II目錄摘要………………..IAbstract………………II1緒言1.1課題研究的背景及意義 ………...11.2永磁同步電機(jī)的發(fā)展 11.3永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類 21.4永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 21.5永磁同步電機(jī)控制方法 31.5.1矢量控制 31.5.2直接轉(zhuǎn)矩控制 32建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.1假設(shè)條件 42.2永磁同步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 42.2.1永磁同步電機(jī)的電壓回路方程 42.2.2永磁同步電機(jī)的磁鏈方程 42.2.3永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程 52.2.4永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程 62.3永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型 62.4永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型 63永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和id=0控制的工作原理3.1永磁同步電機(jī)矢量控制原理 83.1.1三相/兩相變換（3s/2s） 83.1.2兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r） 83.2定子最小電流控制原理 93.2.1最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)原理 93.2.2采用曲線擬和的方法反解MTPA關(guān)系式 103.3id=0控制原理 114建立永磁同步電機(jī)定子電流最小控制的仿真模型4.1仿真軟件平臺(tái) 144.2坐標(biāo)變換模塊 144.3空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊 154.4電流反饋控制模塊 204.5永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真 215仿真結(jié)果5.1電流控制方式和最小定子電流控制方式下的仿真出電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形 235.2仿真結(jié)果分析 246總結(jié)與展望6.1總結(jié) 266.2展望 26致謝 28參考文獻(xiàn) 291緒言1.1課題研究的背景及意義永磁同步電機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，已經(jīng)很廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域及人們的日常生活中。永磁同步電機(jī)，用永磁體代替了繞線式同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)、電刷。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、節(jié)能效果明顯的永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?。尤其是近年來成功研發(fā)了高性能永磁材料以及永磁材料普遍應(yīng)用，使得永磁同步電機(jī)高速發(fā)展。同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷完善了永磁同步電機(jī)的控制性能，在相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域里正在取代直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。隨著永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，要求電機(jī)具有高精度、高可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力等，除了完善電機(jī)工藝制造的性能外，還可以通過對(duì)各種控制策略應(yīng)用于電機(jī)的控制，以此來提高的電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，因此探討和研究電機(jī)優(yōu)良的控制策略具有重要意義。隨著各種控制理論及其相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的不斷發(fā)展與完善，永磁同步電機(jī)一定會(huì)在不久的將來更加廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)生活中。因此研究永磁同步電機(jī)定子電流最小控制，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值[1]。1.2永磁同步電機(jī)的發(fā)展上世紀(jì)初，世界上出現(xiàn)的第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)。之后的30年左右出現(xiàn)了永磁同步電機(jī)，由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)態(tài)性能好、可靠性高等特點(diǎn)，受到社會(huì)各界研究學(xué)者和企業(yè)的青睞[2]。但在永磁同步電機(jī)誕生之初，永磁同步電機(jī)很少應(yīng)用于中小功率的調(diào)速系統(tǒng)。這主要是同步電機(jī)與異步電機(jī)的工作方式不同，永磁同步電機(jī)不能在電網(wǎng)電壓下自行起動(dòng)，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。在大功率范圍內(nèi)有永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的情況，但這往往是用來改善企業(yè)的電網(wǎng)功率因數(shù)，不能作為普通電機(jī)使用。隨著各種控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用的目標(biāo)。隨著通用變頻器的系列產(chǎn)品的出現(xiàn)，使交流電機(jī)的變頻調(diào)速變?yōu)榱丝赡?。八十年代，稀土永磁材料的研制取得了重大的進(jìn)展，為調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。進(jìn)入九十年代，隨著永磁材料性能提升和完善以及控制技術(shù)飛速發(fā)展使得永磁同步電機(jī)的研發(fā)進(jìn)入又一個(gè)快速發(fā)展階段。與此同時(shí)，微型處理器和專用集成電路應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，保證了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的高可靠性和較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)也使得各種復(fù)雜控制方法的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)?？梢灶A(yù)見在不久的將來，更多的先進(jìn)控制技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中，使得永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)得到進(jìn)一步的發(fā)展[1][3]。1.3永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類永磁同步電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下可以自由旋轉(zhuǎn)的部分，主要是由轉(zhuǎn)軸永久磁鋼以及磁軛等部分構(gòu)成，主要作用是在氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠多的磁感應(yīng)強(qiáng)度；定子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下靜止的部分，主要是由硅鋼沖片、鑲嵌在槽內(nèi)的繞組以及固定在機(jī)殼上的鐵心等部分構(gòu)成。將三相對(duì)稱的空間電流通入定子的三相對(duì)稱的繞組，就可以產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓形空間磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子永磁體所產(chǎn)生的恒定磁場(chǎng)共同作用，產(chǎn)生電磁力，促使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。因此通過改變定子三相電源的相位和頻率，來改變轉(zhuǎn)子的速度和位置角。三相異步電機(jī)的控制方法類似于永磁同步電機(jī)的控制，采用矢量控制方法，通過坐標(biāo)變換，使得控制永磁同步電機(jī)像控制直流電機(jī)那樣簡(jiǎn)單高效。永磁同步電機(jī)的主磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形因轉(zhuǎn)子磁鋼的結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生正弦波和梯形波兩種。而永磁同步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，使其避免了方波永磁同步電機(jī)的缺陷，具有優(yōu)良的控制性能，成為應(yīng)用較為廣泛的一種電機(jī)。故本文以下主要是對(duì)正弦波永磁同步電機(jī)建模，并對(duì)其控制進(jìn)行研究[1]。1.4永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，無勵(lì)磁損耗小和轉(zhuǎn)子發(fā)熱低，極大地提高了電機(jī)的功率因素和效率。同時(shí)由于永磁同步電機(jī)優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和易于控制的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小容量的伺服系統(tǒng)中，具有優(yōu)良的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。永磁同步電機(jī)較他電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：(1)高性能永磁材料產(chǎn)生穩(wěn)定且較強(qiáng)的磁場(chǎng)，在給定功率下，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；(2)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，獲得較高的加速度；(3)定子與轉(zhuǎn)子接觸無滑環(huán)和電刷，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性高；(4)轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁繞組，因此無轉(zhuǎn)子銅耗，提高功率因素；(5)在轉(zhuǎn)速較低情況下，輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)性能高；(6)轉(zhuǎn)矩諧波抖動(dòng)小，可以平穩(wěn)調(diào)速。1.5永磁同步電機(jī)控制方法1.5.1矢量控制上世紀(jì)七十年代，德國人F.Blaschke首先提出了矢量控制理論，交流電機(jī)的控制理論得到飛速發(fā)展。其基本原理是：以永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)軸線為參考坐標(biāo)，將定子電流分解成相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈的方向相同為定子電流的勵(lì)磁分量，另一個(gè)正交于磁鏈方向產(chǎn)生定子電流轉(zhuǎn)矩分量；然后分別對(duì)其進(jìn)行控制，類似對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良。而且由于其控制結(jié)構(gòu)單一、控制策略較易實(shí)現(xiàn)從而使同步電機(jī)的矢量控制方法廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。永磁同步電機(jī)有不同的電流控制策略，主要是：(1)id=0控制；(2)最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制；(3)=1控制等。其中id=0控制是主要控制方式，本文主要對(duì)這種控制方式以及在這種控制方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行定子最小電流控制系統(tǒng)研究。1.5.2直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是由德國魯爾大學(xué)教授于1985年首次提出了異步電機(jī)的的繼矢量控制技術(shù)之后的又一高性能的交流變頻控制技術(shù)[3]。采用空間向量、定子磁場(chǎng)定向的分析方法，其特征在于，直接在定子坐標(biāo)系下的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算和控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩，具有離散的兩點(diǎn)調(diào)節(jié)器，傳遞轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)值轉(zhuǎn)矩與給定值進(jìn)行比較并產(chǎn)生PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)從而控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，以獲得高動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。這種控制方法消除了坐標(biāo)變換中復(fù)雜的計(jì)算方法，使系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)，控制信號(hào)單一，降低了耦合效應(yīng)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快且無超調(diào)，是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能的交流調(diào)速控制，因此在開始受到人們的關(guān)注。異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制最初被提出，不能直接應(yīng)用于對(duì)永磁同步電機(jī)。1997年，L.Zhong，MFRahmanYWHu等人把直接轉(zhuǎn)矩控制與永磁同步電機(jī)結(jié)合起來，成功地實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[4]。近年來，為了提高直接轉(zhuǎn)矩控制的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，并取得相應(yīng)的結(jié)果。2建立永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.1假設(shè)條件能夠準(zhǔn)確地反映受控系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性的控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)的性能影響精度是好還是壞，關(guān)鍵在于控制對(duì)象的控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型的建立。永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型包括：電壓方程，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程和構(gòu)成的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)方程。本文將研究三相永磁同步電機(jī)，分析永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系()、兩相靜止坐標(biāo)系()和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()下的數(shù)學(xué)模型。為了簡(jiǎn)便分析，做如下假設(shè)[5]：(1)磁路處于非飽和狀態(tài)，表現(xiàn)出線性特性；(2)忽略鐵耗和磁滯效應(yīng)所引起的損耗的影響；(3)三相繞組完全對(duì)稱并通過對(duì)稱的電源，永磁體的磁場(chǎng)沿氣隙周圍呈正弦特性分布；(4)功率二極管和續(xù)流二極管均為理想元器件。2.2永磁同步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.2.1永磁同步電機(jī)的電壓回路方程在三相靜止坐標(biāo)系()中，永磁同步電機(jī)的電壓回路方程可以表示為： (2.1)式中：，，是三相定子繞組兩端的電壓，，，是三相定子繞組的相電流，，，是三相定子繞組的磁鏈，，，是三相定子繞組的電阻，并且有===R。2.2.2永磁同步電機(jī)的磁鏈方程每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満团c其它繞組的互感磁鏈之和，即： (2.2)式中：，，，，和，為三相定子繞組之間的互感，，，，為三相定子自感，為永磁體磁鏈的最大值，對(duì)于特定的永磁同步電機(jī)為一常數(shù)，為轉(zhuǎn)子的電角速度。由于三相繞組在空間上對(duì)稱分布，并且通入三相繞組中的電流是對(duì)稱的，則有下述關(guān)系成立：定子各相自感為：===L (2.3)定子間互感為：======M (2.4)因?yàn)槿嗬@組為星型連接，則有：=0 (2.5)將以上條件帶入式(2.2)得磁鏈方程： (2.6)將式(2.6)帶入式(2.1)，得到方程式(2.7)，這就是永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系()下的電壓平衡方程。 (2.7)式中：p為微分算子()，為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。2.2.3永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2.8)式中：P為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。2.2.4永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為: (2.9)式中：Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B為粘滯摩擦系數(shù)，為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由方程(2.7)可以看出，永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程為系數(shù)可變的微分方程，不易求解，為方便起見常常采用更為簡(jiǎn)便的等效模型來進(jìn)行研究。2.3永磁同步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型(1)在兩相靜止坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的電壓回路方程為： (2.10)式中：，為定子電壓在、軸上的電壓分量，，為定子電流在、軸上的電流分量，、、為、軸的自感和它們之間的互感。(2)磁鏈方程為： (2.11)(3)轉(zhuǎn)矩方程為： (2.12)從上述式子可以看出，在兩相靜止坐標(biāo)系下，電壓回路方程變量的個(gè)數(shù)減少，給分析問題帶來了很大的方便。2.4永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型設(shè)轉(zhuǎn)子永磁體的基波磁場(chǎng)方向?yàn)閐軸，而q軸為沿著旋轉(zhuǎn)方向超前90的電角度的方向。轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)子的速度，并規(guī)定逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)閰⒖颊较?。則有[6]：(1)永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系()中的電壓方程為： (2.13)式中：，為定子電壓在直軸d和交軸q上的分量，，為定子電流在直軸d和交軸q軸上的分量，，為定子磁鏈直軸分量和交軸分量。(2)永磁同步電機(jī)的磁鏈方程為： (2.14)式中：為轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生磁鏈，可以看作是恒定的；、分別為永磁同步電機(jī)在d、q軸上電感的分量。將式(2.14)代入式(2.13)就可以得到永磁同步電機(jī)軸坐標(biāo)系下的電壓方程： (2.15)(3)永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： (2.16)式中：為永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。(4)永磁同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為： (2.17)式中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。3永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和id=0控制的工作原理3.1永磁同步電機(jī)矢量控制原理20世紀(jì)70年代，德國F.Blaschke首次提出了交流電機(jī)矢量變換控制理論，也被稱為磁場(chǎng)定向控制理論[7]。該理論的提出，解決了高性能的交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題，其基本思想是協(xié)調(diào)定子三相電流，，，，通過坐標(biāo)變換等效為兩相靜止坐標(biāo)系中的電流和，然后通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為等效兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流和。通過兩個(gè)獨(dú)立的分量的控制，以使交流電動(dòng)機(jī)的控制可以像直流電動(dòng)機(jī)的控制一樣容易[6]。坐標(biāo)變換的原則是保證在不同的坐標(biāo)系的產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全等效。三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)變換（克拉克的轉(zhuǎn)換）和兩相靜止坐標(biāo)系的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換（Park變換）。3.1.1三相/兩相變換（3s/2s）三相交流電變換成兩相靜止坐標(biāo)系上的電流的變換公式如下： (3.1)3.1.2兩相靜止/兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r）兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下直流電流（2s/2r）[7]。其中：s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。兩相交流電流、和兩相直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速ω旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)F。圖3.1兩相靜止和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)空間矢量由上圖可知，、和、之間有如下關(guān)系： (3.2)寫成矩陣形式，即： (3.3)4建立永磁同步電機(jī)定子電流最小控制的仿真模型4.1仿真軟件平臺(tái)基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分成各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊[8]，主要有：幾種坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊、電流反饋控制模塊和電機(jī)本體模塊。通過對(duì)這些模塊的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的矢量控制。下面介紹和分析各個(gè)子模塊的結(jié)構(gòu)與作用。4.2坐標(biāo)變換模塊永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想是通過坐標(biāo)變換后使得其被控量和控制方式類似于直流電機(jī)的控制方式，使得電機(jī)在此控制方式下獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)、優(yōu)異的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)[7]。要想控制永磁同步電機(jī)像控制直流電機(jī)一樣方便高效，需要進(jìn)行兩相旋轉(zhuǎn)/兩相靜止()的坐標(biāo)變換，將，轉(zhuǎn)換為變換為，。模塊的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，輸入信號(hào)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下軸電壓，及位置信號(hào)，輸出為兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓，。 (4.1)圖4.1坐標(biāo)系到坐標(biāo)系變化模塊4.3空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)模塊空間矢量脈寬調(diào)制根據(jù)電流環(huán)輸出的和以及當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角輸出六路PWM控制信號(hào)[9]來控制逆變器橋臂上功率開關(guān)器件的通斷使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)。典型的三相電壓源型逆變器的結(jié)構(gòu)如圖4.2所示。圖4.2三相逆變器主電路該電路是由VT1-VT6六個(gè)功率開關(guān)器件進(jìn)行控制的，同一橋壁不能同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)閉狀態(tài)。三組橋臂共有八種通斷狀態(tài)，這八種通斷狀態(tài)產(chǎn)生六個(gè)有效的空間矢量u1(001)～u6(110)和兩個(gè)無效的零矢量u0(000)～u7(111)如圖4.3所示。圖4.3電壓空間矢量扇區(qū)分布變換器產(chǎn)生的矢量不可能是角度連續(xù)變化的空間矢量。圖4.4表示電壓空間矢量u4，u6合成新的電壓矢量us。假設(shè)在一個(gè)PWM脈寬調(diào)制波周期T內(nèi)，T1時(shí)間段處于工作狀態(tài)u4，T2時(shí)間段處于工作狀態(tài)u6T0時(shí)間段處于工作狀態(tài)u0。則有： (4.2)圖4.4電壓空間矢量的線性組合分步搭建SVPWM中的各個(gè)子模塊[10][11]：(1)根據(jù)測(cè)得的兩相靜止電壓和通過矢量所在扇區(qū)判斷模塊確定電壓矢量所在的扇區(qū)。當(dāng)>0時(shí)，令A(yù)=1；當(dāng)時(shí)，令B=1；當(dāng)時(shí)，令C＝1，有八種組合，但是有邏輯關(guān)系判斷可知道A、B、C不會(huì)同時(shí)為1或者0，所以實(shí)際有效的組合只有六種，并一一對(duì)應(yīng)于矢量控制的六個(gè)扇區(qū)。取n=A+B+C，通過n判斷電壓矢量所在的扇區(qū)。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4.5所示。表4.1N與扇區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系扇區(qū)號(hào)ABCDEFn315462圖4.5扇區(qū)判斷模塊(2)基本矢量有效作用時(shí)間計(jì)算模塊（X,Y,Z與T1,T2）定義X，Y，Z三個(gè)變量，令，，其中、、T上同，為逆變器直流母線電壓。利用所得到的扇區(qū)號(hào)n判斷每個(gè)扇區(qū)內(nèi)相鄰兩矢量的作用時(shí)間(T1,T2)。由于過飽和的影響，使得T1+T2<T，因此要進(jìn)行過飽和判斷。但是當(dāng)T1+T2>T時(shí)，存在,。模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4.6所示。表4.2基本矢量作用時(shí)間n123456T1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-Z圖4.6基本矢量作用時(shí)間模塊(3)空間電壓矢量切換點(diǎn)計(jì)算模塊定義電壓空間矢量的切換點(diǎn)Tcm1，Tcm2，Tcm3，令，,。如表4.3所示。表4.3N與Tcm1、Tcm2、Tcm3對(duì)應(yīng)關(guān)系n123456Tcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaTbTa圖4.7功率開關(guān)占空比計(jì)算模塊(4)PWM波形的生成模塊通過對(duì)一個(gè)周期為T，幅值為T/2的等腰三角波與Tcm1，Tcm2，Tcm3進(jìn)行比較，比較結(jié)果可以生成三路PWM波形，在對(duì)其求反又可以得到三路PWM波形，最終得到用于控制三相逆變器功率開關(guān)管通斷的六路PWM信號(hào)。產(chǎn)生模塊結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。圖4.8PWM波形生成模塊(5)將各個(gè)模塊組裝成SVPWM模塊將以上各個(gè)模塊封裝組合，得到SVPWM整體封裝模塊，如4-9所示。圖4.9SVPWM整體封裝模塊4.4電流反饋控制模塊根據(jù)第三章推倒出來的公式3.10可以建立電流控制模型的控制模型圖4.10Te與id的關(guān)系轉(zhuǎn)化模塊的控制模型圖4.11Te與的關(guān)系轉(zhuǎn)化模塊4.5永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真利用以上各個(gè)功能模塊，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建永磁同步電機(jī)最小定子電流控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的的仿真模型如圖4.12、4.13所示。圖4.12永磁同步電機(jī)定子最小電流控制系統(tǒng)仿真模型圖仿真時(shí)永磁同步電機(jī)的各性能參數(shù)設(shè)置如下[7]：直流母線電壓為=300V，，定子繞組電阻R=2.875Ω，PWM周期=0.0002S，定子電感為==8.5mH，極對(duì)數(shù)P=4，永磁磁鏈=0.125Wb，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.0*10-3kg.m2。給定轉(zhuǎn)速為在0s是為500rad/s,階躍后為750rad/s。電機(jī)空載啟動(dòng)，在t=0.1s時(shí)，突加負(fù)載有1N.m階躍到3N.m，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)性能參數(shù)仿真結(jié)果如圖5.1和5.2所示。5仿真結(jié)果5.1電流控制方式和最小定子電流控制方式下的仿真出電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形圖5.1電流控制方式下的定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩波形5.2仿真結(jié)果分析由仿真波形可以看出，在參考轉(zhuǎn)速下，所設(shè)定輸出轉(zhuǎn)矩最終達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩=3N.m平衡。(1)對(duì)于定子最小電流控制方式系統(tǒng)起動(dòng)響應(yīng)速度快，轉(zhuǎn)速有一個(gè)較大的脈動(dòng)。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、定子電流了都有一個(gè)脈動(dòng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速能夠快速穩(wěn)定的再次跟蹤給定值。三相定子電流呈正弦波變化，在負(fù)載突變后幅值有明顯的躍升，但很快穩(wěn)定在三相對(duì)稱正弦波周期性變化狀態(tài)下。轉(zhuǎn)矩在開始啟動(dòng)時(shí)脈動(dòng)很大但是在0.01s左右很快穩(wěn)定在系統(tǒng)所設(shè)定的=0(0<t<0.2),達(dá)到平衡。至于轉(zhuǎn)速也是經(jīng)過相當(dāng)短的時(shí)間震蕩后很快穩(wěn)定在所設(shè)定基速=750rad/s下穩(wěn)定運(yùn)行。但是在0.1s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從1N.m階躍到3N.m，此時(shí)從仿真結(jié)果可以看出電機(jī)的定子電流、轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩在0.1-0.11s有一個(gè)較小的脈動(dòng)但很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？梢钥闯鲈谧钚《ㄗ与娏骺刂品绞较?，永磁同步電機(jī)表現(xiàn)出了非常好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能，并對(duì)外界的擾動(dòng)有較強(qiáng)的抵抗作用。(2)對(duì)于電流控制方式起動(dòng)響應(yīng)速度相對(duì)較慢，轉(zhuǎn)速有一個(gè)比較較大的脈動(dòng)。當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、定子電流了都有一個(gè)脈動(dòng)，經(jīng)過調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速能夠快速的再次跟蹤給定值，但不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的給定值需要時(shí)間相對(duì)長一些。三相定子電流呈正弦波變化，在負(fù)載突變后幅值有明顯的躍升，但也很快達(dá)到穩(wěn)定。至于轉(zhuǎn)矩，對(duì)外界所加的負(fù)載擾動(dòng)有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從在0.1-0.11s各種參數(shù)的變換可以看出，當(dāng)然也能很快穩(wěn)定在所設(shè)定的參考值下，但在這一暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)相比較而言有點(diǎn)大?？梢姶朔N控制方式下的永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)性能、抗干擾能力較強(qiáng)，有一定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力相對(duì)差一些。通過對(duì)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)的定子最小電流和電流兩種矢量控制方法的比較，可以看出前者和后控制后電機(jī)所表現(xiàn)出的穩(wěn)態(tài)性能，抗外界擾動(dòng)的能力相當(dāng)，但是后者表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)性能不如前者，這些都符合預(yù)計(jì)的分析。仿真結(jié)果說明所搭建的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型具有一定合理性和可靠性，更加凸顯了最小定子電流控制方式較控制方式的在動(dòng)態(tài)性能要求高的控制系統(tǒng)中優(yōu)越性。通過兩種不同控制方式的比較達(dá)到了比較控制的目的，在滿足穩(wěn)定性和可靠性的同時(shí)使定子電流達(dá)到最優(yōu)控制。6總結(jié)與展望6.1總結(jié)由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電磁轉(zhuǎn)矩紋波系數(shù)小、速度響應(yīng)快、動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)異及過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)先進(jìn)控制理論的快速發(fā)展以及新型永磁材料技術(shù)的突破使得永磁同步電機(jī)成為今后交流調(diào)速系統(tǒng)研究和發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步電機(jī)上的應(yīng)用越來越廣泛。本文從研究永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，基于最大轉(zhuǎn)矩電流比建立了基于空間矢量控制的永磁同步電機(jī)仿真模型，并以并進(jìn)行了仿真，本文的主要工作如下：(1)分析了課題研究的背景及意義，回顧永磁同步電機(jī)的發(fā)展歷程。對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并概括性的敘述了當(dāng)前永磁同步電機(jī)的控制方法。(2)在一定假設(shè)條件下對(duì)永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析與總結(jié)。在三種坐標(biāo)系下分別建立了永磁同步電機(jī)的電壓回路方程，永磁同步電機(jī)的磁鏈方程，永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程，永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程。(3)分析了永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和控制方式的工作原理。首先分析了永磁同步電機(jī)矢量控制原理，以及三坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)化，最后以定子電流為研究對(duì)象，利用高等數(shù)學(xué)中求極值的原理，求出了定子電流的條件極值，在滿足條件極值的情況下，求出了在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交直軸電流表達(dá)式，及轉(zhuǎn)矩與電流的關(guān)系式。最后采用曲線擬和的方法反解MTPA關(guān)系式。(4)建立永磁同步電機(jī)定子電流最小控制和控制的仿真模型，基于永磁同步電機(jī)的矢量控制原理，在分析永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用Matlab仿真工具，建立了系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)模塊化建模的思想，將控制系統(tǒng)分成各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊，主要有：坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊、電流反饋控制模塊和電機(jī)本體模塊。(5)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，仿真出電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所搭建永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型的正確性和有效性。6.2展望雖然我在永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)及仿真方面做了一點(diǎn)工作，但是由于永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性和控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及作者時(shí)間和能力有限，論文中還存在一些問題有待進(jìn)一步思考和研究：我們?cè)诮⒂来磐诫姍C(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，為了便于列出其基本方程式，通常都忽略電機(jī)的鐵耗、變量復(fù)雜多變、強(qiáng)耦合、非線性等問題。但是在實(shí)際電機(jī)中，這些都是是真實(shí)存在的，而且它會(huì)對(duì)電機(jī)的各種性能產(chǎn)生重要的影響。例如對(duì)采用高硅鋼片作鐵心材料的大型電機(jī)來說,鐵耗占銅耗的一部分，而對(duì)于采用較厚的普通硅鋼片電機(jī)來說，鐵耗占銅耗的比例越高，影響更大[11]。當(dāng)然，還存在參數(shù)時(shí)變以及負(fù)載擾動(dòng)等不確定性因素的影響。這些方面的忽略對(duì)控制精度要求極高的系統(tǒng)如伺服系統(tǒng)來說，對(duì)更好的控制方法進(jìn)行控制來獲得更高的性能提出了新的要求。因此，以后關(guān)于這永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的研究會(huì)跟多的關(guān)注這些被忽略的鐵耗、變量復(fù)雜多變、強(qiáng)耦合、非線性等問題。只有這樣，才能把電機(jī)控制推向一個(gè)嶄新的高度。基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機(jī)的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機(jī)與Internet互聯(lián)的研究與實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機(jī)控制器的研究基于單片機(jī)γ-免疫計(jì)數(shù)器自動(dòng)換樣功能的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)單片機(jī)嵌入式以太網(wǎng)防盜報(bào)警系統(tǒng)基于51單片機(jī)的嵌入式Interne