PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真電氣工程專業(yè)

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1、PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 摘 要 隨著科技更加便捷的發(fā)展，引進(jìn)了一些新的更加方便，更加高效，更加準(zhǔn)確，更加無(wú)損耗的技術(shù)，即PMSM矢量控制技術(shù)。第一，PMSM就是加入了新的材料，把之前的電動(dòng)機(jī)做了改動(dòng)，利用永磁材料替代之前的結(jié)構(gòu)來(lái)維持電動(dòng)機(jī)永恒的轉(zhuǎn)動(dòng)，使定子與轉(zhuǎn)子的速度同步起來(lái)，這樣的電動(dòng)機(jī)就叫做永磁同步電機(jī)。直流勵(lì)磁繞組相對(duì)于永磁材料來(lái)說(shuō)損耗降低了。第二，矢量控制理論即就是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電流，主要是控制其中的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流的角度大小和模值大小，把這種控制定子電流的方式稱之為矢量控制。通過(guò)以上兩種技術(shù)的改革，從而使對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制更加簡(jiǎn)潔，方便，高效。 本文的研究思路

2、是先對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理，及其應(yīng)用特點(diǎn)本做了簡(jiǎn)單的闡述，然后介紹了面裝式電動(dòng)機(jī)的矢量控制技術(shù)，最后建立永磁電動(dòng)機(jī)的矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)，和最后的分析仿真結(jié)果。 關(guān)鍵詞：PMSM矢量控制技術(shù)；永磁材料；矢量控制理論；建立；仿真 Abstract With the development of technology more convenient, the introduction of some new more convenient, more efficient, more accurate, more lossless technology, that is,

3、PMSM vector control technology. First, PMSM is to add a new material, the previous motor to do the change, the use of permanent magnetic material to replace the previous structure to maintain the permanent rotation of the motor, so that the speed of the stator and the rotor together, this motor is c

4、alled permanent magnet Synchronous motor. The DC field windings are reduced in loss relative to the permanent magnet material. Second, the vector control theory that is by controlling the motor current, mainly to control the magnetic field current and torque current angle size and modulus value, the

5、 way to control the stator current is called vector control. Through the reform of the above two technologies, so that the control of the motor more concise, convenient and efficient. This paper first studies the basic structure, working principle and application characteristics of the permanent ma

6、gnet motor, and then introduces the vector control technology of the surface mount motor. Finally, the vector control speed of the permanent magnet motor is established. System, simulation data, and final analysis of simulation results. Key words: PMSM vector control technology; permanent magnet ma

7、terial; vector control theory; establishment; simulation 目 錄 TOC \o "1-3" \h \u HYPERLINK \l _Toc16111 摘 要 I Abstract II 1 引言 1 2 永磁同步電機(jī)（PMSM）的概述 1 2.1 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2 2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理 3 2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 4 3 面裝式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量方程 4 3.1 矢量控制理論 4 3.2 電壓矢量方程 5 3.3 電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程 8 3.4 面裝式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制及控制系

8、統(tǒng) 9 3.4.1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)矩控制 9 3.4.2 坐標(biāo)變換 11 3.5 FOC控制技術(shù)的思路 12 4 PMSM矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真 13 4.1 Simulink軟件的簡(jiǎn)介 13 4.2 模型的假設(shè) 13 4.3 仿真模型的建立 14 4.4 系統(tǒng)模型的模塊 14 4.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果 17 結(jié)論 19 參考文獻(xiàn) 20 謝 辭 21 1 引言 隨著二十一世紀(jì)科技的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）的發(fā)展被廣泛應(yīng)用，電機(jī)研究成為社會(huì)使命中重要的研究課題之一[1]。電動(dòng)機(jī)使用特別頻繁

9、，通以直流電流的電動(dòng)機(jī)和通以交流電流的電動(dòng)機(jī)在生活生產(chǎn)中都被應(yīng)用的很廣泛。電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)上做了改變，用永磁材料替換之前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以效率會(huì)更高效。為早在上個(gè)世紀(jì)七八十年代時(shí)期，由一個(gè)名叫布拉施克的人提出的矢量控制理論促使交流電機(jī)在世界上得到了更大的突破。矢量控制的最基本的概念就是在最簡(jiǎn)單的交流電動(dòng)機(jī)上想辦法找到直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，在實(shí)現(xiàn)建模與仿真的過(guò)程中電動(dòng)機(jī)所用到的矢量控制理論實(shí)質(zhì)上是運(yùn)用了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，所有對(duì)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)準(zhǔn)確性要求十分的高。 由永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng)開(kāi)始逐漸向數(shù)字化國(guó)際化的方向發(fā)

10、展。所以怎樣來(lái)建立一個(gè)合適的仿真模型是一個(gè)重要的開(kāi)始，有特別重要的研究和發(fā)展意義。并且，運(yùn)用Simulink來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）進(jìn)行建模和仿真，這些方法研究目前已經(jīng)備受關(guān)注。 本論文的敘述的永磁同步電動(dòng)機(jī)是最重要的，第一步對(duì)永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）進(jìn)行最簡(jiǎn)潔的敘述，然后通過(guò)推到永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系中的公式來(lái)研究矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，最后使用Simulink軟件進(jìn)行建模，并通過(guò)建模后的仿真。 2 永磁同步電機(jī)（PMSM）的概述 永磁同步電機(jī)（Permanent M

11、agnet Synchronous Motor），用永磁材料取代系統(tǒng)中的電勵(lì)磁，做了相應(yīng)的改變后，節(jié)省了一些線圈等結(jié)構(gòu)[2]。而且永磁電動(dòng)機(jī)中的定子和電勵(lì)磁三相同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致一樣，定子維持不改變，這便是最原始的PMSM。永磁材料又稱為硬磁材料，指的是在第一次被磁化后，能夠永久保持磁性的一種材料。從永磁材料的發(fā)展歷史來(lái)看，稀土永磁材料已經(jīng)發(fā)展成一大產(chǎn)業(yè)。永磁體同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）是通過(guò)永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，產(chǎn)生相應(yīng)的作用來(lái)以同步速度運(yùn)行。永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）由于本身

12、結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在工作效率、結(jié)構(gòu)、及其損耗方面都比常用的電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)良。 2.1 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成主要包括定子、轉(zhuǎn)子、及其之間的空隙[3]。 通常來(lái)說(shuō)，它的定子部分和一般電機(jī)的構(gòu)造特別像，這就是這種電機(jī)最大的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子部分的構(gòu)造和別的機(jī)器有了一定的不同點(diǎn)這也是主要的差別。 和生活中常見(jiàn)的非同步電機(jī)比較來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子構(gòu)造的不太是這個(gè)電機(jī)最大的亮點(diǎn)，而且具有永久磁性的磁極被安裝在它的轉(zhuǎn)子上，并且在這個(gè)永久磁性的磁極安裝的位置也多種多樣。 其結(jié)構(gòu)如圖1、圖2和圖3所示 圖1 面裝式結(jié)構(gòu) 圖2 插入式結(jié)構(gòu) 圖3 內(nèi)裝式結(jié)構(gòu) 由于不同類型轉(zhuǎn)子的構(gòu)造還有永久磁鐵的外形還

13、有轉(zhuǎn)子的構(gòu)造不一樣，因?yàn)橛谰么盆F的材料各種各樣還要需求不同，這樣之后會(huì)出現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)方法， 我們主要是能得到比較良好的歷次產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們還要看看制造這些東西的本錢，還有質(zhì)量問(wèn)題，是否能正常運(yùn)行，這些方面都是我們要考慮的。 圖4是表示的是一個(gè)極對(duì)數(shù)為2，然后永磁材料鑲嵌在電動(dòng)機(jī)表面的一個(gè)結(jié)構(gòu)。在這個(gè)圖中，有三相電流分別為、、，其每相的電壓、、與其電流大小相等，方向同向。 圖4 二極面裝式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 如圖5-a所示，假使線圈在磁場(chǎng)中是以一種正弦形式存在，并且和永磁體材料正弦分布不盡相同。接著，把勵(lì)磁線圈當(dāng)成放在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子里起作用匝數(shù)的三相繞組是倍，當(dāng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)給定相對(duì)等的勵(lì)磁電

14、流為的電流，即在空氣間隙中造成的正弦分布和兩勵(lì)磁線圈造成的勵(lì)磁磁場(chǎng)都是相等的。，是對(duì)等的勵(lì)磁電感。圖5-b為對(duì)等后的物理結(jié)構(gòu)模型[4]。 a) 轉(zhuǎn)子等同勵(lì)磁繞組 b) PMSM的物理模型 圖5 面裝式PMSM物理模型 2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)工作原理 永磁電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）的運(yùn)行的基本原理是：由于電動(dòng)機(jī)的定子通以電流、在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生磁場(chǎng)，然后在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下在定子側(cè)產(chǎn)生磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生同步的拖力同步旋轉(zhuǎn)。假使不考慮溫度和磁路達(dá)到最大情況的影響下，便可認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁鏈的值是恒定，再加上不用減弱磁通的話，減少了對(duì)勵(lì)磁

15、的控制，讓電動(dòng)機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單和方便[5]。 2.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) PMSM由于省去了一個(gè)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，所以各模塊之間減少了相應(yīng)的摩擦與損耗，所以工作效率要比原始的電動(dòng)機(jī)效率高，而且電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)十分的簡(jiǎn)潔、使用的時(shí)候特別方便、功率因數(shù)大并且可靠性好。PMSM由于本身特點(diǎn)，有很多結(jié)構(gòu)，并且不一樣的轉(zhuǎn)子構(gòu)造其本身性能上的優(yōu)勢(shì)也是不盡相同的，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）在某種特定的功率限制之內(nèi)，相比于電勵(lì)磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)有更微小的體積再加上工作效率高等優(yōu)勢(shì)，不斷的引起了科學(xué)家和社會(huì)對(duì)其重視，隨著科技的發(fā)展和其控制手段的不斷改變和成熟，永磁

16、同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸受到各個(gè)大公司和企業(yè)的青睞和投資。可以看到，調(diào)速驅(qū)動(dòng)的發(fā)展前景將會(huì)改變是永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展模式[6]。 3 面裝式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量方程 3.1 矢量控制理論 矢量控制理論就是把通過(guò)對(duì)電流的控制從而來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行模擬控制，三相電流通過(guò)矢量分解成兩個(gè)角度呈90的值，彼此之間互相垂直的，主要包括勵(lì)磁電流分量以及轉(zhuǎn)矩電流分量，使得其操作起來(lái)更加簡(jiǎn)潔，方便，從而達(dá)到操控永磁電機(jī)的最終目標(biāo)。 在研究電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的操控基礎(chǔ)上，和原本的感應(yīng)電機(jī)相比之下而言，面裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)（Surface mo

17、unted Permanent Magnet Synchronous Motor）是將其等同于為他勵(lì)DC電動(dòng)機(jī)(Separately Excited DC Moto)，所以對(duì)于面裝式永磁電動(dòng)機(jī)（Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motor）來(lái)說(shuō)，對(duì)其進(jìn)行的矢量控制十分易于理解。面裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)（Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motor）必須把電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組轉(zhuǎn)變?yōu)閾Q向器繞組。拿三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)舉例說(shuō)明，直接運(yùn)用定向的方法時(shí)，磁鏈大致是根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子之間會(huì)涉及到多個(gè)電動(dòng)機(jī)參

18、數(shù)的一個(gè)電壓矢量方程。其中永磁電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的仿真值的改變一定會(huì)嚴(yán)重影響到電動(dòng)機(jī)工作時(shí)其參數(shù)值，當(dāng)運(yùn)用間接定向的情況下，其工作參數(shù)還是會(huì)受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子值。 因?yàn)镻MSM轉(zhuǎn)子磁極在物理的研究上是可以檢測(cè)的，根據(jù)傳感器便可以很直觀的測(cè)量觀察到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中間的軸線地方，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)比檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)更加易于成為現(xiàn)實(shí)，而且在很大程度上可以不會(huì)隨著電動(dòng)機(jī)的值變化而變化。 在旋轉(zhuǎn)ABC系中，如圖5-b，電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量是： (1) 上述的公式中，矢量控制是通過(guò)控制的值來(lái)完成的，是實(shí)際值。公式(1)體現(xiàn)出，每次都會(huì)在旋轉(zhuǎn)ABC系中電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的原本位置上，加上一個(gè)角。這種自己控制的方

19、法即就是-自控式控制。并且不管在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，還是在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下，都可以很嚴(yán)苛的控制角[7]。 3.2 電壓矢量方程 圖5-b中，電動(dòng)機(jī)的三相繞組的電壓方程表示為： (2) (3) (4) 通過(guò)上述的公式可以看出，、和分別是ABC三相繞組的全部磁鏈-全磁鏈。 (5) 上述的公式中，、包括都是PMSM磁場(chǎng)鏈在三相旋轉(zhuǎn)系中造成的磁鏈。 由于電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的電感一直保持不變，所以： (6) 上述公式中，和各自是三相繞組中產(chǎn)生的漏電感和勵(lì)磁電感。而且 (7) 上述公式(6)可表示為： (8) 上述公式中，。 如果電動(dòng)機(jī)中的接線是Y型，中間的線沒(méi)有接到外面。所以，即： (9)

20、 上述公式中，，為等效勵(lì)磁電感；，稱為同步電感。 同樣，可將和表示為式(9)的形式。由此可將式(8)表示為： (10) 永磁電動(dòng)機(jī)中的電流可以等效為電流、、和。 相同的是電動(dòng)機(jī)三相繞組的總共的磁鏈的矢量計(jì)算可以組成電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈，、和之間的矢量計(jì)算可組成轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，所以就有了? (11) 由上式可以看出電動(dòng)機(jī)中的是由、及其之間的矢量運(yùn)算構(gòu)成。轉(zhuǎn)子的磁鏈?zhǔn)怯呻妱?dòng)機(jī)的定子磁鏈、和之間的矢量運(yùn)算構(gòu)成。將式(10)兩端矩陣進(jìn)行矢量變換可得： (12) 將上式(12)可以進(jìn)一步總結(jié)為： (13) 可將式(2)～式(4)轉(zhuǎn)換為矢量方程，所以有： (14) 將上式中的(13)代

21、入上式(14)中，便可以得出： (15) 式中，，為在三相系中的相位，如圖5-b。另有： 圖6 面裝式PMSM等效電路 (16) 最后，可將式(14)表示為： (17) 此式為定子電壓矢量方程。 其中，，可以看做是。穩(wěn)定的狀態(tài)下，幅值一直保持不變，于是，則通過(guò)上面公式（17）可以將其看成一個(gè)電路模型。 (18) 根據(jù)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相位矢量圖的分析可以了解到，在某種穩(wěn)定的條件下，空間和時(shí)間具可以在時(shí)空中相互等效，舉例來(lái)說(shuō)假設(shè)A軸作為時(shí)間的參照系，便可以把矢量圖通過(guò)矢量變換改變?yōu)锳相繞組的相位矢量圖，同樣類比。此時(shí)，可將式(18)直接轉(zhuǎn)換為： (19) 式中，；因，故有。

22、 根據(jù)上式(19)便可以總結(jié)出圖11所表達(dá)的等效電路。 圖7 面裝式PMSM矢量圖和相量圖 圖8 等效電路 3.3 電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程 其中電磁轉(zhuǎn)矩為： (20) 上式(20)同樣適用于表面安裝的永磁電動(dòng)機(jī)，磁場(chǎng)是由電動(dòng)機(jī)中的永磁體產(chǎn)生的。 上式(20)可以看出，當(dāng)和為固定值時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩只隨著角的變化而變化。如下圖，把這種關(guān)系稱為矩-角關(guān)系。將式(20)表示： (21) 圖9 te-β關(guān)系曲線 由上面式子(21)可以看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的大小將取決于磁場(chǎng)的大小， 可得正弦穩(wěn)態(tài)下電動(dòng)機(jī)的電磁功率為： (22) 式中，為內(nèi)功率因數(shù)角?；蛘? (23) 電磁轉(zhuǎn)矩為： (24

23、) 或者 (25) 由式(25)，可得： (26) 式(26)與式(20)一致。電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)中的電流的幅值的大小，磁通的大小以及角度的大小來(lái)控制。 3.4 面裝式三相永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制及控制系統(tǒng) 3.4.1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)矩控制 在dq軸坐標(biāo)系內(nèi)我們要想得到自己想要的電磁轉(zhuǎn)矩，那么就得控制的范圍即就是幅值還有它的相位，這些我們是通過(guò)這個(gè)（20）方程式看出來(lái)的。如圖13所示，目的也就是得到一定的電流分量，我們標(biāo)寫為還有，這兩個(gè)量是的兩個(gè)分量，這是在dq坐標(biāo)系內(nèi)通過(guò)由上面（20）方程式得到的[8]。 (27) 電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)矩是由電動(dòng)機(jī)中電流的分量決定

24、的。在電機(jī)中沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的電角度為。從，我們能把面裝式PMSM看成他勵(lì)直流型電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)，這主要是看這個(gè)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)所形成的角度。 圖10 面裝式PMSM轉(zhuǎn)矩控制() 圖11 等效他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) a) iq>0, id=0 b) iq=0, id＜0 ?? (fq) (fd) (fs) ? 圖12 靜止DQ軸系與同步旋轉(zhuǎn)dq軸系 3.4.2 坐標(biāo)變換 通過(guò)坐標(biāo)之間的相互轉(zhuǎn)化可得： (28) 式(28)所示坐標(biāo)變換的物理含義是將圖12中的DQ繞組變換為了具有dq軸線的換向器繞組。換向器是轉(zhuǎn)換控制的一個(gè)重要的元件，主要是把DQ系的定子繞組轉(zhuǎn)換到直流電機(jī)中。永磁

25、電動(dòng)機(jī)中的換向器和三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不僅形式，形狀差不多，而且其換向器的結(jié)構(gòu)，功能也沒(méi)有很大的差別。 要通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究，就必須進(jìn)行坐標(biāo)變換，用到的方法主要是在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下，將三相電流變化成兩相電流，具體為： (29) 于是，由式(28)和式(29)，靜止三相電流轉(zhuǎn)化到旋轉(zhuǎn)的兩相電流，其坐標(biāo)變換是： (30) 當(dāng)將靜止的三相電流直接變換到同步旋轉(zhuǎn)的兩相電流時(shí)，可以得出下式的(30)。 由上式的(30)可得： (31) 通過(guò)(31式子可以看出電動(dòng)機(jī)通過(guò)坐標(biāo)變化將三相電流轉(zhuǎn)變成了兩相電流。 3.5 FOC控制技術(shù)的思路 FOC（Field-Oriented Control）是

26、對(duì)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)指導(dǎo)的操縱，電磁轉(zhuǎn)矩可以看成是永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）中定子的勵(lì)磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁磁場(chǎng)互相疊加作用的結(jié)果[9]。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)矩是和電流成正比的，其公式是： (32) 通過(guò)上式(32)可以得出，轉(zhuǎn)矩是主要由兩大部分構(gòu)成的： ①永磁轉(zhuǎn)矩； ②磁矩轉(zhuǎn)矩 (33) 上面(33)表明，永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和是和電動(dòng)機(jī)的電流分量成正比。 通過(guò)(32)可以看出，永磁同步電機(jī)（PMSM）結(jié)構(gòu)的不同，造成有很多不一樣的控制方法。比如：的操控、的操控、最大轉(zhuǎn)矩或者電流的操控、恒磁鏈的操控、最大輸出功率操控和弱磁等操控，但是相比而言控制是最簡(jiǎn)單，最簡(jiǎn)潔，最易于觀察的一種，

27、所以接下來(lái)只是用來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行處理[10]。 在研究的時(shí)候，令，可以得出磁矩轉(zhuǎn)矩=0，便可以得出永磁同步電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)矩只和有關(guān)系，其表達(dá)式為，可以通過(guò)對(duì)這幾個(gè)變量的控制來(lái)達(dá)到對(duì)總轉(zhuǎn)矩的控制。 4 PMSM矢量控制系統(tǒng)的建模與仿真 作為永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制，其方案具有多種選擇，本文研究的是通過(guò)矢量控制的方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建立模型與仿真實(shí)驗(yàn)[11]。 4.1 Simulink軟件的簡(jiǎn)介 本文主要用到的軟件是MATLAB。對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的建模及其仿真是用到其中最基本的一個(gè)軟件SIMULINK。它是某公司在1990年代初期研發(fā)的軟件，屬于MATLAB軟件中的一種可以觀看的一種

28、仿真工具，同時(shí)也屬于MATLAB軟件的重要組成部分?！癝imulink”單從字面解釋是有兩層意思的，Simu是它能夠進(jìn)行系統(tǒng)仿真的意思，Link是它能夠進(jìn)行系統(tǒng)連接的意思。SIMULINK很普遍也很強(qiáng)大，能夠?qū)Ω鞣N系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真[12]。 Simulink軟件具有仿真速度快、各環(huán)節(jié)方程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。而且利用SIMULINK軟件對(duì)系統(tǒng)的建模和仿真是非常方便的，就像在紙上畫(huà)圖一樣簡(jiǎn)單。使用者能夠在電腦上，采用畫(huà)圖形的方法，很容易的就能夠構(gòu)建一個(gè)類似于實(shí)物運(yùn)行的模擬系統(tǒng)，之后，依據(jù)SIMULINK環(huán)境中的菜單，運(yùn)行系統(tǒng)的模擬過(guò)程，同時(shí)，可以隨時(shí)觀察仿真結(jié)果和整個(gè)仿真過(guò)程，實(shí)現(xiàn)FORTRA

29、N與mat lab、C或Simulink之間的數(shù)據(jù)傳輸。因此，熟練掌握SIMULINK軟件的使用方法，對(duì)用戶系統(tǒng)仿真的能力有著極大的提高，進(jìn)而提高工作效率。 SIMULINK軟件有著極其強(qiáng)大的功能，而且，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，其功能仍然在不斷地?cái)U(kuò)展，因?yàn)樗陌姹靖聯(lián)Q代較快，，當(dāng)你在掌握基本的仿真模塊后，可以再進(jìn)一步了解SIMULINK軟件的其他模塊，就會(huì)為工程設(shè)計(jì)帶來(lái)更加便捷的途徑。 總之，SIMULINK提供了便捷、快速的建模和仿真方法，很容易地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，在本論文中起重大作用[13]。 4.2 模型的假設(shè) 在建模之前，首先必須做出以下的規(guī)定和假設(shè)： ①忽視電動(dòng)機(jī)定子、

30、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不算電流造成的旋渦和磁滯損耗； ②令電導(dǎo)率=0； ③轉(zhuǎn)子上沒(méi)有阻尼繞組； ④電樞磁場(chǎng)均勻變化，分布規(guī)律明顯； ⑤為正弦波。 4.3 仿真模型的建立 MATLAB軟件中的SIMULINK是常用的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真工具，先在上文闡述介紹了SIMULINK仿真軟件，然后分別介紹了該模擬系統(tǒng)中要用到的模塊，最后對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制和系統(tǒng)建模，進(jìn)行最終的仿真和分析[14]。 圖13 PMSM矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的建立 4.4 系統(tǒng)模型的模塊 （1）轉(zhuǎn)速給定部分的模塊 如圖13的Speed Ref，即轉(zhuǎn)速給定模塊，使用的是SIMULINK中的常數(shù)模塊（Constant

31、）。轉(zhuǎn)速的單位是轉(zhuǎn)每分（r/min），圖中電角速度計(jì)算模塊（Gain）采用的是SIMULINK軟件中的增益模塊。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的電磁極對(duì)數(shù)是4，所以設(shè)置電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值為1500，通過(guò)Gain模塊進(jìn)行單位換算，把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成機(jī)械電角速度（弧度/秒）。 圖13 轉(zhuǎn)速給定部分 （2）PI模塊（比例積分）的結(jié)構(gòu) 比例積分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為圖14所示，調(diào)速系統(tǒng)在進(jìn)行轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制時(shí)，通過(guò)在轉(zhuǎn)速比例積分調(diào)節(jié)器中的比例模塊PI（Proportional）給定比例參數(shù),在積分模塊（Integrator）中設(shè)置積分參數(shù)。在調(diào)節(jié)的同時(shí)，設(shè)置其內(nèi)限幅（Internal Saturation）和外限幅（Outer Satu

32、ration）。 圖14 PI模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （3）CHBPWM逆變器模塊 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)連接圖如下圖15電流滯環(huán)脈沖寬度調(diào)節(jié)控制逆變器模塊CHBPWM（Current Hysteresis Band Pulse Width Modulation ）。當(dāng)把逆變器模塊封裝到一個(gè)子系統(tǒng)中時(shí)，此時(shí)模塊的輸入三相相電流給定值iref與三相相電流實(shí)際值iabc，輸出是三相相電壓。 圖15 CHBPWM逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊 三相中各相的比較模塊都是差不多的，比較模塊（compar）是通過(guò)對(duì)A相給定電流值和其A相實(shí)際電流值作比較來(lái)得出逆變器對(duì)外輸出的A相相電壓值，如下圖16。在傳遞函數(shù)模塊對(duì)相電流

33、進(jìn)行濾波的情況下濾去了A相反饋電流中存在干擾性的高次諧波。分擔(dān)電流滯環(huán)控制功能的是繼電器模塊（Relay1）模塊 。傳函的給定電流和工作時(shí)的測(cè)量電流是有很大的區(qū)別的。電動(dòng)機(jī)最終的轉(zhuǎn)出結(jié)果是相位電壓的相位。如圖17是該數(shù)值的給定對(duì)話框，其主要有四個(gè)給定值：開(kāi)斷（開(kāi)點(diǎn)），打開(kāi)輸入值（輸出時(shí)），關(guān)閉動(dòng)作值（關(guān)閉點(diǎn)），關(guān)閉輸入值（輸出）。此版塊的最終目的為：當(dāng)電流初始值高于其工作時(shí)的電流數(shù)值并且等于“開(kāi)通動(dòng)作值”，其電動(dòng)機(jī)的最終A相輸出電壓為155V; 當(dāng)初始值電流低于實(shí)際電流值的條件下，電動(dòng)機(jī)最終的輸出相電壓是-155v。 4.4 永磁同步電動(dòng)機(jī)的仿真結(jié)果 建立了仿真模型后,設(shè)置好永磁同步電機(jī)的

34、各個(gè)性能參數(shù)，進(jìn)行模擬運(yùn)行，如下圖18 圖18 三相交流波形的仿真 圖19 仿真的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩 選擇的轉(zhuǎn)速指定值為1500 r/min,獲得了轉(zhuǎn)速,定子電流,電磁轉(zhuǎn)矩等曲線。圖18可見(jiàn)得轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的三相交流波形、圖19分別為他們?cè)谄饎?dòng)過(guò)程中和仿真穩(wěn)定后，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到1500r/min，其轉(zhuǎn)矩也會(huì)穩(wěn)定到5Nm，通過(guò)以上仿真數(shù)據(jù)及其圖表可以看出，本文闡述的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)具有很好的靜態(tài)及其動(dòng)態(tài)特性[15]。 結(jié)論 永磁同步電動(dòng)機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor）矢量控制調(diào)速系統(tǒng)核心主要是利用永磁材料來(lái)給電動(dòng)機(jī)提供源源不斷的磁場(chǎng)，然

35、后通過(guò)坐標(biāo)變換，以及一系列的假設(shè)計(jì)算，建立一個(gè)模型。這樣就簡(jiǎn)化了系統(tǒng)裝置，即不需要?jiǎng)?lì)磁這個(gè)裝置了。在這種情況下整個(gè)系統(tǒng)的勵(lì)磁損耗就降低了許多，從而調(diào)速系統(tǒng)的許多性能得到了很大的改善，比如運(yùn)行功率提高、功率因數(shù)增大、系統(tǒng)設(shè)備的體積減小等等。 在這篇論文中，把三相異步電動(dòng)機(jī)作為核心，對(duì)其動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，接著運(yùn)用Simulink軟件，對(duì)論文的核心內(nèi)容永磁電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了建模與仿真的研究。另外，通過(guò)仿真結(jié)果的分析還可以知道，永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的穩(wěn)態(tài)電流為三相正弦對(duì)稱電流，與實(shí)際相符。進(jìn)而說(shuō)明異步電動(dòng)機(jī)仿真模型的正確性。 論文在深入分析的同時(shí)，借助于Simulink軟件對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)

36、行了建模和仿真。通過(guò)論文設(shè)計(jì)過(guò)程，能夠加強(qiáng)自己對(duì)永磁同步電機(jī)（PMSM）的原理和建模的深入理解，掌握了建模和仿真的方法，提高自己在永磁同步電機(jī)（PMSM）的控制方面的仿真能力，為掌握它在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛應(yīng)用，提供了更好的理論依據(jù)。 參考文獻(xiàn) [1] 吳東蘇.全數(shù)字化永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器的研究[J].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位,2002. [2] 馬小亮.大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制系統(tǒng).2版.機(jī)械工業(yè)出版社,1996. [3] 徐敏.淺談電動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)與維修[D].遼寧：大連電子學(xué)校,2012. [4] 彭鴻才.電機(jī)原理及拖動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1996. [5] 趙棟利.電

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