畢業(yè)設(shè)計(jì)--永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真的論文(外文翻譯)

1、<p>　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p>　　學(xué)院：電氣工程學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位：電氣工程系 </p><p>　學(xué)號(hào)xx學(xué)生姓名xx專 業(yè)班 級(jí)里仁應(yīng)電09-2</p><p>　題目題目名稱永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)分析仿真<

2、;/p><p>　題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）。2.文管類（ ）；3.外語(yǔ)類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）。</p><p>　題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）</p><p>　題目來(lái)源科研課題（ ）

3、 生產(chǎn)實(shí)際（ ）自選題目（ ） </p><p>　主要內(nèi)容1 查詢矢量控制控制的技術(shù)資料，閱讀消化理解工作原理。2 掌握永磁同步電機(jī)矢量控制控制的一般原理。3 根據(jù)以上原理，設(shè)計(jì)一個(gè)PMSM矢量控制系統(tǒng)，并給出仿真過(guò)程及結(jié)果。4 給出全部設(shè)計(jì)參數(shù)和圖紙。</p><p>　基本要求按電氣工程學(xué)院本科生學(xué)位論文撰寫規(guī)范的要求完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（不少于2.4萬(wàn)字），A0圖紙。說(shuō)明書及

4、插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形及文字符號(hào)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。</p><p>　參考資料1．矢量控制的相關(guān)文獻(xiàn)2．PMSM矢量控制的相關(guān)文獻(xiàn)3．工程設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)</p><p>　周 次1—4周5—8周9—11周12—15周16—17周</p><p>　應(yīng)完成的內(nèi)容查閱并消化理解資料，找出

5、主要問(wèn)題，確定主電路拓?fù)淞私夤ぷ髟恚O(shè)計(jì)、計(jì)算電路有關(guān)參數(shù)。利用仿真軟件進(jìn)行局部電路的仿真。給出全部工程圖紙和元器件表。撰寫論文畫圖、準(zhǔn)備答辯</p><p>　指導(dǎo)教師：xx職稱：副教授2012 年12 月 12日系級(jí)教學(xué)單位審批：年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　交流永磁同步電機(jī)由于無(wú)勵(lì)磁、損

6、耗小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及速度準(zhǔn)確恒定，近年來(lái)在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了永磁同步電機(jī)的分類以及我國(guó)可達(dá)到的最高水平和世界可達(dá)到的最高水平，主要進(jìn)行了永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究，其主要內(nèi)容如下：</p><p>　　本文首先介紹了永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型和坐標(biāo)變換的內(nèi)容之后，論文對(duì)電壓空間矢量(SVPWM)的原理、合成,扇區(qū)判斷,矢量作用時(shí)間，切換時(shí)間等進(jìn)行了詳細(xì)

7、的說(shuō)明。此外，在MATLAB中做出了實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量(SVPWM)的原理、合成,扇區(qū)判斷,矢量作用時(shí)間，切換時(shí)間功能的模塊，接著又建立了基于MATLAB的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的框圖。之后，選擇了合適的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)它得到了較好的仿真波形。最后，通過(guò)觀察電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)位置角波形、轉(zhuǎn)速波形和定子、轉(zhuǎn)子電流波形更好地控制了電機(jī)。本論文的仿真結(jié)果證明了采用基于的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式配合電壓矢量控制可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)的控

8、制。</p><p>　　關(guān)鍵詞　永磁同步電機(jī)；矢量控制；MATLAB；坐標(biāo)變換; PI調(diào)節(jié)器</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ac permanent magnet synchronous motor due to no excitation, low loss, high efficiency, s

9、imple structure and accurate constant speed, in recent years is widely applied in motion control field. Classification of permanent magnet synchronous motor were introduced in this paper, and can achieve the highest leve

10、l in our country and the world can reach the highest level, mainly for the permanent magnet synchronous motor vector control system of research, its main content is as follows: </p><p>　　Switching time and s

11、o on were carried on the detailed description. In addition, the realization of the principle of voltage space vector (SVPWM), synthetic, sector, vector effect time, switching time module in MATLAB to make by me. Then a p

12、ermanent magnet synchronous motor vector control system based on MATLAB block diagram was success established by me. Later, suitable PI controller parameters were chosen by me. Simulation waveform is good by adjusting th

13、e parameter of PI regulator. Finally, th</p><p>　　Key words: permanent magnet synchronous motor; Vector control; Matlab; Coordinate transformation; PI tuning</p><p><b>　　目 錄</b></

14、p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2永磁同步電機(jī)1</p><p>　　1.2.1

15、永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)外永磁同步電機(jī)的發(fā)展情況3</p><p>　　1.3永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)5</p><p>　　1.4 MATLAB仿真系統(tǒng)6</p><p>　　1.4.1 MATLAB簡(jiǎn)介6</p><p>　　1.4.1 MATLAB發(fā)展?fàn)顩r10</p

16、><p>　　1.5本章小結(jié)12</p><p>　　第2章 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理13</p><p>　　2.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型13</p><p>　　2.2電壓空間矢量控制（SVPWM）15</p><p>　　2.2.1空間矢量的定義16</p><p>　　2

17、.2.2 SVPWM的原理17</p><p>　　2.2.3 SVPWM的合成20</p><p>　　2.2.4 SVPWM的扇區(qū)判斷22</p><p>　　2.2.5 七段式SVPWM的實(shí)現(xiàn)22</p><p>　　2.3本章小結(jié)23</p><p>　　第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機(jī)

18、矢量控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.1基于MATLAB 的SVPWM 仿真25</p><p>　　3.1.1 扇區(qū)判斷部分的Simulink框圖25</p><p>　　3.1.2 參數(shù)X ,Y ,Z 形成的Simulink框圖26</p><p>　　3.1.3 矢量作用時(shí)間的Simulink框圖26<

19、/p><p>　　3.1.4 扇區(qū)比較值Simulink框圖27</p><p>　　3.2本章小結(jié)28</p><p>　　第4章參數(shù)計(jì)算29</p><p>　　4.1調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.1.1 常規(guī)PI控制器的設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.1.2 PI控

20、制器的參數(shù)設(shè)定31</p><p>　　4.2本章小結(jié)34</p><p>　　第5章 仿真結(jié)果與分析35</p><p>　　5.1仿真分析35</p><p>　　5.2本章小結(jié)39</p><p><b>　　結(jié)論40</b></p><p><b&

21、gt;　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致謝44</b></p><p>　　附錄1 開(kāi)題報(bào)告45</p><p>　　附錄2 文獻(xiàn)綜述50</p><p>　　附錄3 中期報(bào)告54</p><p>　　附錄3 中文譯文59</p><

22、;p>　　附錄5 外文原文68</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，以永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的跨進(jìn)。以DSP為核心的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，

23、由于其控制靈活，智能化水平高，參數(shù)易修改，便于分布式控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢(shì)。由于調(diào)速控制技術(shù)是決定交流調(diào)速系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，所以這也是國(guó)外交流調(diào)速技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國(guó)內(nèi)交流調(diào)速使用的電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的調(diào)速控制技術(shù)已成為制約我國(guó)高性能交流調(diào)速技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。所以，雖然國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究非?；钴S，但是在產(chǎn)業(yè)化方面仍然不是很理想，市場(chǎng)的大部分還是被國(guó)外公

24、司所占據(jù)，為了加快國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，就需要對(duì)國(guó)際變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)全面的了解和學(xué)習(xí)，并且有所創(chuàng)新。因此研究高性能交流調(diào)速控制技術(shù)，特別是最具應(yīng)用前景的永磁同步電機(jī)調(diào)速控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　1.2永磁同步電機(jī)</b></p><p>　　1.2.1永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　

25、　永磁（PM）電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比、功率密度高、效率和功率因數(shù)高的特點(diǎn),因此在工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。永磁電機(jī)分為無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）[1]。其中BLDC通常具有方波反電動(dòng)勢(shì)波形。方波反電動(dòng)勢(shì)由定子集中繞組和方波充磁的表面磁鐵產(chǎn)生。因?yàn)槠浞讲ㄐ螤畹姆措妱?dòng)勢(shì)，所以轉(zhuǎn)子位置的測(cè)量可以非常方便地利用反電動(dòng)勢(shì)得到，并且其控制方式也非常的簡(jiǎn)單。但是簡(jiǎn)單的逆變器控制導(dǎo)致了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生。BLDC通常用

26、于小型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)硬盤，壓縮機(jī)和風(fēng)扇中。因?yàn)槊}動(dòng)轉(zhuǎn)矩的存在，BLDC一般不太適合于高性能要求的驅(qū)動(dòng)。PMSM與BLDC的不同僅在于控制策略和激勵(lì)電壓的方式。在PMSM中，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的形狀基本是正弦的，其正弦的純度取決于永磁材料充磁的質(zhì)量。如果永磁鐵在轉(zhuǎn)子中的放置正確，理想正弦的氣隙密度是可以得到的。因?yàn)閷?shí)際上定子繞組不會(huì)精確正弦分布，因此其氣隙密度也只能是近似正弦。</p><p>　　圖1.1 P

27、MSM 的不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)</p><p>　?。╝）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式</p><p>　　圖1.1PMSM的不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（a）面貼式；（b）插入式；（c）內(nèi)嵌式</p><p>　　PMSM電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和永磁體的安裝方法對(duì)電機(jī)的性能影響很大。圖1.1顯示了PMSM的三種基本的結(jié)構(gòu)。面貼式永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在工業(yè)上得到了廣泛

28、應(yīng)用。此外，這種類型的電機(jī)易于優(yōu)化設(shè)計(jì)，可將氣隙磁場(chǎng)設(shè)計(jì)成近似正弦分布，從而減小磁場(chǎng)諧波及其負(fù)面效應(yīng)，提高電機(jī)的運(yùn)行性能。插入式永磁同步電機(jī)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度，使得電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能較面貼式有所改善，制造也較方便，所以常被傳動(dòng)系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)采用，但是漏磁系數(shù)和制造成本較面貼式都大。內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，能有效地避免永磁失磁，采用內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)動(dòng)、靜態(tài)性能

29、好，廣泛應(yīng)用在動(dòng)態(tài)性能要求高的交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子漏磁系數(shù)較大。對(duì)于采用稀土永磁材料的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近，所以,面貼式永磁同步電機(jī)在電磁性能上屬于隱極永磁同步電機(jī)而插入式永磁同步電機(jī)相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極永磁同步電機(jī)，內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)在電磁性能上也屬于凸極永磁同步電機(jī)，且凸極率更高。</p><p>　　1.2.2國(guó)內(nèi)外永磁同步電機(jī)的發(fā)

30、展情況</p><p>　　永磁同步電機(jī)的發(fā)展和永磁材料的發(fā)展息息相關(guān)。新型永磁材料的出現(xiàn)極大促進(jìn)了永磁同步電機(jī)的發(fā)展。二十世紀(jì)八十年代釹鐵硼稀土永磁材料問(wèn)世,由于釹資源豐富,以廉價(jià)的鐵取代昂貴的鈷,價(jià)格較為低廉。釹鐵硼稀土永磁材料磁性能好,大大地推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)[2]。</p><p>　　我國(guó)十分重視釹鐵硼永磁電機(jī)的研究開(kāi)發(fā),并列入了國(guó)家“863”攻關(guān)計(jì)劃。經(jīng)過(guò)多年的研究開(kāi)發(fā),

31、取得了豐碩成果,開(kāi)發(fā)了5種類型22個(gè)典型規(guī)格的高性能永磁同步電機(jī)樣機(jī)。</p><p>　　1)3種典型規(guī)格的高效、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)樣機(jī),成功地解決了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高、節(jié)能效果好、高溫不退磁和成本合理這4項(xiàng)互相制約的巨大矛盾。</p><p>　　2)化纖機(jī)械用高效高牽入同步釹鐵硼永磁同步電機(jī)(6個(gè)規(guī)格)。與現(xiàn)有電機(jī)相比,所開(kāi)發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)、效率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有不同程度的提高,失步轉(zhuǎn)矩

32、是原有的3159倍,牽入轉(zhuǎn)矩提高了3倍。</p><p>　　3)機(jī)床主軸用715kW高恒功率調(diào)速比釹鐵硼永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用釹鐵硼永磁材料開(kāi)發(fā)的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍為0.4r/min～9000r/min(國(guó)內(nèi)同規(guī)格的主軸感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍僅為8r/min～8000r/min),恒功率調(diào)速比達(dá)到1:6。</p><p>　　4)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用釹鐵

33、硼永磁材料開(kāi)發(fā)的715kW輕微型電動(dòng)客車用永磁同步電機(jī)系統(tǒng),電機(jī)重量為45kg,磁體用量為0.92kg,額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)5500r/min。樣機(jī)系統(tǒng)整體額定效率達(dá)89.1%,1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.74N·m/kg(風(fēng)冷),15min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.123N·m/kg(日本AISIMAW樣機(jī)1h持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為0.78N·m/kg)(油冷),15min持續(xù)轉(zhuǎn)矩密度為1.178N

34、83;m/kg。</p><p>　　5)高起動(dòng)能力釹鐵硼永磁起動(dòng)機(jī)電機(jī)(4個(gè)規(guī)格樣機(jī))。以此所開(kāi)發(fā)的電機(jī)把原來(lái)永磁磁極的一部分換為廉價(jià)的軟鐵輔助磁極,節(jié)省釹鐵硼永磁材料約30%。</p><p>　　自從20世紀(jì)80年代后期以來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)作為工業(yè)設(shè)備的主要驅(qū)動(dòng)源之一的調(diào)速系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求，研究和發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外廣大學(xué)者的共識(shí)。近年國(guó)內(nèi)外廣大

35、學(xué)者從提高系統(tǒng)以“硬形式”存在的包含PMSM、逆變器、檢測(cè)元件等在內(nèi)的性能和以“軟形式”存在的控制策略的角度著手以提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)性能作了大量的研究和探索，并取得相應(yīng)的成果：</p><p>　　(1)采用了卡爾曼濾波法估計(jì)PMSM的轉(zhuǎn)子位置實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的“無(wú)傳感器化”。</p><p>　　(2)采用高性能的永磁材料和加工技術(shù)改進(jìn)PMSM轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和性能，以便通過(guò)消除削弱因齒槽轉(zhuǎn)

36、矩所造成的PMSM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　(3)采用基于現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的具有較強(qiáng)魯棒性能的滑?？刂撇呗砸蕴岣呦到y(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的自適應(yīng)能力。</p><p>　　(4)在傳統(tǒng)PID控制基礎(chǔ)上引入非線性和自適應(yīng)設(shè)計(jì)方法以提高調(diào)速系統(tǒng)對(duì)非線性負(fù)載類的調(diào)節(jié)和自適應(yīng)能力。</p><p>　　對(duì)于發(fā)展高性能PMSM調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于在一定條件下，作為

37、“硬形式”存在的PMSM、逆變器及相應(yīng)反饋檢測(cè)裝置等性能的提高受到許多客觀因素的制約;然而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來(lái)隨著控制理論新的發(fā)展，尤其是智能控制的興起和不斷成熟，加之計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)所需要用的微處理器的性能不斷提高，特別是DSP的出現(xiàn)，為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用先進(jìn)的控制理論以及復(fù)雜的控制算法提供了有力的支持，同時(shí)也使得模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中在線實(shí)

38、時(shí)的應(yīng)用成為可能，使得基于智能控制理論為基礎(chǔ)的先進(jìn)控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論(含現(xiàn)代控制理論)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實(shí)現(xiàn)，并為其實(shí)際應(yīng)用奠定了相應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，結(jié)合控制理論新的發(fā)展，以通過(guò)改進(jìn)控制策略的角度著手以提高控制器性能進(jìn)而提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)性能已日漸成為國(guó)內(nèi)外廣大同仁熱衷采用的手段和研究的焦點(diǎn)之一。</p><p>　　縱觀永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)主要采用的基本

39、控制策略主要為恒壓頻比控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩(DTC)控制[3]。矢量控制的思想源自于交流電機(jī)對(duì)直流電機(jī)控制的嚴(yán)格模擬。由于永磁同步電機(jī)自身具有比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更為優(yōu)越的性能，而且其坐標(biāo)變換算法相對(duì)簡(jiǎn)單、電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測(cè)，因此交流調(diào)速的矢量控制理論在永磁同步電機(jī)的控制領(lǐng)域也得到了同樣的重視。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過(guò)控制電流、磁鏈等量來(lái)間接控制轉(zhuǎn)矩，其基本思想是在準(zhǔn)確觀測(cè)定子磁鏈的空間位置和大小并保持其幅值基本恒定以

40、及準(zhǔn)確計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩的條件下，通過(guò)控制電機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓來(lái)控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，來(lái)改變它對(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差率，達(dá)到直接控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目的[3]。兩種方案各有自己的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，如何確定它們各自最佳的應(yīng)用場(chǎng)合，最大限度地發(fā)掘交流變頻調(diào)速技術(shù)在不同領(lǐng)域應(yīng)用中的潛力有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。在基本控制策略的基礎(chǔ)上國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度著手進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，尤其是在近幾年圍繞提高PMSM控制性能、降低成本在調(diào)速系統(tǒng)控制策略上作了

41、大膽的探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有</p><p>　　1.3永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)</p><p>　　在七十年代提出的矢量控制理論其基本思想是在普通的三相交流電動(dòng)機(jī)上設(shè)法模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩個(gè)分量互相垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]。這樣交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，從

42、原理和特性上就和直流電動(dòng)機(jī)相似了。因此矢量控制的關(guān)鍵仍是對(duì)電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。</p><p>　　矢量控制的最終目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施依然是落實(shí)到對(duì)定子電流（交流量）的控制上[7]。由于在定子側(cè)的各個(gè)物理量，例如電壓、電流、電動(dòng)勢(shì)、磁動(dòng)勢(shì)等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不是很方便。所以就需要借助于坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

43、到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，電動(dòng)機(jī)的各個(gè)空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個(gè)空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控量的各個(gè)分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值，即直流給定量[8]。按照這些計(jì)算量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，就可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，所以還必須再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)的逆變換過(guò)程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)

44、系，把上述的直流給定量變化成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值[9]。</p><p>　　永磁同步電機(jī)矢量控制的實(shí)質(zhì)是通過(guò)對(duì)定子電流的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí)，在定子電流給定的情況下，控制，可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩就隨著的變化而變化。所以控制系統(tǒng)只要控制大小就能控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)矢量控制。但是轉(zhuǎn)速在基速以上時(shí)，因?yàn)橛谰么盆F的勵(lì)

45、磁磁鏈為常數(shù)，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成比例增加。電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓也跟著提高，然而又要受到與電機(jī)端相連的逆變器的電壓上限的限制，所以必須進(jìn)行弱磁升速。通過(guò)控制來(lái)控制磁鏈，通過(guò)控制來(lái)控制轉(zhuǎn)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制。</p><p>　　永磁同步電機(jī)矢量控制是很容易實(shí)現(xiàn)的，只要使實(shí)際的與給定的相等，也就滿足了實(shí)際控制的需要。因?yàn)樵趯?shí)際控制中，向電機(jī)定子注入的和從定子檢測(cè)的電流都不是而是三相電流，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)變化[10

46、]。又因?yàn)樽鴺?biāo)系是定義在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，所以要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變化必須在控制中實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 </p><p>　　1.4 MATLAB仿真系統(tǒng)</p><p>　　1.4.1 MATLAB簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可

47、視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　MATLAB和Mathematica、Maple、MathCAD并稱為四大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)

48、值計(jì)算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了

49、像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對(duì)C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫(kù)中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛(ài)好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。</p><p>　　MATLAB主要具有以下一些特點(diǎn)</p><p>　　1) 高效的數(shù)值

50、計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來(lái)；</p><p>　　2) 具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；</p><p>　　3) 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；</p><p>　　4) 功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等) ，為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。</p

51、><p>　　同時(shí)與其他一些仿真軟件相比還具有許多優(yōu)勢(shì)，在下文中列出一些</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越

52、精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。</p><p>　　MATLAB是一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸

53、入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C++語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C++語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。</p><p>　　MATLAB是一個(gè)包

54、含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)

55、算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。</p><p>　　MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖。可用于科學(xué)計(jì)算和工

56、程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI

57、）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。</p><p>　　MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開(kāi)發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波

58、分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。</p><p>　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行

59、的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。</p>

60、<p>　　在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。</p><p>　　MATLAB系統(tǒng)由MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境、MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)、MATLAB語(yǔ)言、MATLAB圖形處理系統(tǒng)和MATLAB應(yīng)用程序接口（API）五大部分構(gòu)成

61、。</p><p>　　MATLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境是一套方便用戶使用的MATLAB函數(shù)和文件工具集，其中許多工具是圖形化用戶接口。它是一個(gè)集成的 用戶工作空間，允許用戶輸入輸出數(shù)據(jù)，并提供了M文件的集成編譯和調(diào)試環(huán)境，包括MATLAB桌面、命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間和在線幫助文檔。MATLAB數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)包括了大量的計(jì)算算法。從基本算法如加法、正弦，到復(fù)雜算法如矩陣求逆、快速傅里葉變換等。MATLA

62、B語(yǔ)言是一種高級(jí)的基于矩陣/數(shù)組的語(yǔ)言，它有程序流控制、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出和面向?qū)ο缶幊痰忍厣?。圖形處理系統(tǒng)使得MATLAB能方便的圖形化顯示向量和矩陣，而且能對(duì)圖形添加標(biāo)注和打印。它包括強(qiáng)大的二維三維圖形函數(shù)、圖像處理和動(dòng)畫顯示等函數(shù)。MATLAB應(yīng)用程序接口（API）是一個(gè)使MATLAB語(yǔ)言能與C、Fortran等其它高級(jí)編程語(yǔ)言進(jìn)行交互的函數(shù)庫(kù)。該函數(shù)庫(kù)的函數(shù)通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）實(shí)現(xiàn)與MATLAB文件的數(shù)據(jù)交換，其

63、主要功能包括在MATLAB中調(diào)用C和Fortran程序，以及在MATLAB與其它應(yīng)用程序間建立客戶、服務(wù)器關(guān)系。</p><p>　　1.4.1 MATLAB發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　重新設(shè)計(jì)PC機(jī)，提供更容易管理的多份資料的，使數(shù)字，那些用戶布局能以快捷方式對(duì)通常使用命令,達(dá)到更容易的觀看，編輯，以及你的變量陣列編輯器和工作區(qū)瀏覽器當(dāng)前目錄瀏覽器工具，讓你從效率，從屬性和代碼新的報(bào)導(dǎo)

64、掃描你的代碼分析器幫助你為最大的性能和可修改性修改你的代碼,提高編輯，包括執(zhí)行M 代碼的個(gè)別的部分的能力，對(duì)多形式和最精彩場(chǎng)面HTML，C/C++和Java出版。</p><p>　　在命令行或者在手稿里確定單個(gè)行的函數(shù)的匿名的函數(shù)。當(dāng)任何表示是真實(shí)的時(shí)，有條件的休息點(diǎn)，讓你停止。塊意見(jiàn)出于記分員可發(fā)表意見(jiàn)的一個(gè)代碼的整個(gè)部分。數(shù)學(xué)整數(shù)算術(shù)，讓你處理更大的整數(shù)數(shù)據(jù)集合。單精度運(yùn)算，線性代數(shù)，F(xiàn)FT和過(guò)濾，使你能夠

65、處理更大的單精度數(shù)據(jù)集合。更堅(jiān)固的計(jì)算幾何學(xué)程序使用Qhull.1，給更大的對(duì)算法選擇的控制。linsolve 功能，使你能夠迅速通過(guò)指定系數(shù)的基體的結(jié)構(gòu)解決線性方程序的系統(tǒng)和multipoint邊值問(wèn)題。</p><p>　　MATLAB 產(chǎn)品系列重要功能</p><p>　　·MATLAB®: MATLAB 語(yǔ)言的單元測(cè)試框架</p><p>

66、;　　·Trading Toolbox?: 一款用于訪問(wèn)價(jià)格并將訂單發(fā)送到交易系統(tǒng)的新產(chǎn)品</p><p>　　·Financial Instruments Toolbox?: 赫爾-懷特、線性高斯和 LIBOR 市場(chǎng)模型的校準(zhǔn)和 Monte Carlo 仿真</p><p>　　·Image Processing Toolbox?: 使用有效輪廓進(jìn)行圖像分割

67、、對(duì) 10 個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn) C 代碼生成，對(duì) 11 個(gè)函數(shù)使用 GPU 加速</p><p>　　·Image Acquisition Toolbox?: 提供了用于采集圖像、深度圖和框架數(shù)據(jù)的 Kinect® for Windows®傳感器支持</p><p>　　·Statistics Toolbox?: 用于二進(jìn)制分類的支持向量機(jī) (SVM)、用于

68、缺失數(shù)據(jù)的 PCA 算法和 Anderson-Darling 擬合優(yōu)度檢驗(yàn)</p><p>　　·Data Acquisition Toolbox?: 為 Digilent Analog Discovery Design Kit 提供了支持包</p><p>　　·Vehicle Network Toolbox?: 為訪問(wèn) CAN 總線上的 ECU 提供 XCP 支持&

69、lt;/p><p>　　Simulink 產(chǎn)品系列重要功能</p><p>　　·Simulink®: Simulation Performance Advisor，鏈接庫(kù)模塊的封裝，以及通過(guò)邏輯表達(dá)式控制有效變量</p><p>　　·Simulink: 除 LEGO® MINDSTORMS® NXT、Arduino&

70、#174;、Pandaboard 和 Beagleboard 外，還為 Raspberry Pi? 和 Gumstix® Overo® 硬件提供了內(nèi)置支持</p><p>　　·SimRF?: 針對(duì)快速仿真和模型加載時(shí)間的電路包絡(luò)求解器</p><p>　　·SimMechanics?: 發(fā)布了用于從 CAD 和其他系統(tǒng)導(dǎo)入模型的 XML 架構(gòu)<

71、;/p><p>　　·Simulink Design Verifier?: 數(shù)組超出邊界檢查</p><p>　　MATLAB 和 Simulink 的系統(tǒng)工具箱</p><p>　　·Communications System Toolbox?: Sphere 解碼器和 Constellation 框圖系統(tǒng)對(duì)象</p><p&g

72、t;　　·Computer Vision System Toolbox?: Viola-Jones 對(duì)象檢測(cè)培訓(xùn)，F(xiàn)REAK 特征提取和其他新函數(shù)</p><p>　　·DSP System Toolbox?: 頻譜分析儀和邏輯分析示波器，以及時(shí)域示波器的觸發(fā)</p><p>　　·Phased Array System Toolbox?: 極化支持、數(shù)組錐化

73、以及針對(duì)傳感器數(shù)組分析、波形分析和雷達(dá)方程計(jì)算的應(yīng)用程序</p><p><b>　　代碼生成和實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　·Simulink Coder?: 減少了從 Stateflow® 調(diào)用的 Simulink 函數(shù)的數(shù)據(jù)副本</p><p>　　·Fixed-Point Designer?: 一款結(jié)合

74、了 Fixed-Point Toolbox? 和 Simulink Fixed Point? 功能的新產(chǎn)品</p><p>　　·HDL Verifier?: 從 MATLAB 生成 HDL 測(cè)試工作臺(tái)</p><p><b>　　1.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了本課題基于的背景和同步電機(jī)的分裂以及各種電機(jī)所

75、達(dá)到的最高水平，同時(shí)介紹了矢量控制的基本原理，在最后列出了本課題的一些基本內(nèi)容。</p><p>　　第2章 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理</p><p>　　2.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　本系統(tǒng)采用的電機(jī)是凸極面貼式永磁同步電機(jī)，其物理模型如圖2.1 所示，其中為永磁磁極產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈，是轉(zhuǎn)子磁鏈與定子A 相繞組軸線之間的電角度。

76、</p><p>　　永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其定子與轉(zhuǎn)子處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，永磁磁極與定子繞組，定子繞組與轉(zhuǎn)子之間的相互影響，導(dǎo)致永磁同步電機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，給建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型帶來(lái)了很大的困難[11]。為了簡(jiǎn)化永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，我們做以下假設(shè)：</p><p>　　1）忽略電機(jī)磁路中鐵心的磁飽和；</p><p>　　2）不計(jì)鐵心

77、的渦流損耗與磁滯損耗；</p><p>　　3）定子電樞繞組的空載電勢(shì)是正弦波；</p><p>　　4）轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組；</p><p>　　5）永磁材料的電導(dǎo)率為零。</p><p>　　永磁同步電機(jī)矢量控制中要用到的坐標(biāo)系分為兩大類：一類是靜止坐標(biāo)系，包括三相A、B、C 坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系；另一類是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，常用的是兩相坐標(biāo)系。&l

78、t;/p><p>　　在功率不變的條件下，可以將永磁同步電機(jī)的各個(gè)物理量在靜止的三相A、B、C 坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)的兩相 坐標(biāo)系之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，所用到的變換公式為</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　其逆變換為</b></p><p><b>　　(2-2)

79、</b></p><p>　　式中， 為電機(jī)的零序電流分量。因永磁同步電機(jī)的中心點(diǎn)不接地，所以有</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　為簡(jiǎn)化分析、降低方程系數(shù)，本文采用基于d ?q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈方程和電壓方程可分別表示為：</p><

80、;p><b>　　(2-4)</b></p><p>　?。?(2-5) </p><p>　　式和分別為定子電流、電壓和磁鏈在軸和中 、、、、軸上的分量； 和分別為直軸同步電感和交軸同步電感；為電機(jī)電角速度且（ 為電機(jī)極對(duì)數(shù)， 為電機(jī)機(jī)械角速度）； 為微分操作數(shù)，且； 表示定子電阻。</p><p>　　由上面的公

81、式可以推導(dǎo)出：</p><p><b>　　1、電壓方程</b></p><p><b>　　（2-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　2、磁鏈方程</b></p><p>&l

82、t;b>　　(2-8)</b></p><p>　　式中， ,是永磁磁極產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈。</p><p><b>　　3、轉(zhuǎn)矩方程</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中，為轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)。</p>&l

83、t;p><b>　　4、運(yùn)動(dòng)方程</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　2.2電壓空間矢量控制（SVPWM） </p><p>　　傳統(tǒng)的SPWM 的控制目的是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波，但是忽略了電流波形。然而，我們控制電機(jī)的最終目的是產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電

84、磁轉(zhuǎn)矩。根據(jù)這一目標(biāo)，把逆變器和交流電機(jī)視為一個(gè)整體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制逆變器工作，這種控制方法稱為磁鏈跟蹤控制，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，又稱電壓空間矢量PWM 控制。</p><p>　　SVPWM 控制模式具有以下一些特點(diǎn)[11]：</p><p>　　1）逆變器的一個(gè)工作周期內(nèi)分成6 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)相當(dāng)于常規(guī)六拍逆變器的一拍。為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)逼近圓形

85、，每個(gè)扇區(qū)再分成若干個(gè)小區(qū)間。越短，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)越接近圓形，但的縮短受到功率開(kāi)關(guān)器件所允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。</p><p>　　2）在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)雖有多次開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只涉及一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，因而開(kāi)關(guān)損耗較小。</p><p>　　3）每個(gè)小區(qū)間均以零電壓矢量開(kāi)始，又以零電壓矢量結(jié)束。</p><p>　　4）利用電壓空間矢量直接生成三相PWM 波，計(jì)算簡(jiǎn)

86、便。</p><p>　　5）采用SVPWM 控制時(shí)，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的SPWM 逆變器輸出電壓提高了15%。</p><p>　　2.2.1空間矢量的定義</p><p>　　電壓空間矢量是按照繞組所加電壓的空間位置來(lái)定義的。為電角度互差120°的三相電壓，其矢量相加的空間合成矢量是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量，并且幅值不變，是相電

87、壓的3/2 倍[11]。在電源頻率不變條件下，合成的電壓矢量以電源角頻率為電氣角度作恒速旋轉(zhuǎn)。某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量就落在該相軸線上。</p><p>　　當(dāng)交流電機(jī)由理想的三相正弦電源供電時(shí)，有</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中， 為電源線電壓的有效值；為電源相電壓的有效值；為電源電壓的角

88、頻率,。</p><p>　　由于三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組矢量空間上互差分布，定義電壓空間矢量為</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中， 為電壓空間矢量，考慮到不同的變換，k 可以取不同的值，如果功率不變，則電壓電流幅值不變等。</p><p>　　為使合成空間矢量在靜止三相坐標(biāo)軸上

89、的投影和分矢量相等，可以將k 值取為2/3，（這也是Park 變化所采用的系數(shù)）。所以電壓空間矢量可以表示為</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　將（2.11）式中的值代入式（2.13）可得理想電壓下電壓空間矢量</p><p><b>　?。?-14）</b></p>&l

90、t;p>　　式中， ； 可見(jiàn)理供電情況下，合成磁鏈空間矢量為幅值不變的圓形旋轉(zhuǎn)矢量。與電壓空間矢量相類似，定義磁鏈空間矢量為</p><p><b>　　（2-15）</b></p><p>　　式中， 為磁鏈空間矢量，分別為電機(jī)三相磁鏈?zhǔn)噶康哪Ｖ怠?lt;/p><p>　　2.2.2 SVPWM的原理</p><p&g

91、t;　　圖2.2 中六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件都以開(kāi)關(guān)符號(hào)代替，其中的逆變器采用上、下管縱向換流，功率開(kāi)關(guān)器件共有8 種工作狀態(tài)，如把上橋臂器件導(dǎo)通用 “1”表示，下橋臂器件導(dǎo)通用 “0”表示，則8 種狀態(tài)按照ABC 相序依次排列時(shí)可分別表示為100，110，010，011，001，101 以及111 和000。同時(shí)也就構(gòu)成了八種電壓空間矢量, , , , , , , ,圖2.3 所示。</p><p>　　圖2.2

92、三相逆變器-異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖</p><p>　　圖2.3 基本電壓空間矢量</p><p>　　如圖2.3 所示，除了2 個(gè)零矢量之外，其余6 個(gè)非零矢量均勻地分布在復(fù)平面上。如圖2.4，這6 個(gè)模為 的矢量將復(fù)平面分為6 個(gè)扇區(qū)，對(duì)于任意扇區(qū)的空間矢量都是由該扇區(qū)兩邊的電壓空間矢量合成的。如果 在復(fù)平面上旋轉(zhuǎn)，就得到了三相對(duì)稱的正弦量[6]。但是受到開(kāi)關(guān)頻率和適量組合的

93、限制， 只能以某一速度旋轉(zhuǎn)，從而使矢量軌跡為一個(gè)類似圓形的多邊形軌跡，當(dāng)PWM 的開(kāi)關(guān)頻率越高，就軌跡越接近圓形。</p><p>　　圖2.4 空間矢量的扇區(qū)分布</p><p>　　對(duì)于每一個(gè)電壓空間矢量，可由圖2.4 求出各相的電壓值，再將各相的電壓值代入，可以求得電壓空間矢量的位置。下面以開(kāi)關(guān)狀態(tài)為例，即開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其余關(guān)斷。逆變電路的形式可以變?yōu)锽 相和C 相并聯(lián)后再和A 相串聯(lián)

94、的形式，易得 </p><p>　　。將其數(shù)值代入，可得</p><p><b>　　。</b></p><p>　　采用同樣的方法可以得到如表2.1所示的逆變器空間電壓矢量。</p><p>　　表2.1 不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的空間矢量表</p><p>　　2.2.3 SVPWM的合成</p

95、><p>　　如圖2.4 所示，如果在III 區(qū)，就可以通過(guò) 來(lái)合成，根據(jù)矢量合成法則有：</p><p><b>　　(2-16)</b></p><p>　　式中，為矢量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的持續(xù)作用時(shí)間；T 為PWM 開(kāi)關(guān)周期。為零矢量的作用時(shí)間，則：</p><p><b>　　(2-17)

96、</b></p><p><b>　　(2-18)</b></p><p><b>　　在平面中，</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　　(2-20)</b></p><p&g

97、t;　　(2-21) </p><p>　　由式（2.19）、式（2.20）、式（2.21）得：</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　當(dāng)合成矢量位于其他扇區(qū)時(shí)，亦可以通過(guò)以上算法計(jì)算出相鄰兩個(gè)矢量的作用時(shí)間，依據(jù)以上算法不難發(fā)

98、現(xiàn)，無(wú)論在哪個(gè)扇區(qū)，矢量作用時(shí)間都是一些固定值的組合。所以定義三個(gè)基本的時(shí)間變量。</p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　假如每個(gè)扇區(qū)的矢量作用時(shí)間按照矢量標(biāo)號(hào)順序從小到大依次為,則可以得六個(gè)扇區(qū)的矢量作用時(shí)間，如表2.2 所示。</p><p>　　表2.2 每個(gè)扇區(qū)矢量和X ,Y ,Z 的關(guān)系作用時(shí)間1 2

99、T ,T </p><p>　　在實(shí)際過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)若給定電壓過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)制現(xiàn)象，即,對(duì)此，過(guò)調(diào)制時(shí)，我們采用式（2.24）對(duì), 進(jìn)行調(diào)整。</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　,為調(diào)整后的矢量作用時(shí)間。</p><p>　　2.2.4 SVPWM的扇區(qū)判斷</p>

100、<p>　　如圖2.4 所示，可以采用下面的公式來(lái)對(duì)扇區(qū)進(jìn)行判斷，在扇區(qū)判斷時(shí)，引入三個(gè)變量A、B、C：</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　設(shè)電壓空間矢量所在的扇區(qū)位置為N ,則N = 4C + 2B + A由此，我們可以得到扇區(qū)判斷表，如表2.3 所示</p><p>　　表2.3 電壓空間矢量扇

101、區(qū)判斷表</p><p>　　2.2.5 七段式SVPWM的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　由于每個(gè)PWM 周期被分為七段，所以每個(gè)矢量作用時(shí)間也有所調(diào)整，這里， 引入三個(gè)時(shí)間變量,，并定義</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p>　　在六個(gè)扇區(qū)中由于作用的矢量不同所以

102、輸出PWM 的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻也不同，但都要滿足每個(gè)周期每個(gè)開(kāi)關(guān)最多動(dòng)作兩次的原則[5]。在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)的比較值如表2.3 所示，這就是比較單元的值。這樣利用三個(gè)比較寄存器CMP1,CMP2,CMP3 和定時(shí)器就可以實(shí)現(xiàn)七段SVPWM，具體流程如下，將表2.4 中的比較值送入比較寄存器，讓計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，從0 增加到T / 2，再?gòu)腡 / 2減小到0，同時(shí)將計(jì)數(shù)器的值和比較寄存器的值相比較，遵循以下規(guī)則：</p><p&g

103、t;　　若Tcm1<,則PWM1=1 否則PWM1=0</p><p>　　若Tcm2<,則PWM3=1 否則PWM3=0</p><p>　　若Tcm3<，則PWM5=1 否則PWM5=0</p><p>　　而PWM2，PWM4，PWM6 為PWM1，PWM3，PWM5 的互補(bǔ)輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)七段式的SVPWM。現(xiàn)以第Ⅲ扇區(qū)為例，給出比較示

104、意圖2.5。</p><p>　　表2.4 每個(gè)扇區(qū)的比較值表</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了永磁同步電機(jī)的建模方法和PWM原理以及合成方法。首先，介紹了永磁同步電機(jī)模型的建立方法，在文中還給出了化簡(jiǎn)的方法和過(guò)程。文中還附有永磁同步電機(jī)的模型圖。之后，詳細(xì)介紹了PWM的原理，重點(diǎn)介紹了變換

105、，</p><p>　　變換和他們的你變化也給出了變換的公式以及化簡(jiǎn)結(jié)果。</p><p>　　第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　磁場(chǎng)取向控制技術(shù)是以坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)的，因而通常它又稱為矢量變換控制技術(shù)。圖3.1 給出了基于磁場(chǎng)取向控制技術(shù)在PMSM 的矢量控制系統(tǒng)中的框圖。</p><p>　　

106、圖3.1 PMSM 的矢量控制原理圖</p><p>　　按照?qǐng)D3.1 所示，搭建MATLAB 仿真框圖。框圖大概構(gòu)成為：首先借助MATLAB/Simulink 中busselector 圖標(biāo)將三相電樞繞組中任意兩相的電流瞬時(shí)值導(dǎo)出，然后，通過(guò)兩個(gè)靜止坐標(biāo)系之間的Clark變換，即把a(bǔ) ?b ?c三軸坐標(biāo)系內(nèi)的物理參數(shù)變換成α ? β 直角坐標(biāo)系內(nèi)的物理參數(shù)，求得和[12]；繼而，通過(guò)靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的

107、Park變換，即把靜止的α ? β 直角坐標(biāo)系內(nèi)的物理參數(shù)變換成旋轉(zhuǎn)的d ?q直角坐標(biāo)系內(nèi)的物理參數(shù)，獲得和。電流和 與設(shè)定的參考電流和相比較，并借助PI 電流控制器對(duì)其進(jìn)行校正；接著與前饋電壓合成；然后，通過(guò)Park 逆變換，把PI 電流控制器的輸出和變換成和；最后，借助電壓空間矢量技術(shù)，把新的定子電壓矢量施加給永磁同步電機(jī)的三相電樞繞組。為了控制電動(dòng)機(jī)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度，可以增設(shè)一個(gè)外環(huán)，把實(shí)測(cè)得到得轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并以此來(lái)驅(qū)動(dòng)

108、和調(diào)節(jié)參考電流和[13]。</p><p>　　3.1基于MATLAB 的SVPWM 仿真</p><p>　　SVPWM 的仿真是根據(jù)上一章的原理來(lái)搭建的。下面給出SVPWM 各部分的MATLAB 框圖。SVPWM 的MATLAB 仿真主要有以下幾個(gè)部分：</p><p>　　1） 扇區(qū)判斷仿真框圖；</p><p>　　2） 參數(shù)X ,Y

109、 ,Z 的形成框圖；</p><p>　　3） 矢量作用時(shí)間仿真框圖；</p><p>　　4） 扇區(qū)比較值仿真框圖；</p><p>　　5） cm T 與三角波比較框圖。</p><p>　　3.1.1 扇區(qū)判斷部分的Simulink框圖</p><p>　　扇區(qū)判斷根據(jù)矢量圖上六個(gè)扇區(qū)的分布特點(diǎn)利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行

110、判斷從而得到扇區(qū)的位置，依據(jù)這樣的原理可以得到如下的Simulink 框圖，如圖3.2 所示[16]。</p><p>　　圖3.2 扇區(qū)判斷框圖</p><p>　　3.1.2 參數(shù)X ,Y ,Z 形成的Simulink框圖</p><p>　　參數(shù)X ,Y ,Z 在矢量作用時(shí)間中提出來(lái)的，由于每個(gè)扇區(qū)的矢量作用時(shí)間的公式表達(dá)中都有相同的部分，所以為了表示的方便

111、提出用它們來(lái)表達(dá)，根據(jù)公式可以得到下面框圖，如圖3.3 所示[16]。</p><p>　　圖3.3參數(shù)X ,Y ,Z 形成框圖</p><p>　　3.1.3 矢量作用時(shí)間的Simulink框圖</p><p>　　在完成了X ,Y ,Z 的數(shù)學(xué)表達(dá)后，根據(jù)不同扇區(qū)矢量作用時(shí)間的不同，通過(guò)多開(kāi)關(guān)選擇器選擇出對(duì)應(yīng)扇區(qū)的矢量作用時(shí)間，為了防止過(guò)調(diào)制，加入了過(guò)調(diào)制處理