永磁电机调速仿真研究

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊

摘要

自改革开放以来，我国经济一直处在快速发展，而电机在工业、农业、运输业等国民经济主要产业中都有广泛应用。近年来，随着永磁电机制造成本的降低，还有电力电子器件工艺的快速发展以及全数字化控制技术的推广，永磁同步电机在包括混合动力汽车、轨道交通、电梯领域等广泛的领域中都有非常多的应用前景，而且永磁同步电机未来的发展趋势也非常可观。因此，研究永磁同步电机的控制符合当前时代的发展。而永磁同步电机控制的难点在于静止启动和无传感器条件下的控制。

本文通过阅读大量国内外参考文献，了解目前永磁同步电机控制的研究现状，从而确立了采用无位置传感器的矢量控制方法来实现永磁同步电机的控制。通过建立永磁同步电机的数学模型，分析永磁同步电机的矢量控制原理，提出了采用P-I低速外环启动的控制策略，采用滑模观测器的无位置传感器的矢量控制策略以及采用简化算法的空间矢量脉宽调制实现。通过MATLAB中的SIMULINK仿真平台构建仿真系统来研究永磁同步电机的调速系统的可行性。最后，在实际的控制平台上编写控制程序调试电机，通过实验测试和实验波形分析来验证基于无位置传感器的永磁同步单机的矢量控制系统的正确性和可行性，以及分析系统的调速性能和鲁棒性。

关键字：永磁同步电机;矢量控制;滑模观测器;P-I控制策略;空间矢量脉宽调

制

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊

Abstract

Since reform and opening up, China's economy has been in rapid development, and the motor in the major industries of the national economy such as industry, agriculture, transport,there is a wide range of applications. In recent years, with the permanent magnet synchronous motor manufacturing cost is reduced, the rapid development of power electronics technology and the expansion of full digital control technology, there are so many application prospect of permanent magnet synchronous motor in a wide range of fields such as of hybrid cars, rail transportation, elevators and so on. Therefore, research of permanent magnet synchronous motor control in line with the current development of The Times. And the difficulty of permanent magnet synchronous motor control is standing start and sensorless control.

In this article, through reading a large number of references at home and abroad,analyzed the research development of permanent magnet synchronous motor control,adopt the sensorless vector control method to realize control of permanent magnet synchronous motor.By establishing the mathematical model of permanent magnet synchronous motor, analysis of permanent magnet synchronous motor vector control principle, put forward using P-I low一speed open-loop start-up control strategy, using the sliding mode observer of sensorless vector control strategy and the simplified algorithm of space vector pulse width modulation.By building the simulation system in the SIMULINK platform of MATLAB to verify the feasibility of the design system. Finally, write the control programs to debug the machine in an actual motor control platform. Through the experiment test and the experimental waveform analysis to verify the correctness and feasibility of permanent magnet synchronous motor vector control system. And analysis system of speed control performance and robustness.

Keywords:permanent magnet synchronous motor; vector control; the sliding mode observer;P-I control strategy; the space voltage vector pulse width modulation

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊

目录

安徽工业大学工商学院.................................. 错误！未定义书签。前言................................................................... I Abstract ............................................................. III 目录............................................................... III 第一章绪论 (5)

1.1课题背景 (5)

1.2发展概况及意义 (5)

结论.................................................. 错误！未定义书签。参考文献.............................................. 错误！未定义书签。附录：................................................ 错误！未定义书签。

第一章绪论

1.1课题背景

随着社会的进步，高效与节能逐渐成为当代工业发展的主要目标，因此企业对于工业化自动控制设备的要求也越来越高。电机驱动控制系统作为工业自动化控制的核心设备，其性能表现将直接影响到生产效率以及产品质量。纵观人类工业的发展史，都与电机的发展密不可分。

早期的工业生产广泛运用直流电机控制系统。直流电机由于机械特性和调速特性均为平行的直线，起动扭矩大，动态性能好，具有优越的可控性。但是直流电机必须安装机械换向结构，运行过程中电刷和换向器不断接触和摩擦，容易引起火花，从而导致直流电机结构复杂、故障多、维护困难、可靠性低，难以运用于一些恶劣的工作环境中。

随着交流调速控制理论的不断提高和完善，特别是电力电子器件、脉冲宽度调制(PWM)技术、矢量控制技术的发展，人们逐渐将研究目标从直流电机转移到交流电机上来。尤其是鼠笼式感应电机的出现，它具有耐用性好、结构简单、成本低、维护方便以及适用面广等优点，使交流调速控制理论得到了关注和更加深入的研究。但是感应电机转子参数不可测、调速性能差，因此学者们也投入了大量精力来开发新的电机驱动系统。80年代初，大功率交流驱动系统开始使用电励磁同步电机作为驱动电机。同步电机可以通过调节转子励磁电流来进行控制，而且始终运行在同步速，没有转差功率，效率会更高。但是需要维护转子侧励磁所需要的滑环电刷，降低了可靠性。

在这样的大环境下，永磁电机逐渐发展起来。与传统的电励磁电机相对比，永磁电机直接通过永磁体励磁，取消了励磁绕组和励磁电源，从而消除了励磁系统带来的损耗，效率得到提高;其次结构简单，体积小，重量轻，提升了可靠性;电机尺寸和形状灵活多样，适用性好。所以它不但能部分代替传统的电励磁电机，而且可以获得更加优异的性能。目前，永磁电机由于极广的功率范围，被运用在国民生产的各行各业，产量剧增。

由于永磁电机的一系列优点，世界各国的电机电器行业和科研院所都把对永磁电机的开发和研究列为热点。其中，研究的主要内容包括永磁电机的结构设计、运行控制和性能优化等。永磁电机一般通过永磁体产生磁动势，而永磁体的形状和放置位置灵活多样，磁路结构复杂多变，所以对永磁电机的分析计算要比普通电机困难。目前对于特定环境使用的永磁同步电机，必然需要在普通永磁电机的基础上进行性能的优化改进，但是这方面可借鉴的资料比较少。而且由于部分电机设计厂商缺乏全面的试验条件，这使电机设计者不可避免的要担当很大的风险，甚至付出过高的经济代价。所以继续深入研究和探讨有效的永磁电机分析设计方法和性能改进措施十分有必要。1.2发展概况及意义

永磁同步电机具有结构简单可靠性高、功率因素高、效率好、启动力矩大、温升低、转子结构多样化等特点，使得永磁同步电机的使用从民用到国防，从日

常生活到航天航空，从简单电动工具到高科技产品都有涵盖。

1.2.1永磁同步电机应用的领域

下面介绍几种永磁同步电机应用的领域。

(1}轨道交通

2007年，阿尔斯通公司研发出了新一代永磁牵引系统的高速AGV列车V 150。该试验车由前后两辆牵引机车、三节双层客运车厢以及装有永磁电机的新一代高速列车AGV转向架组成。V150列车采用八台功率为1950kW异步电动机用于前后两端的牵引机车，采用四台功率为1000kW的永磁同步电机用于AGV转向架，这样的动力系统比传统列车更强劲，能耗更少，该列车创下列车速度新纪录，达到574.8km/h 。

我国在2012年5月，由南车株洲公司试制采用600kW永磁同步牵引电动机的高速动车组出厂试验表现优异，各项试验结果与计算结果吻合。这标志着我国轨道交通领域最大功率的永磁同步牵引电动机试制成功。此次该公司研制成功的600千瓦永磁同步牵引电动机，是在此前地铁用永磁同步牵引电机的成功经验上，开发的国内第一台高速动车组用永磁同步牵引电机，也是我国目前轨道交通领域功率最大的永磁同步牵引电动机，该电机功率密度高、体积限制严。

(2)电梯领域

电梯拖动系统的发展主要经历了四个阶段:交流双速电梯、交流调压调速、直流调速以及交流调频调压调速。交流双速是指利用电机内的高速绕组和低速绕组的切换来实现电梯的两段速度控制，并在启动和停止的时候采用能耗制动等手段实现平滑过渡，缺点是电机结构复杂、耗电量大。交流调压调速通过电路采集电梯运行速度模拟量，利用可控硅等电子开关调整电机输入电压，使其跟随速度变换，缺点是电机要特制、能耗大、速度特性比较差。直流调速可以达到高速度以及高精度控制，不过电机体积庞大结构复杂，比较难维护，成本也比较高。现在比较普遍采用的是交流调频调压调速技术。近年来，许多国内外厂家都采用以永磁同步电机为主体的拽引系统，相较于传统的齿轮驱动电梯系统和采用感应电机的系统，永磁同步电机的效率更高，耗能更少，体积小设计更加紧凑。而且在交流调频调压调速技术方面，永磁同步电机的矢量控制技术和直接扭矩控制技术都己经非常成熟了。目前，有日本三菱公司推出的超薄PM拽引机，芬兰KONE 推出的ECODISC盘式的PM拽引机。此外，德国的WITTUR、日本的安川以及瑞士相关产品。

(3)石油工业与港口机械

在石油工业与港口机械等重工业行业内，采用传统电机不仅耗能多，而且工作效率也不高。在石油工业，采用37KW稀土永磁同步电机的抽油机的工作效率与采用55KW异步电动机的工作效率是相同的，也就是说采用永磁同步电机可以克服低效率、低功率因数等问题，此外采用永磁同步电机技术提高电机机械性能和效率，节约能源损耗。

当然除了上述几种领域之外，永磁同步电机还有很多应用领域。在医疗设备领域、风机水泵、船舶电力推进系统等，永磁同步电机也都发挥着重要的作用。

通过上面介绍的几种永磁同步电机的主要应用领域可以看到，永磁同步电机应用领域的特点都是重负载、启动扭矩大、耗能高、要求效率高等，因而永磁同步电机控制的一个难题就是启动问题。在启动负载过重的时候，能不能使得电机平稳启动而不失步是一个至关重要的问题，如果电机不能成功启动，那么接下去电机的调速也就毫无意义可言。因此，解决电机的启动问题在永磁同步电机的控制里面是一个很要的问题，也是一个容易被忽视的问题。

1.2.2永磁同步电机的发展趋势

我国稀土资源丰富，产量位居世界第一。充分发挥我国的资源优势，大力研究和推广以稀土为原材料的永磁同步电机，不仅有利于我国经济的发展，也可以促进电机学科和相关工业的发展。为了满足不同的需求，永磁同步电机的设计和制造工艺不断提升，电磁结构也更加复杂，计算结构也更加精确，因而永磁同步电机的发展前景非常可观。

(1）向机电一体化发展。机电一体化是将机械技术、信息技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术等进行有机结合并综合运用的综合技术。机电一体化是现代化生产设备的发展方向。而作为中间重要的一个基础设备，永磁同步电机也要向机电一体化发展，比如体积更加紧凑，性能更加稳定等。

(2)向高性能发展。日益更新的生产技术对电机的发展提出了新要求。比如

军事

产业需要各种高性能信号电机;移动电站和自动化生产设备需要伺服电机;航天航空需要各种高性能、高可靠性的永磁电机等。高性能电机的发展可以促进机器人、数控机床等相关产业的发展。

(3)向专用电机方向发展。永磁电机所带的负载各种各样，如果都采用通用电机，这样不仅会造成经济效益的浪费，也会给控制技术的发展带来不利。因而发展专用电机是必须的。针对不同的应用场合以及不同的应用需求，是偏向于工作效率还是偏向于节能省电，各种专用电机都有自己所对应的应用市场。

(4)向轻型化发展。稀土永磁同步电机的结构比较简单，轻型化是其特点。不管是在航天航空还是在精密产业，都需要结构轻巧、重量较轻的电机。因而未来的电机肯定是往轻型化发展。

通过上述的背景分析可以看到，永磁同步电机拥有良好的性能和优点，广阔的应用领域以及非常可观的发展前景。研究永磁同步电机的控制意义重大，不仅顺从了电机发展的潮流，也可以借助电力电子技术以及微机技术的新发展，研究出更加精确和更加稳定可靠的电机控制技术，服务于社会生产建设的需求。

1.3国内外研究现状

随着电力电子技术的快速发展，尤其是数字信号处理器的出现，使得永磁同步电机的无传感器控制得到快速发展，也获得了国内外许多专家和学者的重

视。无传感器控制的研究可以追溯到二十世纪七十年代，由A. Abbondnat i等学者推导出基于稳态方程的转差频率估计方法，该方法调速范围较小，动态性能和调速精度无法得到保证，这是无传感器控制的首次尝试。1983年，由R0. Joetten将无传感器技术与矢量控制相结合。早期的无传感器技术主要都是通过检测物理量的波形，根据某些特征位置来辨识转子位置。

从二十世纪九十年代以来，国内外学者在无传感器控制技术上都进行了深入的研究。美国Wisconsin大学的R. D. Lorenz教授及其研究团队于 1993年最早提出采用高频信号注入的方法进行永磁同步电机的无传感器控制，取得了许多研究成果。德国Wuppertal大学的Joachim Holtz教授主要研究的也是高频信号注入法。在国内，浙江大学的贺益康教授及其团队主要研究基于凸极效应的高频信号注入法。天津大学把滑模变结构观测器与扩展卡尔曼滤波算法组合用于无传感器控制中。国内的其它高校也在不同控制算法进行尝试，并且都有了一定的研究成果。

1.4 MATLAB软件

MATLAB产品家族是美国Math Works公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得MATLAB在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在MATLAB的主要应用方向一科学计算、建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具。

在MATLAB产品家族中，MATLAB工具箱是整个体系的基座，它是一个语言编程型(M语言)开发平台，提供了体系中其他工具所需要的集成环境(比如M语言的解释器)。同时由于MATLAB对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。

MATLAB产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了SIMULINK,用来对动态系统建模仿真。SIMULINK是另一种用于图形输入和非线性动态系统仿真的工具箱。它是由大量的积木式模块组成的，可用于以这些模块为基本单元的控制系统仿真。在MATLAB/SIMULINK基本环境之上，Math Works公司为用户提供了丰富的扩展资源，这就是大量的Toolbox和Blockset。从1985年推出第一个版本以后的近二十年发展过程中，MATLAB已经从单纯的Fortran数学函数库演变为多学科，多领域的函数包，模块库的提供者。

本次课题主要是基于在MATLAB软件的SIMULINK平台上模拟仿真研究。所以要熟练的运用MATLAB软件，清晰的分析电路仿真结构示意图，了解器件的功能。

1.4本章小结（*有问题）

本文的主要研究内容以MATLAB软件的SIMULINK模块为基础，搭建了永磁同步电机矢量控制系统的实验平台，在理论上研究永磁同步电机的仿真调速结论。

全文按如下内容组织结构，论文第二章概述永磁同步电机；第三章分析了永磁同步电动机的矢量控制策略的原理及实现方法;第四章研究永磁同步电机的仿

真调速结果。第五章结论

第二章永磁同步电机的概述

2.1永磁同步电机的简介

永磁同步电机主要由定子、转子以及机体这三部分构成。其中，定子是由三相绕组和铁心构成，这与绕组式电机相同。永磁同步电机的转子采用永磁铁构成，可以消除直流励磁绕组所引起的励磁铜耗，提高电机的功率密度;同时也可以使转子的惯性降低。当然，这也会导致出现退磁效应，使励磁磁链控制的灵活性降低等。永磁同步电机的同步是指转子转速与定子旋转磁场的转速相同，也就是说永磁同步电机一定是以同步转速旋转，这个转速只与电源频率有关，因此永磁同步电机比异步电机拥有更加高的效率。此外永磁体的性质和材料的选择都对永磁同步电机的设计以及性能有重要影响。

2.1.1永磁电机的种类和基本结构

类似于同步电机，按照隐极和凸极的分类，永磁同步电机可以分为，具有转子表面贴附永久磁铁的表面贴装式永磁同步电机(Surface Permanent Magnet,简称SPM)与转子铁心内部埋入永久磁铁的内埋式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet，简称IPM)两种型式。图2-1为这两种PMSM的切面图。

2-1 两种PMSM的切面图

表面贴装式永磁同步电机由于永磁体在转子里面,电感小,可快速获得感应电流;同时且不会产生磁阻扭矩,扭矩特性的线性也很好,使用于高应答速度的随动系统,但是使用在高速范围内,离心力强度提高,永久磁铁有必要设置固定的保护环。

内埋式同步电机由于永磁体埋入于转子内部，因离心力而使磁铁飞出这方面的问题，要比表面贴附式永磁同步电机有利的多。IPM①磁场的凸极性被设计成很小，此型式具有比较好的扭矩线性，另外，制造成本也比SPM 低，使用于低应

答速度的随动系统。工PM②的转子具有磁场的凸极，不仅产生磁场扭矩，而且也产生磁阻扭矩，磁阻扭矩是在线性的磁场回路场合不会产生的扭矩。由于凸极机使其产生非线性时的扭矩，若能灵活利用此磁阻扭矩可获得高效率的运转此方面的特点，尤其受到大家所关注。这两种电机的分类与特点如表2-1所示。

表2-1 PMSM的分类及其特点

2.1.2永磁同步电机的特点和应用

永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波扭矩以及由谐波扭矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动，在动态响应要求高的场合其应用前景尤其看好。本小节先简单介绍永磁同步电机的特点。

永磁同步电机的优点主要有:

①高功率因数、高效率。

永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，可以显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小甚至省去了相应的风摩损耗。这样，它的效率比同规格的异步电动机可以提高2 }-8个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁功率，提高了效率。而且，永磁同步电

动机在25%^'120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使用中可以大幅度地节省电能。

②扭矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。

同步电动机比异步电动机对扭矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。当异步电动机的负载扭矩发生变化时，要求电机的转差率也跟着变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。同步电动机的负载扭矩变化时，只要电机的功角做适当变化，而转速始终维持在原来的同步速不变，转动部分的惯性不会影响电机对扭矩的快速响应。永磁同步电动机的最大扭矩可以达到额定扭矩的3倍以上，对电机系统在负载扭矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。

③体积小、重量轻。

近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减少，从而使其在许多特殊场合得到应用。

④结构多样化，应用范围广，可靠性高。

永磁同步电动机由于转子结构极其多样，产生了特点和性能各异的许许多多的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不包。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，它没有电刷，简化了结构，增加了可靠性。

2.2永磁材料

永磁材料具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性的材料。又称硬磁材料。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。

永磁同步电动机采用磁钢作为励磁，永磁电机的推广与应用与永磁材料的发展息息相关。

2.2.1永磁材料的发展

永磁材料在20世纪获得了巨大的发展，在现代高技术和人们日常生活中发挥着重大的作用。1917年人们就发现钻钢具有永磁性能，在1937年用“Alnico”永磁材料制备了永磁体。本世纪50年代，铁氧体BaFe12019被称为第一代永磁材料，由于其具有高的矫顽力和大的磁晶各向异性，掀开了磁性材料新篇章。

六、七十年代相继开发出SmCoS和Sm2Co17永磁材料，将稀土元素和3d过渡族元素结合起来，提高了永磁体的磁特性，被称为第二代永磁材料。

七、进入80年代中期，磁性材料的研究与开发给工业发展带来了革命性的变化。

1983年Sagawa等成功开发出NdFeB烧结永磁体，以其优越的磁性能迅速取

代了

Sm-Co系永磁材料，成为一代磁王。NdFeB永磁体的磁性能逐年提高，以主要能指标最大磁能积气BH)max为例:1983年为291.2kJ/m3(36.4MGOe), 1986年报道为404.8kJ/m3(50.6MGOe), 1991年达到417.6kJ/m3(52.2MGOe), 1993年日本住友特殊金属公司报道为433.6k3/m3(54.2MGOe)o NdFeB合金，被称为第三代永磁料，在永磁材料家族中迅速占据了主导地位。

1990年，Coey等首先利用气固反应在Sm2Fe 17化合物中引入N原子，成功开发了Sm2Fe 17Nx永磁材料，从而推动RE2Fe17Nx(M=C, N; x=2}-3)系永磁材料的

研究与开发。Sm2Fe17Nx合金被称为第四代永磁材料，由于具有高的居里温(481 0C)和优异的各向异性场，被誉为21世纪的永磁材料。

作为大量应用于永磁同步电机制造的钱铁硼永磁材料是永磁材料技术的一次突破，与第二代稀土永磁相比它的磁性能更高，比重小，机械强度好，而它性能价格比仅为前者的1/S，因此在民用产品中得到广泛使用。随着钱铁硼永磁体的热稳定性和耐腐烛性的改善以及价格的进一步降低永磁电机使用范围必将进一步扩大性能也将会有很大提高。

我国是稀土资源大国，丰富的原料资源使我国在生产钦铁硼磁体上具有优势，目前我国多个大学和研究所，如沈阳工业大学、西北工业大学、华中理工大学、清华大学相继进行稀土永磁电机的研制开发，取得了不少成果。

2.2.2永磁材料几种分类与特点

下面简单几种永磁材料及其特点。

(1)铝镍钻磁铁。优点是工作温度高、热稳定性好和磁链密度高。缺点是永久退磁大，所以在实际中不适合用来做永磁电机;

(2)钡和锯铁氧体。优点是成本低、原料丰富、易于生产、较高的工作温度以及几乎线性的退磁曲线，因而被广泛用作永磁铁，不过电机体积较大，重量也很高;

(3)钻杉磁铁。优点是高剩磁、高能量密度、线性退磁特性和较高的工作温度。不过由于杉供应缺乏，这种材料非常昂贵;

(4)钦铁硼磁铁。优点是最高能量密度、最高剩磁和非常好的矫顽力，缺点是工作温度低，容易被氧化，因而需要涂层保护。由于价格适中、电机重量降低，钦铁硼磁铁正在越来越多地应用在永磁电机中。

2.3影响永磁同步电机控制系统发展的主要因素

影响永磁同步电机控制系统发展的因素有很多，除上一小节中的永磁材料外其主要还包括了:电力电子器件，计算机仿真技术，高性能控制芯片以及智能控制理论。

2.3.1电力电子器件

电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关和相互促进的。电力电子器件是现代电力电子设备的心脏。电力电子时代是从50年代末晶闸管(SCR)的出现开始的，后来陆续出现了其他种类的器件，诸如:控制极可关断晶闸管(GTO)，双极型大功率晶体管(BJT )，功率MOS场效应管(MOSFET),绝缘门极双极型晶体管(工GBT)，静态感应晶体管(S工T)，静态感应晶闸管(SITH),MOS控制的晶闸管(MCT)等。从发展来看，电力电子学一般是跟随着电力电子器件的发展前进的，而电力电子器件则是跟随固体电子学的发展前进的。

控制系统中大量使用的绝缘门极双极型晶体管(IGBT)出现在20实际80年代。在IGBT中，用一个MOS门极来控制宽基区的高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率MOSFET的高输入阻抗与双极型器件的优越通态特性相结合的器件。实际上，工GBT的通态特性比高电压的晶体管还好，接近晶闸管的通态特性。目前，己有可提供数百安培额定电流和1500V阻断电压的商品化器件。

IGBT等全控型器件具有自关断能力，组成逆变器时不需要晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构提高了效率。由于工作频率的大幅度提高，明显的扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了系统的动态响应，效率和功率因素。值得一提的是，新型控制系统中开始使用智能功率模块(Intelligent Power Supply，简称为IPM)，这种模块集成了控制电路功能和大功率电子开关器件，包括了输入隔离，能耗制动，过温，过压，过流保护及故障诊断等功能。它的应用显著地简化了控制单元的设计，并实现了系统的小型化和微型化。

2.3.2计算机的仿真技术

在电力系统的设计中，精确的仿真有助于大量减少设计和实验费用，减少总成本和产品设计过程。在设计阶段使用仿真有诸多好处。

一方面永磁电机本体的优化设计需要采用有限元遗传算法等消耗大量机时的先进算法，这在过去计算机速度很低的情况下是不可能实现的。另一方面由于电机控制系统的性能不但跟电机本体结构参数有密切关系，而且还要受到驱动线路形式，负载性质等多方面的影响，因此必须对整个系统进行优化设计以得到最佳的性能，而这就需要有高速的计算机CAD系统来进行仿真和设计。

用于分析电力电子装置变频调速系统的CAD软件不断涌现，其中一些软件得到了广泛的应用，如MATLAB（第一章中已有简单介绍）, SPICE等。

（SPICE是California-Berkeley大学在70年代早期为集成电路仿真开发的，全称为Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis(面向集成电路

仿真程序)。它是低功率等级电力电子最广泛应用的仿真程序。

SPICE程序既提供时域仿真，又可提供频域仿真。SPICE在应用于电力电子领

域时有些缺点，如果电路中或在控制器中有陡的断电，那么电力电子的仿真解就难以收敛。SPICE中的器件模型用于电力半导体器件是不够精确的，难以确定控制器的性能模型。

SPICE有众多的商业版本，熟悉面广，易于应用，在今后会继续得到广泛的应用。）

本次课题采用的是MATLAB软件。

2.3.3高性能的微处理器

电力电子系统的控制要求有几种不同特性的功能:数字滤波、整形、驱动信号的产生、测量、监控、保护等等。在很长一段时间，这些功能的实现主要依靠模拟技术，即利用硬连线的方法实现。控制电路的结构采用运算放大器、非线性集成电路以及数字集成电路等。微处理器的发展促进了电力电子系统中数字技术的应用，即采用软件技术，提供了更大的灵活性和更好的性能。

微处理器的传统应用领域大多在计算和数据处理方面，如计算机、通信系统、语音和图像处理系统等，在电力电子系统的实时控制中，微处理器的能力也可以得到发挥，并且在许多方面非常重要。为达到高的控制带宽和能实现复杂的控制算法，处理器必须具有很高的执行速度。为控制一个大型的系统，往往有数个微处理器协调运行于一个中央微处理器之下，设计时将需要具有高速通信能力的处理器。随着微处理器性能的不断改善，控制功能逐渐由硬件向软件转化。在全数字化控制系统中，多有功能由软件实现，只有很少量的硬件用于控制系统和动力回路之间的接口。

应用于电力电子系统的微处理器，基本功能包括:

(1)数据获得和处理系统的电气和机械参数(电压、电流、位置、速度、加速度、扭矩、力等)是由不同的传感器提供的，在采样后由数据变换器(模拟一数字变换器、分解器一数字转换器)转变为数字数据。获得的数据被加工(滤波、换算等)而成为控制的信号。

(2)通信通信功能需要接收来自操作人员及相应的计算机指令输入，它还需要将高一级控制所需的不同系统变量传输到相应的计算机中。

{3)系统逻辑和控制算法这部分要完成的是控制系统的主要功能。它实现管理系统运行的系统逻辑和控制算法。典型的控制逻辑包含一个实时执行系统，它能同时调度和执行多个任务。

(4)动力回路接口这一功能是为使控制软件和硬件与功率变换器的输入相匹配，产生功率变换器所需要的驱动信号。

(5)辅助功能包括显示、储存、监控和保护、试验和诊断

近来推出的微处理器可按照其结构划分为三大类:C工SC处理器、R工SC 处理器

和数字信号处理器。

新型高档微处理器开始是为计算和数据处理应用而设计的，但是控制系统也

能从其增强的性能中受益。新型微处理器的搞执行速度有助于增加采样速度、带宽，从而达到与模拟控制器可比的数值，抗负载扰动的能力也得到加强。处理器的高速运算能力使得人们有可能实现复杂的实时控制算法，如状态反馈控制、最优控制、状态观测器、Kalman滤波器以及具有高采样速度的自适应控制。下一代的基于专家系统、神经网络和模糊逻辑的智能控制器也将会采用高级处理器和ASIC加以实现。

2.3.4智能控制理论

高性能永磁同步电机调速系统的发展离不开先进控制策略的成功应用。这里主要介绍滑模变结构控制以及作为智能控制理论的模糊控制和神经网络控制。

滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目地的使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以很容易实现。在过去10多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并己取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题，主要原因是:①对于实际的滑模变结构系统。其控制力总足受到限制的，从而使系统的加速度有限;②系统的J惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差，特别对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。所以，在实际系统中抖振必定存在且无法消除，这就限制了它的应用。

智能控制理论是自动控制学科发展的一个新阶段。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖对象的数学模型，按实际效果进行控制。其次，它继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性的特性。

利用智能控制的非线性，变结构，自寻优等各种功能来克服控制系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性。目前智能控制在控制系统应用中较为成熟的有模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段，以消除参数变化和扰动的影响。

模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制器只是以取代传统PID控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控制器，虽相当于变系数PID 调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一个简单的传统模糊控制器用于高精度电机传动系统，还不能得到令人十分满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法相结合，才能获得优良的性能。

神经网络控制在交流传动中的应用主要有下面几个方面:①代替传统的PID 控制;②由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；③感应电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知道转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速;④结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用于自适应速度控制器。

虽然将智能控制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能(如稳定性和鲁棒性)缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡;另外，交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于DSP, FPGA等控制用电子器件的高速化。

第三章永磁同步电机的矢量控制

在研究永磁同步电机的PMSM的数学模型包括电动机的运动方程，物理方程和扭矩方程，这些方程是永磁同步电机数学模型的基础。控制对象的数学模型应能够准确地反应被控系统地静态和动态特性，数学模型地准确程度是影响控制系统性能好坏地关键。本文永磁同步电机常用于各种位置控制系统，本章将主要介绍永磁同步电机矢量控制系统（电流环，速度环，位置环的主要控制）的原理。

3.1永磁同步电动机的数学模型

三相永磁同步电机的定子和带转子绕组的同步电动机的定子结构是相同的，永磁同步电机和电励磁同步电机在数学模型上是相似的。为简化分析，在推导中，作如下的假设:

1)定子绕组为Y型连接

2)反电动势为正弦，忽略饱和和谐波的影响

3)不计涡流和磁滞损耗

4)转子上无阻尼绕组，永磁体也无阻尼作用

5)励磁电流无动态响应过程

（3-1）永磁同步电机矢量关系图

永磁同步电机地物理方程为:

（3-2）

（3-3）

d, q 变量可以由a, b, c 变量通过park 变换获得，对恒相幅值的park 变换定义如下:

（3-4）

同样，通过逆变换可以由a, b, c 变量获得d, q 变量。恒相幅值的逆变换定义如下:

（3-5）

????

?

????

??

?+???

?????????????????=??????????ψψψc b a

c b a c

b

p i i i R R R 000000a c

b a v v

v

由此，得到建立在转子d,q 坐标系下PMSM 的方程为:

（3-6）

（3-7）

此时；

（3-8）

（3-9）

式中

V d 和V q 是d, q 轴的电压;I d 和I q 是d, q 轴的电流;L A 和L b 。是d, q 轴的电感; Ψd 和平Ψq 是d, q 轴的磁链;R 和W S 分别是定子电阻和逆变器频率;平Ψaf 是

永磁转子在定子上产生的磁链值;e 为转子磁链方向和a 轴的夹角。 改写上式得到，

（3-10）

其中

（3-11）

电磁扭矩公式

（3-12）

（3-13）

电机运动方程

ψ

ψ

q

s w -+= p Ri v d

d

d

ψ

ψd

s

q

d

d

w p i v ++=R i i q

q q

af

d d d L L =+=ψ

ψ

ψ

i i

i q

d

s

j +

=Jpw

w r e r

L B T T ++=

（3-14）式中

P表示极对数;T L是负载扭矩;B是阻尼系数;W r是转子转速;J是惯性系数;逆变器的频率，即定子频率映射到转子转速上，有以下关系:

（3-15）流向电机的功率，a,b,c变量表示为:

（3-16）

用d,q变量表示则为:

（3-17）

永磁同步电机的模型中包含了转速和I d及I q的乘积，是非线性的模型。以W r，i q，i d作为状态变量，得到的状态方程如下

（3-18）

作为电机电磁扭矩的公式

（3-19）

式(3-19)的电机电磁扭矩可以分为两项，第一项是由定子电流与永磁体磁场励磁磁场相互作用产生的电磁扭矩，称为永磁扭矩，第二项是由转子凸极效应引起的，称为磁阻扭矩。对于SPM的转子结构，L d=L q，不存在磁阻扭矩;对于IPM 的转子结构L d, L q不同。

系统的运动方程为

（3-20）

式中，Te是电磁扭矩;P是磁极对数;L d, L q是三相绕组在dq轴上的等效电感;

J是系统转动惯量;B是阻尼系数;T,,是负载扭矩。

Pw

w r

s

=

i v

i v

i v c c

b

b

a

a

+

+

=

power

()2/

3

power i v

i v q q

d

d

+

=