)對于永磁同步電機的

8、轉矩而言，在恒定的轉速1下，轉矩和功率是成正比 的，所以可以得到以下公式P1(1.4)第二章 永磁同步電機物理模型開環仿真2.1永磁同步電機模塊及仿真下面對永磁同步電機物理模型的開環進行仿真，在仿真之前先介紹各個單元模 塊，以便于對模型進行更好的仿真。物理單元模塊逆變器單元，逆變是和整流相對應的，它的主要功能是把直流電轉變成交流 電。逆變可以被分為兩類，包括有源逆變以及無源逆變。其中有源逆變的定義為當 交流側連接電網時，稱之為有源逆變；當負載直接與交流側相連時，稱之為無源逆 變。以圖2-1的單相橋式逆變電路的例子來說明逆變器的工作原理 。10UdUo圖2-1逆變電路圖2-1中S1-S4為橋式電

9、路的4個臂，它們是由電力電子器件及其 輔助電路組成的。當開關S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓Uo為正；當S1、S4斷開,S2、S3閉合時，Uo為負，其波形如圖2-2所示。Uo/ t11/、t圖2-2逆變電路波形通過這個方法，就可以把直流電轉變成交流電，只要改變兩組開關相應的切換 頻率，就可以改變交流電的輸出頻率。這就是逆變器的工作原理。當負載是電阻時，負載電流io和電壓Uo的波形是相同的，相位也相同。當負載 是阻感時，i。的基波相位滯后于Uo的基波，兩者波形的形狀也不同，圖2-2給出的 是阻感負載時的io的波形。設t,時刻斷開S1、S4，同時合上S2、S3，則uo的極性 立刻變為負的

10、。但是，正是因為負載中存在著電感，其中的電流極性仍將維持原來 的方向而不能立刻改變。這時負載電流會從直流電源負極而流出，經過S2、負載和 S3再流回正極，負載電感中儲存的能量會向直流電源發出反饋信號，負載電流要逐漸減小，到t2時刻降到零，之后io才開始并反向增大。S2、S3斷開，S1、S4閉合 時的情況類似。上面是S1-S4均為理想開關時的分析，實際電路的工作過程要比這 更復雜一些。逆變電路根據直流側電源性質的不同可以被分為兩種：直流側為電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側為電流源的稱為電流型逆變電路 。它們也分別被稱為電壓 源逆變電路和電流源逆變電路。三相電壓型逆變電路是由三個單相逆變電路而組

11、成的。在三相逆變電路中三相橋式逆變電路應用的最為廣泛。如圖2-3所示的三相電壓型橋式逆變電路是采用IGBT作為開關器件的，因此可以很明顯的看出它是由三個半橋逆變電路組成圖2-3三相電壓型橋式逆變電路如圖2-3所示的電路的直流側一般只用一個電容器就可以了，但是為了方便分析，畫出了串聯的兩個電容器并且標出假想的中點N，。單相半橋和全橋逆變電路是具有很多相似點的，三相電壓型橋式逆變電路也是以180度的導電方式作為其基本的工作方式，同一半橋 上下兩個臂交替著導電，每相之間開始導電的角度以120度相錯開。這樣在任何時候，將會 有三個橋臂同時導通。也可能是上面一個下面兩個，也可能是上面兩個下面一個同時導通

12、。 它之所以被稱為縱向換流是因為每次換流都是在同一相上的兩個橋臂之間互換進行。逆變器的參數設置如圖2-4所示ru Block Parameters: Universal BridgeUni ver sal 5ri de .nmsk； ： link：This block isplenent a. bridge of selecteci poirer electronics devices. Series RC snukbsr circuits are connected ir parallel ith vach siritch devics.Press Help for3Ufge5td snut

13、ter values vhsn the sodel is discretized. For aost applications the internal inductance Lcn cf diodes ard thyristois should te set 11: zereParametersOKCancelHelp圖2-4逆變器模塊參數設置六路脈沖觸發器模塊,如圖2-5所示< pulsesSynchronized6-Pulse Generatoralphs_degABBCCA.Block圖2-5六路脈沖觸發器模塊同步六路脈沖發生器模塊可用于很多領域。六路脈沖觸發器的主要部分是六個晶

14、閘管。該 模塊的輸出是一個六脈沖單獨同步的六晶閘管電壓矢量 。下面的圖表顯示了一個 0度的a角 的六路脈沖。如圖2-6所示圖2-6六路脈沖觸發器輸出的脈沖aipha_deg輸入一個-發射信號，以度的形式。該輸入可以連接到一個恒定的模塊或者它可以連 接到控制系統來控制發電機的脈沖AB、BC、CA為輸入的ABC三相的線電壓Freq頻率的輸入端口，這種輸入應該連接到包含在赫茲的基本頻率，恒定的模塊。Block六路脈沖觸發器的參數設置如圖 2-7所示Function Elock Parameters: Synchronized 6-Pulse GeneratorSmchionized 6_pul5&a

15、mp; Eeneratar zLask : link)Use this block tn fire the 6 thyristors nf a 6_pu15s canverter. The out put is a vectoi of 6 pulses Cl； individually oTnchronized on the 6 cQsniJtation volta畫建g一 Pulses are generated alphaafterthe inczeasing zero-cro&5ing» of the coumutation voltagss-ParazieteT

16、63;Frueny of synrhrsnisation vcHz :CancelHelpAc圖2-7六路脈沖觸發器參數設置永磁同步電機模型仿真結果Com圖2-8整體開環仿真框圖本文在基于Matlab下建立了永磁同步電機的開環電機模型的仿真。PMSM的參數設定為：電機的額定電壓為220V，額定電流為3A，額定機械轉 速為3000 rpm,極對數為2,電磁輸出功率為900W,定子阻抗為4.3 Q,直軸感抗為 0.027H,交軸感抗為0.067H ,漏磁通 木為0.272wb ,轉動慣量J為0.00179kgm 2,粘滯 摩擦系數B為0。得到的仿真結果圖如圖2-9所示400圖2-9電機轉速曲線從圖

17、中的曲線可以看出，電機轉速給定值為3000N (pm ),從電機起動開始，速度逐 漸上升，達到給定值需要的時間比較長，換句話說就是電機的響應時間較長，而且在達到穩 定值附近時的轉速波動也比較大，可能是因為永磁同步電機的內部結構很復雜，也可能是跟 電機沒有任何控制有關，希望在搭建了速度轉矩雙閉環控制后的轉速的響應時間能縮短 ，達 到給定值附近時的上下波動能減小轉矩的結果如圖2-10所示0data'(LV1Tt劇.11ill- , A. 1地 ,- Jif11，!U 11 .呱.T VJU)0-vElectromag netic torque Te (N*m)>-11.522.533

18、.544.510.5圖2-10永磁同步電機轉矩曲線從圖中可以看出，在永磁同步電機起動后轉矩的值在零的附近波動，波動范圍還是比較大，產生波動的主要原因還是電機復雜的內部結構，以及在沒有任何控制的情況下才出現的，希望在搭建成速度轉矩雙閉環控制下可以使其波動的范圍減 小，無限的接近于零。電流的仿真結果如圖2-11所示150 1005C0 I'I |l Iil m G i k :“I “I，_r-L-L "11 r-M.*lr-.1 屮 L，I I -5C-100.52.53.54.5圖2-11永磁同步電機電流曲線對于永磁同步電機開環物理模型仿真的電流 ，電流在電機開始運行時電流會在

19、 短時間內上升并振蕩，但很快就接近與零值并且在零值附近波動。第三章 永磁同步電機雙閉環仿真3.1永磁同步電機雙閉環仿真模型在MATLAB下的SIMULINK環境中，利用其中的各種模塊，建立了永磁同步電 機雙閉環控制系統仿真模型。該系統是由PI控制器構成的速度環和滯環電流控制器 建立的電流環共同控制的雙閉環控制系統。通過給定轉速與實際轉速的比較產生的誤差，將產生的誤差信號送入PI控制器，再由PI控制器送達轉速控制模塊。并通過 坐標變換產生的參考電流，與PMSM輸出的實際電流相比較，再通過橋路逆變器產 生輸入PMSM的三相電壓，經過坐標變換后直接輸入到PMSM本體控制其運行。最 終達到在利用雙閉環

20、控制系統的控制下能夠實現實際轉速與期望轉速相一致的目 的。根據模塊化的思想，我們可以將系統的整體結構劃分為以下幾個主要部分PMSM電機本體模塊，轉速控制模塊，轉矩控制模塊，坐標變換模塊，電流控制模塊, 電壓逆變模塊。3.1.1 PMSM 本體模塊根據公式可得到在整個仿真過程中，電機本體模塊是其中最重要的模塊之一永磁同步電機的機械轉速以及電子轉速公式 ：Te - Tl - B mdt(3.1)（P為極對數）（3.2）則可以建立如下的電機本體模塊，如圖3-2所示:VdidwrProductLqVqProduct 1Sum 2YfYfTLin_3SumSumLd.s+Rsout_1Tran sfer

21、 FenLq.s+RsTra nsfer Fen 1Ldiq2out_2LqLq-K-Ld -LqYfYf1>p1/JSum 4p1/JIn tegratorSwitchSum 3Product 21.5*p1wrTeout_3out_4 1/spos.0|wr=0 if wr <0In tegrator5out_5YdYqout_6out_7圖3-1 PMSM 電機本體模塊轉速控制模塊轉速控制模塊是由比例積分控制器根據比例積分控制原理建立的，如圖3-3所示的比例積分PI控制模塊。在本體模塊中取的比例積分為0.5，積分增益為0.01，定 子電流輸出的限幅為-5,5。圖3-2 PI控

22、制模塊轉矩控制模塊本次仿真是以常量轉矩控制為轉速控制的方式，即當實際轉速小于額定的轉速 時，取交軸期望電流iq”與提供的定子電流Is”相等，而直軸的期望電流id大小為 0,角=90 ：0 則(3.3)由此可以看出轉矩與電機交軸電流之間存在一定的線性關系。在仿真過程中是由程序實現的，轉矩控制模塊也是根據以上的原理建立的。坐標變換模塊在仿真中，主要有4個坐標變換的模塊：兩相旋轉坐標系向兩相靜止坐標系變 換（d q到一冷，兩相靜止的坐標系向三相坐標是變換 （一1到abc）， 以及三相坐標系向兩相靜止坐標系變換（abc至V一）,兩相靜止坐標系向兩相旋轉坐標變換（一：到d q），同類變換的電壓 和電流變

23、換式相同。相應的坐標變換公式如下所示：兩相旋轉坐標系向靜止坐標系變換：L = id cos-iq sin，(3.4)L 二 id sin =iq cos(3.5)兩相靜止坐標系向三相坐標系變換：(3.6)io -(3.7)1iot+(3.8)相應的反變換為：c(3.9)(3.10)id = i cos i sin'(3.11)iq 二-k sii cos=(3.12)根據坐標變化公式（一）可以建立如圖3-3、圖3-4、圖3-5、圖3-6的坐標變換模塊。in3in 31in 1圖3-3 d -q至-坐標變換211Product1 i->K- >in_1Gai n2in_2Ga

24、in 1Sum 2圖34 a B到abc坐標變換in _12in _2Sum 2Gai n(3 in _3RDSum 1 2out_2 3out_31Ak-Gain 1out _2圖35 abc至到 a B坐標變換2inin 222in 1Product圖36 a p到d q坐標變換電流控制模塊對于電流控制方式而言，采用的是滯環控制。首先確定一個期望值，根據滯環 的帶快要在期望值的兩側來確定一個范圍，當實際輸出電流達到滯環寬度以上的時 候，就會輸出高值信號，從而達到對輸出電流調節的目的。滯環控制器的模塊是根據滯環控制原理搭建的，如圖3-7所示。在圖3-7中首 先將實際電流與期望電流進行比較后產

25、生誤差，再經過滯環控制器后產生三相電壓信號。然后經過數據邏輯非運算器器件和類型變換裝置產生IGBT橋路6個IGBT管的門極脈沖信號。因同一相上的橋臂的管子觸發脈沖是相反的，所以只要在原來的三相脈沖信號上加上邏輯非即可構成相應的6路脈沖觸發信號，控制各個IGBT管的導通以及關閉。在本次仿真中，滯環的寬度設為0.1當期望電流與實際電流的誤差不小于滯環 帶的寬度時，滯環控制器即開通，輸出值為1，當誤差小于滯環寬度的負值時，滯 環控制器即關斷，輸出為0。圖37滯環控制器結構電壓逆變器模塊電壓源逆變器如圖3-8所示，根據小結小節中我們研究的電流控制器，它 能夠產生出IGBT的門極信號，并且通過這個信號來

26、控制每個IGBT管的導通以及關 斷。由直流電源產生的三相電流與三相實際電流值同時作用在負載上，根據誤差的大小來產生輸入到 PMSM的三相電壓 Vabc,通過這個產生出來的三相電壓來調節 PMSM的實際轉速也能同時調節交直軸的電流，最終達到實際值與期望值相等的目 的。這個逆變橋的IGBT管是選用的IRGIB10B60KD1。為了得到相對更好的電流波 形，要在IGBT橋路三相電流輸出端加上一個濾波器，右邊的負載電阻全取為1門， 直流電壓為20V，左下角獨立的部分是IGBT橋路中流經IGBT管的電流以及電壓的測 量裝置，可通過它得到流經每個IGBT管的電壓和電流，要想得到IGBT管上的損耗功 率只需

27、將同一個IGBT管的電壓電流和電壓相乘即可，要想得到在一段時間內單個 IGBT管上的消耗功率的總和，可以在功率輸出端放上一個積分器輸出值即可得到。圖38電壓逆變器結構3.2仿真結果Sampling block圖3-9整體仿真框圖本文基于MATLAB中的SIMULINK建立出了永磁同步電機的雙閉環控制系統 的電機模型，這是一種新的電壓變換結構及電流控制方法，以此方法為基礎對此雙閉環模型進行了實際的仿真。PMSM的參數設定如下：電機的額定電壓為220V，額 定電流為3A，額定機械轉速為1700rpm，極對數為2，電磁輸出功率為900W，定 子阻抗43，直軸感抗為0.027H，交軸感抗0.067H。

28、漏磁通'f為0.272wb，轉 動慣量J為0.00179kg m2,粘滯摩擦系數B為0.本次仿真就是為了驗證所設計的 PMSM雙閉環控制系統的仿真模型的靜、動態 性能是否得到改善，是否達到預想的結果以及系統空載啟動的性能是否良好它的優 越性能否體現出來，系統先是在空載情況下啟動，在t=0.4s時突加負載2Nm，可以 得到系統轉速、轉矩、直軸交軸電流以及A相電流的仿真曲線。給定參考轉速為200rad/s，滯環寬度取為0.1。JII*03 <</|/ jb J亠J00 /r3020100.20.30.40.50.60.70.80.90.1圖3-10永磁同步電機雙閉環控制轉速圖3

29、.11永磁同步電機雙閉環控制轉矩20000.30.40.50.60.70.80.9r- :,圖3.12 永磁同步電機雙閉環iq電流曲線圖3.13 永磁同步電機雙閉環id電流曲線圖3.14 永磁同步電機雙閉環i電流曲線通過上面的仿真圖可以很明顯的看出：在給定的參考轉速不變的情況下，系統從接收到信號到能夠響應需要的時間很短并且上下的波動不是很大總體來看還是很 平穩的，在起動階段系統是保持轉速恒定的，并且在空載穩定速度下運行時，不考 慮系統的摩擦轉矩，因此此時的電磁轉矩的平均值為零 ，交軸和直軸電流以及相電 流的平均值也接近為零。在突然加上負載后，轉速發生了突然的下降，但是又能比 較快的恢復到穩定的

30、狀態，穩態運行時轉速沒有靜差，但突然加上負載后，電磁轉 矩就會略有增大，這是由于開關的頻繁切換所造成的。穩態時，電磁轉矩等于負載 轉矩，直軸電流的平均值為零，交軸電流均值增大，相電流為正弦波形，這很符合 永磁同步電機的特性。仿真結果表明電機的動靜態性能比較好，得到仿真之前預期的目的，說明建模仿真的方法是比較理想的，是正確的。第四章 永磁同步電機開環和雙閉環仿真比較通過第二章的研究和分析，可以看出永磁同步電機在開環的運行形式下，得到的轉矩、電流、轉速的波形跟我們想要的效果有很大的差距，其中會出現從起動開始，達到穩定的時間比較長，而且到達穩定時的效果也比較差，波形很明顯。這主 要是由于開環運行的條

31、件下系統普遍存在的問題較多（1） 在開環系統中，各種參數間相互之間影響并且互相制約著 ，所以很難再對 調節器的參數進行更好的調整，因而系統的動態性能的缺陷很明顯 ，在這種情況下 不是很理想。（2） 任何擾動在轉速出現偏差后也無法調整，因而轉速動態降落較大。相對開環來講在第三章研究的永磁同步電機的雙閉環控制系統就對電機調節的 優勢就很明顯，如仿真結果表明：對永磁同步電機雙閉環控制系統的仿真結果進行 波形分析，可以很清楚的看到其的合理性，并且系統能夠在非常平穩的狀態下運 行，跟開環控制系統相比較而言它具有較好的靜、動態特性，能夠達到我們所期望的目的。所以我們可以得出以下結論，采用該PMSM雙閉環控

32、制系統模型仿真，可 以非常便捷地觀察出它和開環情況下永磁同步電機相比較的優越性，實現同時也能很準確的驗證其算法是否合理，只需要對其中一部分的功能模塊進行替換或者是合 理的適當的修改，就能夠實現對控制策略的更換或改進，不僅可以間斷對方案的設 計周期進行控制，而且還能快速驗證所設計的控制算法是否正確是否合理，更優越的地方是能夠充分地利用計算機仿真的優越性。通過修改系統的參數變量或人為的 加入不同擾動因素來考察在各種不同的試驗條件下電機系統的動、靜態性能，或者是模擬相同的試驗條件，通過各種參數或者不同的波形來比較不同的控制策略的優 勢和劣勢，為分析和設計不同的永磁同步電機控制系統提供了更為有效的手段和工 具，也給為了實際電機控制系統的設計以及調試提供了新的思路。在雙閉環系統中應用到了直接轉矩控制原理。直接轉矩控制是近幾年來繼矢量控制技術之后發展起來的一種具有高性能的一種新型的交流變頻調速技術。1985年由德國魯爾大學Depe nbr