調(diào)速永磁同步電機(jī)的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　題 目： 調(diào)速永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計 </p><p>　　系： 電氣與信息工程 </p><p>　　專業(yè)： 電氣工程 班級： </p><p>　　學(xué)號：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名： /// </p><p>　　導(dǎo)師姓名： </p><p>　　完成日期： 2011年6月 </p><p>　　畢

3、業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　　題目： 調(diào)速永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計 </p><p>　　姓名 系 電氣系 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 .. 學(xué)號 .. </p><p>　　指導(dǎo)老師

4、 .. 職稱 副教授 教研室主任 .. </p><p><b>　　基本任務(wù)及要求：</b></p><p>　　1、基本技術(shù)要求：1）額定功率 =15KW　; 2）額定電壓 　　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　3）額

5、定轉(zhuǎn)速 ; 4）額定效率; 　5)相數(shù)m=3</p><p>　　6); 7)額定功率因數(shù); 8)繞組形式:單層,交叉Y接</p><p>　　9)失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)　; </p><p>　　2、本畢業(yè)設(shè)計課題主要完成以下設(shè)計內(nèi)容：</p><p>　?。?）調(diào)速永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計方案；

6、 </p><p>　　(2)闡述永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行與控制原理； </p><p>　?。ǎ常╇姍C(jī)主要零部件圖的繪制；</p><p>　　(4) 說明書的編制　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　進(jìn)度安排及完成

7、時間：</p><p>　　3 月1 日——3 月 30日：查閱資料、撰寫文獻(xiàn)綜述、撰寫開題報告　　　　　　　　　　　　</p><p>　　4月1 日—— 4月30 日：畢業(yè)實習(xí)、撰寫實習(xí)報告　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　5月 1日—— 5月20 日：畢業(yè)設(shè)計（電磁設(shè)計）　　　　　　</p><p>　　5月

8、 21日——5 月30 日：畢業(yè)設(shè)計（永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行與控制?。?</p><p>　　5月上旬：畢業(yè)設(shè)計中期抽查　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　6月1日——6月12日：撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）　　　　　　　　　　　　　　　　　　&

9、lt;/p><p>　　6月13日——6月14日：修改、裝訂畢業(yè)設(shè)計說明書（論文），并將電子文檔上傳FTP?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?lt;/p><p>　　6月15日——6月18日：畢業(yè)設(shè)計答辯　　　　　　　 ，進(jìn)行畢業(yè)答辯。</p><p><b>　　摘要2</b></p>

10、<p>　　Abstract3</p><p>　　第1章 概述- 1 -</p><p>　　1.1 永磁同步電動機(jī)的發(fā)展前景- 1 -</p><p>　　1.2調(diào)速永磁同步電動機(jī)的研究現(xiàn)狀- 2 -</p><p>　　1.3 永磁電機(jī)發(fā)展機(jī)遇- 2 -</p><p>　　第2章 永

11、磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型- 4 -</p><p>　　2.1 永磁同步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)- 4 -</p><p>　　2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立- 4 -</p><p>　　2.2.1 坐標(biāo)系的定義- 4 -</p><p>　　2.2.2 三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換(3s-2s)- 6 -</p>

12、<p>　　2.2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(2s-2r)- 7 -</p><p>　　2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（2t-2s）- 8 -</p><p>　　2.4 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型- 8 -</p><p>　　2.4.1 永磁同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型- 9 -</p><

13、;p>　　2.4.2 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型- 10 -</p><p>　　2.4.3 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型- 10 -</p><p>　　2.5 本章小結(jié)- 11 -</p><p>　　第3章 調(diào)速永磁同步電動機(jī)運(yùn)行與控制原理- 14 -</p><p>　　3.1調(diào)速永磁同步電機(jī)的控制方法-

14、14 -</p><p>　　3.1.1恒壓頻比控制- 14 -</p><p>　　3.1.2 矢量控制- 14 -</p><p>　　3.1.3 直接轉(zhuǎn)矩控制- 14 -</p><p>　　3.1.4 解耦控制- 15 -</p><p>　　3.2直接轉(zhuǎn)矩控制- 16 -</p>&l

15、t;p>　　3.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理- 16 -</p><p>　　3.2.2永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)- 17 -</p><p>　　3.2.3永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)- 20 -</p><p>　　3.3 本章小結(jié)- 22 -</p><p>　　第4章調(diào)速永磁同步電機(jī)的設(shè)計特點及思路- 23 -&

16、lt;/p><p>　　4.1設(shè)計特點- 23 -</p><p>　　4.2 設(shè)計思路- 23 -</p><p>　　4.2.1主要尺寸選擇- 24 -</p><p>　　4.2.2 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇- 25 -</p><p>　　第5章 調(diào)速永磁同步電動機(jī)電磁設(shè)計程序- 30 -</p>

17、<p>　　5.1額定數(shù)據(jù)和技術(shù)要求- 30 -</p><p>　　5.2主要尺寸- 30 -</p><p>　　5.3永磁體的計算- 32 -</p><p>　　5.4磁路計算- 33 -</p><p>　　5.5參數(shù)計算- 36 -</p><p>　　5.6工作性能計算- 40 -

18、</p><p>　　結(jié)束語- 44 -</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 44 -</p><p>　　致 謝- 45 -</p><p>　　附 錄- 46 -</p><p>　　調(diào)速永磁同步電動機(jī)電磁設(shè)計</p><p>　　摘要：設(shè)計首先介紹了永磁同步電動機(jī)的發(fā)展前景及其研究

19、現(xiàn)狀，之后結(jié)合在發(fā)展高性能調(diào)速永磁同步電動機(jī)中也遇到幾個“ 瓶頸” 問題，指出了永磁電機(jī)發(fā)展的機(jī)遇；分析了永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行與控制原理，其中包括首先分析了永磁同步電機(jī)的分類及其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點，然后分析了永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立，并根據(jù)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步分析永磁同步電機(jī)的控制方法與原理，介紹了調(diào)速永磁同步電機(jī)的幾種控制方法。其中重點論述了永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的基本理論，分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制結(jié)構(gòu)中各個組成部

20、分的基本原理，其中包括轉(zhuǎn)矩增量與定子電壓空間矢量關(guān)系模型、定子磁鏈控制、逆變器開關(guān)時間控制模型，并提出了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制方案。之后闡述了調(diào)速永磁同步電機(jī)的設(shè)計特點及思路。其中包括設(shè)計特點的介紹、主要尺寸的選擇、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇等，并總結(jié)出永磁同步電動機(jī)的電磁設(shè)計流程。最后重點分析和設(shè)計了15KW內(nèi)置式調(diào)速永磁同步電動機(jī)具體的電磁設(shè)計部分。關(guān)鍵字： 調(diào)速永磁同步電機(jī)；運(yùn)行與控制原理；直接轉(zhuǎn)矩控制；電磁設(shè)計</p>

21、<p>　　Electromagnetic Design of Permanent Magnet Synchronous Motor </p><p>　　Abstract:Design first introduced the development prospects of permanent magnet synchronous motor and the present study situat

22、ion in the development of high performance, after considering the permanent magnet synchronous motor speed also meet several "bottleneck" problems, and points out the permanent magnet motor development opportun

23、ities; Analysis of the permanent magnet synchronous motor operation and control principle, including first analyzed the permanent magnet synchronous motor and the cl</p><p>　　Keywords: permanent magnet synch

24、ronous; operation and control principle; motordirect torque controlspace; electromagnetism design</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p>　　1.1 永磁同步電動機(jī)的發(fā)展前景</p><p>　　近年來，隨著永磁材料性能

25、的不斷提高和完善，特別是釹鐵硼永磁的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性的改善和價格的逐步降低以及電力電子器件的進(jìn)一步發(fā)展，加上永磁電機(jī)研究開發(fā)經(jīng)驗的逐步成熟，經(jīng)大力推廣和應(yīng)用已有研究成果，使永磁電機(jī)在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等方面獲得越來越廣泛的應(yīng)用。正向大功率化(高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩)、高功能化和微型化方面發(fā)展。目前，稀土永磁電機(jī)的單臺容量已超過1000KW，最高轉(zhuǎn)速已超過300000r/min，最低轉(zhuǎn)速低于0.01r/min，最小電機(jī)的外徑只有0.8m

26、m，長1.2mm。 永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機(jī)相比，它沒有直流電機(jī)的換向器和電刷等缺點。和異步電動機(jī)相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機(jī)相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機(jī)相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大

27、范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。</p><p>　　電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的耗電量約占工業(yè)用電總量的三分之二左右, 2006年國際電工委員會IEC制定了IEC60034- 30電動機(jī)新標(biāo)準(zhǔn), 其目的在于淘汰低效率電動機(jī), 開發(fā)與應(yīng)用高效率和超高效率電動機(jī), 美國在NEMA 高效電機(jī)的基礎(chǔ)上又制定了新NEMA 高效標(biāo)準(zhǔn), 把效率指標(biāo)再提高2% -3% , 在我國 十一五!

28、規(guī)劃的節(jié)能工程中涉及到更新和淘汰低效率電動機(jī)及高耗電設(shè)備, 推廣高效節(jié)能電動機(jī)、稀土永磁電動機(jī)、高效傳動系統(tǒng)等, 所以開發(fā)高效節(jié)能稀土永磁電動機(jī)具有實際工程應(yīng)用的意義。在電力拖動系統(tǒng)中采用調(diào)速措施可以提高節(jié)能效果, 例如直流電動機(jī)調(diào)速、交流電動機(jī)變極調(diào)速或變頻調(diào)速, 還有采用機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)變速等, 但是機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)變速和變極調(diào)速屬于有級的調(diào)速方式, 直流電動機(jī)雖然具有較好的調(diào)速性能, 但存在換向火花的缺點, 限制了調(diào)速的容量和應(yīng)用環(huán)境,

29、而變頻調(diào)速是一種高效節(jié)能型的無級調(diào)速方式。自從德國工程師F. B laschke等人提出了矢量控制變換理論后, 解決了交流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制 , 近年來, 隨著變流技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展, 實現(xiàn)了交流電動機(jī)矢量控制的變頻調(diào)速</p><p>　　“中東有石油，中國有稀土”。我國是盛產(chǎn)永磁材料的國家，特別是稀土永磁材料釹鐵硼資源在我國非常豐富，稀土礦的儲藏量為世界其他各國總和的4倍左右，號稱“稀

30、土王國”。稀土曾是讓國人倍感自豪的優(yōu)勢資源，而今卻略顯尷尬。由于國際市場的壓價行為，以犧牲環(huán)境為代價開采出來的稀土資源降到“白菜價”。盡管我國的稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的科研水平都達(dá)到了國際先進(jìn)水平，但是這些優(yōu)勢還沒有完全發(fā)揮出來，因此，對我國來說，永磁同步電動機(jī)的發(fā)展還任重而道遠(yuǎn)，還有很大潛力可開發(fā)。充分發(fā)揮我國稀土資源豐富的優(yōu)勢，大力研究和推廣應(yīng)用以稀土永磁電機(jī)為代表的各種永磁電機(jī)，對我國國防、工農(nóng)業(yè)、航空事業(yè)的發(fā)展及綜合實力的提

31、升具有重要的理論意義和實用價值。</p><p>　　1.2調(diào)速永磁同步電動機(jī)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　雖然無刷直流電動機(jī)比調(diào)速永磁同步電動機(jī)具有控制簡單，成本低， 檢測簡單等優(yōu)點， 但因為無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動比較大， 鐵心損耗也較大， 所以在低速直接驅(qū)動場合的應(yīng)用中，調(diào)速永磁同步電動機(jī)的性能比無刷直流電動機(jī)及其它交流伺服電動機(jī)優(yōu)越得多。不過在發(fā)展高性能調(diào)速永磁同步電動機(jī)中也遇到

32、幾個“ 瓶頸” 問題有待于作更深入的研究和探索。存在的主要問題如下： </p><p>　?。?）調(diào)速永磁同步電動機(jī)在使用過程中出現(xiàn)“退磁”現(xiàn)象，而且在低速時也存在齒槽轉(zhuǎn)矩對其轉(zhuǎn)矩波動的影響。</p><p>　?。?）檢側(cè)誤差對控制器調(diào)節(jié)性能有影響， 發(fā)展高精度的速度及位置檢側(cè)器件和實現(xiàn)無傳感器檢測的方法均可克服這種影響。</p><p>　?。?）以調(diào)速永磁同步

33、電動機(jī)作為執(zhí)行元件構(gòu)成的永磁交流伺服系統(tǒng)， 由于調(diào)速永磁同步電動機(jī)本身就是具有一定非線性、強(qiáng)藕合性和時變性的“ 系統(tǒng)” ， 同時其伺服對象也存在較強(qiáng)的不確定性和非線性， 加之系統(tǒng)運(yùn)行時易受到不同程度的干擾， 因此采用先進(jìn)控制策略， 先進(jìn)的控制系統(tǒng)實現(xiàn)方式如基于控制， 以從整體上提高系統(tǒng)的“ 智能化、數(shù)字化” 水平， 這應(yīng)是當(dāng)前發(fā)展高性能調(diào)速永磁同步電動機(jī)伺服系統(tǒng)的一個主要的“ 突破口”。</p><p>　　1.

34、3 永磁電機(jī)發(fā)展機(jī)遇 </p><p>　　(1) 更高的綜合節(jié)能效果 永磁同步電動機(jī)由永磁體激磁，無需勵磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減?。晦D(zhuǎn)子無銅耗，因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動機(jī)一般比同規(guī)格異步電動機(jī)效率可提高2～8％，并且在很寬的負(fù)載變動范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運(yùn)行時節(jié)能效果更顯著。 </p

35、><p>　　(2) 可滿足某些工業(yè)應(yīng)用需大的起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的動態(tài)需求 常規(guī)異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)都有限，為達(dá)要求，需選擇更大容量的異步電動機(jī)，而到了正常運(yùn)行狀態(tài)，異步電動機(jī)則又處于輕載運(yùn)行狀態(tài)，效率和功率因數(shù)均較低。例如為油田抽油機(jī)設(shè)計的具有異步起動能力的永磁同步電動機(jī)，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)可達(dá)3.6倍以上，效率可達(dá)94％，功率因數(shù)可達(dá)0.95，既滿足了負(fù)載動態(tài)時大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果。

36、</p><p>　　(3) 低速直接驅(qū)動的需求 為了提高控制精度、減小振動噪聲、杜絕油霧帶來的不安全，也為了大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動的需求，近年來對低速電動機(jī)的需求也不斷增長。如用于電梯拖動的永磁同步曳引機(jī)，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過曳引輪直接拖動轎廂，明顯減小了振動和噪聲。又如船用吊艙式電力推進(jìn)器，將低速大轉(zhuǎn)矩的永磁同步電動機(jī)置于船艙外的吊艙，無需原來的傳動系統(tǒng)，直接驅(qū)動螺旋槳，實現(xiàn)船舶的運(yùn)行和控制。這是船

37、舶驅(qū)動技術(shù)的又一發(fā)展，國外自上世紀(jì)九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等。西門子公司吊艙式推進(jìn)器中PMSM容量已達(dá)30000KW。 </p><p>　　(4) 多極高功率因數(shù)的需求 近年來，永磁同步電動機(jī)朝著多極化發(fā)展，多極電機(jī)可顯著減小定、轉(zhuǎn)子鐵心軛部高度，從而減小電機(jī)體積、減少鐵心用量。多極電機(jī)還顯著減小了定子端部長度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。如某安裝于轎廂和井壁間隙的永磁同步電動機(jī)，轉(zhuǎn)子采

38、用60極結(jié)構(gòu)，顯著縮短了定子線圈端部長度，實現(xiàn)無機(jī)房電梯。若仍用異步電動機(jī)驅(qū)動，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時，功率因數(shù)將更低，因此在Y型系列電機(jī)中，10極電機(jī)已不多見。而該60極永磁同步電動機(jī)功率因數(shù)高達(dá)0.98，空載、輕載時甚至可達(dá)1，節(jié)能效果明顯。 </p><p>　　(5)高功率密度的需求 艦船、車輛受體積所限，要求電動機(jī)要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。永磁同步電動機(jī)由于無需激磁繞組，空間

39、結(jié)構(gòu)小，高性能的釹鐵硼永磁材料具有高剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度和高矯頑力，從而可提供很高的磁負(fù)荷，使電機(jī)尺寸縮小。有些并聯(lián)供磁的電機(jī)，甚至可高達(dá)1特斯拉以上。傳統(tǒng)電機(jī)的齒槽結(jié)構(gòu)，約束著磁負(fù)荷和電負(fù)荷的關(guān)系，過高的磁負(fù)荷將減小放置繞組的空間，成為實現(xiàn)高功率密度的瓶頸。</p><p>　　第2章 永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　本章將首先從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的角度對PMSM進(jìn)行分類，然后在不同的坐

40、標(biāo)系中建立PMSM的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對PMSM的控制原理進(jìn)行介紹。</p><p>　　2.1 永磁同步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)</p><p>　　永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它

41、們組成的永磁同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(jī)(PMSM)調(diào)速系統(tǒng)或調(diào)速永磁同步電動機(jī)；而由梯形波(方波)永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(jī)(BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)。 永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在

42、表面式永磁同步電動機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁同步電動機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能特點有所不同。</p><p>　　采用正弦波的永磁同步電動機(jī)可根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上放置的位置分為三種：一是永磁體埋在轉(zhuǎn)

43、子內(nèi)的內(nèi)磁式永磁同步電動機(jī)；一是永磁體安放在轉(zhuǎn)子表面的外磁式永磁同步電動機(jī)；第三種是永磁體嵌入或部分嵌入的嵌入式永磁同步電動機(jī)。本文主要介紹內(nèi)置式轉(zhuǎn)子的永磁同步電動機(jī)的設(shè)計。</p><p>　　2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立</p><p>　　2.2.1 坐標(biāo)系的定義</p><p>　　坐標(biāo)系在本文中，將涉及到以下幾種，對其進(jìn)行一一介紹。 </p&g

44、t;<p>　　三相定子坐標(biāo)系(ABC坐標(biāo)系)</p><p>　　PMSM的定子中有三相繞組，其軸線分別為A,B,C，且彼此間互差1200的空間電角度。當(dāng)定子通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)的磁場。三相定子坐標(biāo)系定義如圖2.1所示。</p><p>　　圖 2.1 三相定子坐標(biāo)系</p><p>　　定子靜止直角坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)</p&g

45、t;<p>　　為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標(biāo)系即坐標(biāo)系(圖2.2)，其α軸與A軸重合，軸超前β軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對稱正弦電流時也會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其效果與兩相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標(biāo)系代替三相定子坐標(biāo)系進(jìn)行分析，從而達(dá)到簡化運(yùn)算的目的。</p><p>　　圖2.2 定子靜止坐標(biāo)系</p><p>　　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)

46、系)</p><p>　　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上(圖2.3)，其d軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，q軸超前d軸900，空間坐標(biāo)以d軸與參考坐標(biāo)軸之間的電角度確定。該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。</p><p>　　圖2.3 定子靜止坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系</p><p>　　定子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(xy坐標(biāo)系)&

47、lt;/p><p>　　xy坐標(biāo)系為隨定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(圖2.4)，定子磁鏈的方向為x軸的正方向，Y軸超前x軸。同時，定義x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，x軸超前d軸時轉(zhuǎn)矩角為正。</p><p>　　2.2.2 三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換(3s-2s)</p><p>　　圖2.2中繪出了ABC和兩個坐標(biāo)系，為了方便起見， 取 A 軸與α軸重合。設(shè)三相繞組每相有

48、效匝數(shù)為 N3 ，兩相繞組每相有效匝數(shù)為 N2 ，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，則兩套繞組瞬時磁動勢在α，β軸上的投影也相</p><p>　　圖2.4 定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系</p><p><b>　　等，即</b></p><p><

49、b>　　寫成矩陣形式得：</b></p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p><b>　　代入式（2.1）得</b>

50、;</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　如果三相繞組是Y型聯(lián)結(jié)不帶零線，則有]，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得:</p>&l

51、t;p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換陣[1]。</p><p>　　2.2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(2s-2r)</p><p>　　圖2.3是兩相坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，簡稱2s-2r變換，其中s表示靜止，r表示旋

52、轉(zhuǎn)。把兩個坐標(biāo)系畫在一起，如圖2-4所示。兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由于個繞組匝 數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示。</p><p>　　在圖2.3中，d、q軸和矢量（）都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長短不便，相當(dāng)于d、q繞組的直流磁動勢。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時間而變化，因此在、軸上的分量、的長短也隨時間變化，相當(dāng)于、繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見，

53、、和、之間存在下列關(guān)系</p><p>　　圖2.5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢（電流）空間矢量</p><p><b>　　寫成矩陣形式，得</b></p><p><b>　　(2.6)</b></p><p>　　式中

54、 (2.7)</p><p>　　是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。</p><p>　　對式（2.6）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得</p><p><b>　　(2.8)</b></p><p>　　則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是:

55、</p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。</p><p>　　2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（2t-2s）</p><p>　　分別定義，dq坐標(biāo)系是建立在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，xy坐標(biāo)系是建立在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，定子磁

56、鏈的方向為x軸的正向，x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，、為xy坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系到xy坐標(biāo)系的變換陣，由圖2.4可知：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p><b>　　(2.11)</b></p><p>　　其中為x軸與d軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。</p><p>　

57、　2.4 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　當(dāng)永磁同步電機(jī)的定子通入三相交流電流工時，三相電流在定子繞組電阻 上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，另一方面以電磁力拖動著轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動勢。此外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而

58、產(chǎn)生空載電動勢 。為了簡化分析過程，在建立數(shù)學(xué)模型時常忽略一些影響較小的參數(shù)，作如下假設(shè)：</p><p>　?。?）忽略鐵芯飽和；</p><p>　　（2）定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓是按正弦分布的，即略去磁場中的所有空間諧波； </p><p>　?。?）各相繞組對稱，即各相繞組匝數(shù)和電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度； </p>

59、<p>　?。?）不計渦流和磁滯的影響。</p><p>　　PMSM 的定子和普通三相同步電機(jī)的定子是相似的，如果永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（反電動勢）與勵磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一樣也是正弦的，那么 PMSM 的數(shù)學(xué)模型就與電勵磁同步電機(jī)基本相同[3]。</p><p>　　在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立PMSM在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。</p><p>　　2.

60、4.1 永磁同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　對于三相繞組電動機(jī)，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶靠梢员硎緸椋?lt;/p><p><b>　　(2.12)</b></p><p><b>　　(2.13) </b></p><p>　　其中：為定子電壓矢量，和，

61、分別表示定子電阻和定子電感，和分別表示定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚硎径ㄗ与娏鳌?lt;/p><p>　　根據(jù)式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步電機(jī)三相繞組的電壓回路方程如下：</p><p><b>　　(2.14)</b></p><p>　　其中為、、各相繞組端電壓，、、為各相繞組電流，、、為轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈，為微分算

62、子。</p><p>　　由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖2.1及圖2.2可知：</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p>　　另外，對于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律有</p><p><b>　　(2.16)</b></p>

63、;<p>　　聯(lián)合式（2.14）、式（2.15）和式（2.16）整理可以得到：</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p>　　2.4.2 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)坐標(biāo)變換理論，對用此同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行3s-2s的坐標(biāo)變換，就可以得到在αβ坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模

64、型。</p><p>　　式(2.5)為電流方程：</p><p><b>　　(2.18)</b></p><p>　　由式（2.4）、（2.5）和（2.17）可得電壓方程</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　其中、 分別為定子電壓在軸

65、上的的分量, 、 為在 軸上的電感</p><p>　　分量，其中 ，為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，為轉(zhuǎn)子角速度。</p><p>　　2.4.3 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對于分析永磁同步電機(jī)控制過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便。對永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行2s-2

66、r坐標(biāo)變換，就可以獲得永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由式(2.5)和式(2.8)得到永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電流方程：</p><p><b>　　(2.20)</b></p><p>　　其中、分別為定子電流在dq坐標(biāo)系下的分量，結(jié)合式(2.16)整理得</p><p><b>　　(2.21)</b></

67、p><p>　　永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系上的磁鏈方程為：</p><p><b>　　(2.22)</b></p><p><b>　　(2.23)</b></p><p><b>　　(2.24)</b></p><p><b>　　電壓方程為：

68、</b></p><p><b>　　(2.25)</b></p><p><b>　　(2.26)</b></p><p><b>　　(2.27)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程為：</b></p><p&

69、gt;<b>　　(2.28)</b></p><p><b>　　運(yùn)動方程為：</b></p><p><b>　　(2.29)</b></p><p>　　其中為轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)矩負(fù)載。</p><p>　　其中、、、、、、、分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感，、、為

70、定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈； 、為電機(jī)極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 軸系下的數(shù)學(xué)模型。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)對永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)及特點進(jìn)行了分析，給出了永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，最后給出了其運(yùn)動方程。為后續(xù)章節(jié)

71、研究調(diào)速永磁同步電機(jī)控制原理與方法，進(jìn)一步研究直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　第3章 調(diào)速永磁同步電動機(jī)運(yùn)行與控制原理</p><p>　　3.1調(diào)速永磁同步電機(jī)的控制方法</p><p>　　任何電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機(jī)的主磁場和電樞磁場在空間互差90°，因此可以獨(dú)立調(diào)節(jié)；交流電機(jī)的主磁場和

72、電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機(jī)控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等方案。</p><p>　　3.1.1恒壓頻比控制</p><p>　　恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uout進(jìn)行控制，使電動機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變

73、頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為非線性、多變量，它含有ω與id或iq的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對ω和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機(jī)的非線性特性。</p><p>　　3.1.2 矢量控制</p><p>

74、;　　高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支持，對于交流電動機(jī)，目前使用最廣泛的當(dāng)屬矢量控制方案。自1971年德國西門子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，該控制方案就倍受青睞。因此，對其進(jìn)行深入研究。</p><p>　　矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標(biāo)通過矢量變換，將三相交流電動機(jī)的定子電流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，

75、彼此獨(dú)立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標(biāo)變換進(jìn)行矢量控制，而且對電動機(jī)參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。 </p><p>　　3

76、.1.3 直接轉(zhuǎn)矩控制</p><p>　　矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機(jī)控制方案。但因其需要復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，而且電動機(jī)的機(jī)械常數(shù)低于電磁常數(shù)，所以不能迅速地響應(yīng)矢量控制中的轉(zhuǎn)矩。針對矢量控制的這一缺點，德國學(xué)者Depenbrock于上世紀(jì)80年代提出了一種具有快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性的控制方案，即直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向的方法，利用離散

77、的兩點式控制直接對電動機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等優(yōu)點。DTC最早用于感應(yīng)電動機(jī)，1997年L Zhong等人對DTC算法進(jìn)行改造，將其用于永磁同步電動機(jī)控制，目前已有相關(guān)的仿真和實驗研究。</p><p>　　DTC方法實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)控制。在得到電動機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩值后，即可對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行DTC。雖然，對DTC的研究已取得了很大的進(jìn)展，但在理論和實踐上還不夠成熟，例如：低速

78、性能、帶負(fù)載能力等，而且它對實時性要求高，計算量大。</p><p>　　3.1.4 解耦控制</p><p>　　永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換后，id，id之間仍存在耦合，不能實現(xiàn)對id和iq的獨(dú)立調(diào)節(jié)。若想使永磁同步電動機(jī)獲得良好的動、靜態(tài)性能，就必須解決id，iq的解耦問題。若能控制id恒為0，則可簡化永磁同步電動機(jī)的狀態(tài)方程式。</p><p>　　此時

79、，id與iq無耦合關(guān)系，Te=npψfiq，獨(dú)立調(diào)節(jié)iq可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化。實現(xiàn)id恒為0的解耦控制，可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案，可用于對id，iq的完全解耦，但實現(xiàn)較為復(fù)雜；后者是一種近似解耦控制方案，控制原理是：適當(dāng)選取id環(huán)電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使其具有相當(dāng)?shù)脑鲆?，并始終使控制器的參考輸入指令id*=O，可得到id≈id*=0，iq≈iq*o，這樣就獲得了永磁同步電動機(jī)的近似解耦。 </p>

80、<p>　　雖然電流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一種行之有效的控制方法，只要采取較好的處理方式，也能得到高精度的轉(zhuǎn)矩控制。因此，工程上使用電流型解耦控制方案的較多。然而，電流型解耦控制只能實現(xiàn)電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速的靜態(tài)解耦，若實現(xiàn)動態(tài)耦合會影響電動機(jī)的控制精度。另外，電流型解耦控制通過使耦合項中的一項保持不變，會引入一個滯后的功率因數(shù)。 </p><p>　　上述永磁同步電動機(jī)的各種控制策略各有優(yōu)缺

81、點，實際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)性能要求采用與之相適應(yīng)的控制策略，以獲得最佳性能。永磁同步電動機(jī)以其卓越的性能，在控制策略方面已取得了許多成果，相信永磁同步電動機(jī)必然廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。接下來重點分析直接轉(zhuǎn)矩控制方法。</p><p><b>　　3.2直接轉(zhuǎn)矩控制</b></p><p>　　繼矢量控制之后，1984年德國魯爾大學(xué)的Depen Brock 又提出了

82、交流電動機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其特點是直接采用空間電壓矢量，直接在定子坐標(biāo)系下計算并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通；采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM（空間矢量SPWM）直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單的通過電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。所以直接轉(zhuǎn)矩

83、控制策略具有控制方式簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快、便于實現(xiàn)全數(shù)字化等優(yōu)點。直接轉(zhuǎn)矩控制在異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但在永磁同步電動機(jī)(PMSM)伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究相對滯后。</p><p>　　3.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理</p><p>　　接轉(zhuǎn)矩控制是對定轉(zhuǎn)子磁鏈間的夾角也就是對轉(zhuǎn)矩角δ進(jìn)行控制。先推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩角與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)關(guān)系。其中要用到與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系，d軸

84、正方向為轉(zhuǎn)子磁鏈方向；與定子同步旋轉(zhuǎn)的x-y坐標(biāo)系，x軸正方向為定子磁鏈方向；兩相α-β靜止坐標(biāo)系，α軸正方向與電機(jī)a軸重合。如下圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 PMSM在不同坐標(biāo)系下的矢量圖</p><p>　　在建立PMSM數(shù)學(xué)模型前，先對PMSM作如下假設(shè)：</p><p>　　忽略電動機(jī)鐵心的飽和，不計電動機(jī)中的渦流和磁滯損耗，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組

85、，則永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的基本方程如下：</p><p><b>　　(1)</b></p><p><b>　　(2)</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　(4)</b></p><

86、p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　(6)</b></p><p>　　式中：ψd、ψq為定子磁鏈d、q軸分量；Ld、Lq為定子繞組d、q軸等效電感；id、iq為定子電流d、q軸分量；Ud、Uq為定子電壓d、q軸分量；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Rs為定子繞組電阻；P為微分算子；ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為電機(jī)極

87、對數(shù)；Tm為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；B為粘滯系數(shù)。經(jīng)過進(jìn)一步推導(dǎo)，</p><p>　　得轉(zhuǎn)矩控制的基本方程式：</p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　對于隱極式永磁同步電機(jī)，lq=ld，故(7)式可寫為：</p><p><b>　　(8) </b></p>

88、;<p>　　對于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁鏈不變，當(dāng)定子磁鏈不變時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)矩δ有關(guān)。由于定子磁鏈的狀態(tài)比轉(zhuǎn)子磁鏈的狀態(tài)容易改變，因此可以通過控制定子磁鏈的狀態(tài)來改變轉(zhuǎn)矩角，從而實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。</p><p>　　3.2.2永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的實現(xiàn)</p><p>　　3.2.2.1 轉(zhuǎn)矩增量與定子電壓空間矢量關(guān)系模型</p><p&

89、gt;　　ψs與α軸的夾角為θs，則在α-β軸系中，定子的合成空間磁鏈?zhǔn)噶喀譻以角速度 Ûθs旋轉(zhuǎn)，設(shè)逆時針方向為正方向。為了獲得盡可能小的轉(zhuǎn)矩脈動，定子的合成磁鏈空間矢量最好采圓形軌跡，參考磁鏈的幅值|ψ3s|為常量，如圖3-2所示</p><p>　　圖3-2 轉(zhuǎn)矩增量與定子電壓空間矢量關(guān)系</p><p>　　3.2.2.2定子磁鏈控制</p><p&

90、gt;　　在永磁同步電機(jī)中施加零電壓矢量時，定子磁鏈停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)矩幾乎維持恒定。利用這一特點，可以采用具有零電壓矢量的新型開關(guān)表實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制，把零電壓矢量看成保持當(dāng)前轉(zhuǎn)矩的作用，利用零電壓矢量來減小轉(zhuǎn)矩的波動，以及減少逆變器開關(guān)次數(shù)和轉(zhuǎn)矩的脈動。開關(guān)表中輸出量與輸入量的關(guān)系見附表1，其中v(xxx)中x=1表示逆變器相應(yīng)相的上臂導(dǎo)通，0表示下臂導(dǎo)通。θ1－θ6的分布見圖3-3。θ區(qū)域的劃分是以α-β坐標(biāo)系的α軸為基準(zhǔn)確定的，因此定子

91、磁鏈的位置可用其α-β軸分量ψα、ψβ估算的定子旋轉(zhuǎn)磁鏈來確定。v1－v6為逆變器輸出電壓的空間電壓矢量,當(dāng)施加電壓矢量與ψs夾角小于π/2時，將使磁鏈幅值增加；當(dāng)大于π/2時,磁鏈幅值減小當(dāng)電壓矢量超前于ψs時，轉(zhuǎn)矩增加；落后于ψs時，轉(zhuǎn)矩減小。</p><p><b>　　表1 逆變器開關(guān)表</b></p><p>　　圖3-3 空間電壓矢量和分區(qū)</p&

92、gt;<p>　　用φ、τ分別表示電機(jī)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定值和實際值的誤差狀態(tài)，當(dāng)給定值比實際值大時狀態(tài)為1，否則狀態(tài)為0，則由φ、τ的狀態(tài)以及磁鏈所處分區(qū)的位置，便可按表1選擇開關(guān)電壓矢量，并為了方便在MATLAB/simulink中實現(xiàn)查表的位置我們假設(shè)一個變量的到：（9）。</p><p>　　3.2.2.3逆變器開關(guān)時間控制模型</p><p>　　如圖2所示，設(shè)定當(dāng)前采

93、樣周期的定子磁鏈?zhǔn)噶繛?，下一采樣周期的定子磁鏈?zhǔn)噶繛棣譻.n+1，所以給定轉(zhuǎn)矩和估計轉(zhuǎn)矩之間存在誤差。</p><p>　　將式(8)的定子磁鏈增量dψs分解到α-β軸系的兩坐標(biāo)軸上,</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　再利用Clarke逆變換，將式(10)映射到定子三相坐標(biāo)系A(chǔ)、B、C軸系上，把定子磁鏈增量分配

94、到三相繞組，如：</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　定子合成磁鏈?zhǔn)噶康脑隽吭诟飨嗬@組上的分量惟一地由參考電壓在該繞組上的作用時間決定，參考電壓在各相繞組上的作用時間是定子合成磁鏈?zhǔn)噶靠臻g位置角的函數(shù)，如：</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>

95、　　其中為定子合成磁鏈?zhǔn)噶肯鄬τ贏相繞組(軸)的空間角位移。一個周期內(nèi)定子參考電壓矢量的作用時間根據(jù)式(8)和(9)求得，即</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　上式中，雖然dψs和us都是空間矢量，但是二者方向相同，所以直接采用其幅值進(jìn)行計算。|us|是參考電壓空間矢量的幅值為直流母線電壓。</p><p>　　

96、3.2.3永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)</p><p>　　永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，是一個包含速度和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)系統(tǒng)。主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)比較控制器、最佳開關(guān)邏輯選擇表、逆變器等。以和分別作為轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值，te、ψs分別為利用α-β坐標(biāo)系的電壓和電流估算得的轉(zhuǎn)矩和磁鏈實際值，在調(diào)速系統(tǒng)中可作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，與實際轉(zhuǎn)矩比較后經(jīng)轉(zhuǎn)矩

97、滯環(huán)控制器輸出轉(zhuǎn)矩增減信號。當(dāng)需要增大電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩控制器輸出1，逆變器輸出電壓所形成的空間電壓矢量使ψs向前轉(zhuǎn)動，由于電機(jī)的電磁時間常數(shù)小于機(jī)電時間常數(shù)，使定子磁鏈轉(zhuǎn)速快于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速，其結(jié)果是δ增大，增大了實際電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制器輸出0時，將減小實際轉(zhuǎn)矩。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)矩給定值與實際值之差落在轉(zhuǎn)矩控制器的滯環(huán)內(nèi)，轉(zhuǎn)速平均值也穩(wěn)定為同步轉(zhuǎn)速。為給定的定子磁鏈，與實際定子磁鏈相比較后，經(jīng)磁鏈滯環(huán)控制器輸出磁鏈增減信號，定子磁鏈保持在一

98、個規(guī)定的范圍內(nèi)。這兩個控制器的輸出共同確定開關(guān)表的輸出值，控制逆變器的pwm波輸出。</p><p>　　在控制過程中，在每一個采樣周期開始，非零導(dǎo)通時間所對應(yīng)的逆變器開關(guān)同時導(dǎo)通，向PMSM三相繞組供電，然后根據(jù)每相繞組的通電時間控制對應(yīng)功率開關(guān)截止。一個周期內(nèi)每個橋臂只有一個功率開關(guān)動作一次，具有恒定的開關(guān)頻率，實際是一種恒頻脈寬調(diào)制方式。該控制算法徹底避免了傳統(tǒng)DTC控制以及SVM控制策略中磁鏈工作扇區(qū)的判

99、別以及矢量合成等復(fù)雜的數(shù)據(jù)和邏輯計算，特別適合于數(shù)字PWM控制器件，可以直接用于DSP、FPGA等控制平臺。</p><p>　　永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，是一個包含速度和轉(zhuǎn)矩的雙閉環(huán)系統(tǒng)。主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)速pi調(diào)節(jié)器、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)比較控制器、最佳開關(guān)邏輯選擇表、逆變器等。以和分別作為轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值，te、ψs分別為利用α-β坐標(biāo)系的電壓和電流估算得的轉(zhuǎn)矩和磁

100、鏈實際值，在調(diào)速系統(tǒng)中可作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，與實際轉(zhuǎn)矩比較后經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)控制器輸出轉(zhuǎn)矩增減信號。當(dāng)需要增大電磁轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)矩控制器輸出1，逆變器輸出電壓所形成的空間電壓矢量使ψs向前轉(zhuǎn)動，由于電機(jī)的電磁時間常數(shù)小于機(jī)電時間常數(shù)，使定子磁鏈轉(zhuǎn)速快于轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)速，其結(jié)果是δ增大，增大了實際電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制器輸出0時，將減小實際轉(zhuǎn)矩。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)矩給定值與實際值之差落在轉(zhuǎn)矩控制器的滯環(huán)內(nèi)，轉(zhuǎn)速平均值也穩(wěn)定為同步轉(zhuǎn)速。為給定的定子磁鏈，與實際

101、定子磁鏈相比較后，經(jīng)磁鏈滯環(huán)控制器輸出磁鏈增減信號，定子磁鏈保持在一個規(guī)定的范圍內(nèi)。這兩個控制器的輸出共同確定開關(guān)表的輸出值，控制逆變器的pwm波輸出。</p><p>　　在控制過程中，在每一個采樣周期開始，非零導(dǎo)通時間所對應(yīng)的逆變器開關(guān)同時導(dǎo)通，向PMSM三相繞組供電，然后根據(jù)每相繞組的通電時間控制對應(yīng)功率開關(guān)截止。一個周期內(nèi)每個橋臂只有一個功率開關(guān)動作一次，具有恒定的開關(guān)頻率，實際是一種恒頻脈寬調(diào)制方式。該

102、控制算法徹底避免了傳統(tǒng)DTC控制以及SVM控制策略中磁鏈工作扇區(qū)的判別以及矢量合成等復(fù)雜的數(shù)據(jù)和邏輯計算，特別適合于數(shù)字PWM控制器件，可以直接用于DSP、FPGA等控制平臺。</p><p>　　圖3-4 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了永磁同步電

103、機(jī)的控制的基本原理。首先介紹了永磁同步電機(jī)的主要控制方法。隨后根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制原理。最后介紹了系統(tǒng)的控制策略原理，給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第4章調(diào)速永磁同步電機(jī)的設(shè)計特點及思路</p><p><b>　　4.1設(shè)計特點</b></p><p>　　調(diào)速永磁同步電動機(jī)的應(yīng)用場合極為廣泛，與其配套的

104、傳動系統(tǒng)與控制方式也不一樣，因而對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能的要求大不相同，一般來說對調(diào)速永磁同步電動機(jī)的主要要求是：調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，動態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確，單位電流轉(zhuǎn)矩大等。</p><p>　　調(diào)速永磁同步電動機(jī)的設(shè)計是與相匹配的功率系統(tǒng)的有關(guān)性能密不可分的。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)傳動系統(tǒng)的應(yīng)用場合和有關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，首先確電動機(jī)的控制策略和逆變器的容量，然后根據(jù)電機(jī)設(shè)計的有關(guān)知識來設(shè)計電動機(jī)。下面以正弦波永磁同步電動機(jī)為

105、例分析研究調(diào)速永磁同步電動機(jī)的設(shè)計特點。</p><p>　　永磁同步電動機(jī)調(diào)速傳動系統(tǒng)的主要特性是它的調(diào)速范圍和動態(tài)響應(yīng)性能。調(diào)速范圍又分為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)和恒功率調(diào)速區(qū)。而電動機(jī)的運(yùn)行過程可以用工作周期來表示，調(diào)速永磁同步電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能常常以從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速所需的加速時間t來表示。為了提供足夠的加速能力，一般情況下，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩T的3倍左右。</p><p>　　調(diào)速永磁同

106、步電動機(jī)的具體設(shè)計包括以下幾大部分：主要尺寸的選擇及計算;轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的選擇；永磁體的設(shè)計及計算；定、轉(zhuǎn)子沖片的設(shè)計；繞組計算；磁路計算；參數(shù)計算；交軸磁化曲線計算；工作特性計算；定位力矩的抑制和低速平穩(wěn)性的改善；調(diào)高永磁同步電動機(jī)弱磁括速能力的措施等等。這些在后面的具體設(shè)計中會詳細(xì)的提到。</p><p>　　永磁同步電動機(jī)得電磁設(shè)計基本方法和普通同步電動機(jī)的設(shè)計方法有很多相似之處，但也存在不同之處?；驹O(shè)計思

107、路：由技術(shù)要求首先確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和永磁材料性能，再由電磁負(fù)荷（A, Bδ），確定主要尺寸（Dil lef）其電磁設(shè)計計算流程如圖3-1所示。該方程思路清晰，參數(shù)確定和方案調(diào)整都很方便，對電機(jī)研發(fā)人員來說非常習(xí)慣，但需要很多經(jīng)驗參數(shù)。</p><p><b>　　4.2 設(shè)計思路</b></p><p>　　設(shè)計流程圖如下圖所示</p><p>　

108、　圖4-1 調(diào)速永磁同步電動機(jī)電磁設(shè)計流程</p><p>　　4.2.1主要尺寸選擇</p><p>　　永磁同步電動機(jī)設(shè)計與其他交流動電機(jī)設(shè)計一樣，通過電磁計算來確定電機(jī)的各個部分幾何尺寸，如電動機(jī)的主要尺寸、定子沖片尺寸、繞組數(shù)據(jù)和氣隙長度等，還要確定轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)型式以及永磁材料和尺寸等。</p><p>　　主要尺寸（Di1和Leff）、定子沖片尺寸、槽數(shù)、

109、槽形尺寸、電樞繞組等都可采用類比法參考類似規(guī)格的異步電動機(jī)初步選定，再進(jìn)行電磁計算核算。</p><p>　　調(diào)速永磁同步電動機(jī)的主要尺寸尚可可由所需要的最大轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)確定，為了提高加速能力，一般情況下，最大轉(zhuǎn)矩（又稱峰值轉(zhuǎn)矩）Tmax為額定轉(zhuǎn)矩TN的2.5倍以上。</p><p>　　下面分析表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)正弦波永磁同步電動機(jī)主要尺寸的設(shè)計過程。</p>

110、<p>　　當(dāng)調(diào)速永磁同步電動機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩指標(biāo)為Tmax時，則最大轉(zhuǎn)矩與電磁負(fù)荷和電機(jī)的主要尺寸有如下關(guān)系： </p><p>　　Tmax=BLef Di12A×10-4 (3-1) </p><p>　　式中B-------氣隙磁密基波幅值（T）；</p><p&g

111、t;　　A--------定子電負(fù)荷（A/cm）</p><p><b>　　A=</b></p><p>　　當(dāng)選定電動機(jī)的電磁負(fù)荷后，電動機(jī)的主要尺寸</p><p>　　Lef Di12= 104 (3-2)</p><p>　　確定電動機(jī)定子外徑時，一般是在保證

112、電動機(jī)足夠散熱能力的前提下，視具體情況為提高電動機(jī)效率而加大定子外徑或為減小電動機(jī)制造成本而縮小定子外徑。</p><p>　　調(diào)速永磁同步電動機(jī)的氣隙長度一般由于電動機(jī)的不同的用途，其氣隙長度的取值也不相同：對采用表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)，由于轉(zhuǎn)子鐵心上的瓦片興磁極需加以表面固定，其氣隙長度不得不做的較大；對采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的，并要求具有一定的恒功率運(yùn)行速度范圍的永磁同步電動機(jī)，則電動機(jī)的氣隙長