基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统的仿真研究样本.doc

本科生毕业设计（论文）学院(系)： 专 业：学 生： 指引教师： 完毕日期 年 5 月 本科生毕业设计（论文）基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统仿真研究The simulation research of permanent magnet synchronous motor vector control system based on Matlab总 计： 29 页表 格： 1 个插 图： 28 幅本 科 毕 业 设 计（论文）基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统仿真研究The simulation research of permanent magnet synchronous motor vector control system based on Matlab学 院（系）： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）：评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制系统仿真研究电气工程及其自动化 摘 要 永磁同步电动机作为一种新型电动机，具备功率密度高、转子转动惯量小、运营效率高等长处，获得辽阔应用和发展空间,在各行各业以及寻常生活中应用越来越广泛。本文在综述了永磁同步电动机及其控制技术发展状况基本上，推导了永磁同步电动机数学模型和等效电路，并详细阐述了其矢量控制原理，分析了id=0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制等控制方略。论文最后运用了Matlab/simulink工具对id=0永磁同步电动机矢量控制系统进行了仿真研究，仿真成果证明了所提出控制办法对的性，为实际电机控制系统设计提供了理论根据。核心词 永磁同步电动机;仿真建模；Matlab；矢量控制The simulation research of permanent magnet synchronous motor vector control system based on MatlabElectrical Engineering and Automation Specialty Abstract：As a new style motor，permanent magnet synchronous motors are receiving increased attention for drive applications because of their high torque to ratio，Permanent magnet synchronous motors(PMSM) are becoming attractive in many application of industry and daily life. Based on summarizing the PMSM and its control technological development situation ,this paper infered the PMSM mathematical model and the equivalent circuit，and detailed its principle of vector control，and analyzed the id=0 control，biggest torque/current control，flux-weaked control and so on. At the end of the paper，the simulation research of id=0 PMSM vector control system is carried out with Matlab /simulink tool ,the simulation results prove the control method accuracy，and provides the theory basis for the actual motor control system design. Key words：Permanent magnet synchronous motor(PMSM)；modeling and simulation；matlab；vector control目 录1 引言11.1 永磁同步电动机发展概况和发展前景11.1.1 永磁同步电动机发展概况11.1.2 永磁同步电动机发展前景21.2 永磁同步电动机控制技术发展21.2.1 永磁同步电动机控制技术概述21.2.2 永磁同步电动机矢量控制技术发展31.3 本文重要研究内容32 永磁同步电动机工作原理和数学模型42.1永磁同步电动机工作原理42.1.1永磁同步电动机稳态方程42.1.2 永磁同步电动机双反映理论62.1.3永磁同步电动机等效电路62.1.4 永磁同步电动机损耗和效率72.2 永磁同步电动机数学模型83 永磁同步电动机矢量控制原理123.1 永磁同步电动机矢量控制原理123.2 永磁同步电动机矢量控制运营时基本电磁关系123.3 永磁同步电动机矢量控制方略144 永磁同步电动机矢量控制系统ID=0控制SIMULINK仿真144.1 永磁同步电动机矢量控制系统建模144.2 永磁同步电动机矢量控制系统simulink仿真194.2.1 空载启动仿真204.2.2转速突变仿真214.2.3 负载突变仿真235 总结25结束语26参照文献27附录28道谢291 引言电机是以磁场为媒介进行电能与机械能互相转换电力机械。磁场可以由电流励磁产生，也可以由永磁体产生,世界上第一台电机就是永磁电机,但当时所用永磁材料磁性能很低,不久被电励磁电机所取代。近几十年来，随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁相继问世，磁性能有了很大提高，许多电励磁电机又纷纷改用永磁体励磁。与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具备构造简朴，运营可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机形状和尺寸可以灵活多样等明显长处，它不但可以某些代替老式电励磁电机，并且可以实现电励磁电机难以达到高性能。永磁同步电动机因其优良性能和多样构造而在工农业生产、寻常生活、航空航天和国防等各个领域中得到广泛应用；本章扼要地回顾了永磁同步电动机及其驱动系统发展和现状，并简介了与之有关永磁材料、电力电子技术等方面发展概况，针对当代交流驱动与伺服系统发展趋势阐述了研究永磁同步电动机高性能调速控制系统重大意义。1.1 永磁同步电动机发展概况和发展前景1.1.1 永磁同步电动机发展概况 众所周知，每种机械产品都要配备电动机。美国1997就以立法方式，停止生产普通效率电动机(与国内大量生产Y系列电机性能相称)，加拿大、英国、日本也都效法美国停止生产普通效率电动机，如果不采用办法，加快发展高效节能电动机，咱们将不久失去机械产品国际市场。国内研制稀土永磁电机价格、性能国际市场上很有竞争力，当前已有某些产品出口。稀土永磁电机研究和开发大体可以分为三个阶段：（1）60年代后期和70年代，由于稀土钻永磁价格昂贵，研究开发重点是航空、航天用电机和规定高性能而价格不是重要因数高科技领域。（2）80年代，特别是1983年浮现价格相对较低铝铁硼永磁后，国内外研究开发重点转移到工业和民用电机上，稀土永磁优秀磁性能，加上电力电子器件和微机控制技术迅猛发展，不但使许多老式电励磁电机纷纷用稀土永磁电机来取代，并且可以实现老式电励磁电机所难以达到高性能。（3）进入90年代，随着永磁材料性能不断提高和完善， 使永磁电机在工农业生产、航空航天、国防和寻常生活中得到越来越广泛应用外，稀土永磁电机研究开发进入了一种新阶段。它正向大功率化(高转速、高转矩)、高功能化和微型化方向发展。因而，充分发挥国内稀土资源丰富优势，大力研究和推广应用以稀土永磁电机为代表各种永磁电机，对实现国内社会主义当代化具备重要理论意义和实用价值1。1.1.2 永磁同步电动机发展前景 随着稀土永磁材料迅速发展、电力电子和微机控制技术进步，特别是纳米晶复合永磁（它为69.8MGOe）浮现，将稀土永磁电机研究与发展推向一种新阶段。一方面，原有研发成果在国防、工农业和寻常生活等领域获得大量应用，例如汽车、火车、拖拉机、机床、计算机、风机、水泵、石油、化工、建筑等领域，都急需永磁电机与其配套以满足整机高效、高速、高响应速度和节能等高性能规定。另一方面，正向大功率化（高转速，高转矩）、高功能化和微型化方向发展，扩展新电机品种和应用领域。随着稀土永磁电机性能提高和驱动系统完善、价格减少。稀土永磁电机将越来越多地代替老式电机，应用前景非常乐观。1.2 永磁同步电动机控制技术发展1.2.1 永磁同步电动机控制技术概述纵观永磁同步电动机控制理论发展，先后涌现出大量控制办法，其中具备代表性有:转速开环恒压频比（U/f=常数）控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模控制与智能控制等。矢量控制，也称磁场定向控制。它是建立在对交流电动机数学模型坐标变换基本之上。通过一系列坐标变换，将交流电动机磁通分解成类似于直流电动机励磁分量和转矩分量，通过磁场定向控制，把交流电动机模型等效成直流电动机模型，模仿直流电动机控制办法，对交流电动机动态转矩进行控制，再通过一定坐标变换，等效为交流电动机控制量。矢量控制原理已经成为高性能永磁同步电动机控制理论基本。针对永磁同步电动机矢量控制存在缺陷与局限性，近几年国内外进行了广泛进一步研究，试图将各种控制理论办法应用于永磁同步电动机传动系统，以改进性能。但是，当前对永磁同步电动机控制方略研究还不如对异步电动机控制研究那样进一步、充分，除老式矢量控制系统己得到应用外，其他系统都只是停留在理论摸索或实验阶段，尚未得到应用。因而此后很长一段时间内传动控制方略研究将会重要环绕如下几种方面展开:研究具备较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不拟定性干扰，且算法简朴新型控制方略；研究具备智能控制办法新型控制方略及其分析、设计理论；研究高性能无速度传感器控制方略。1.2.2 永磁同步电动机矢量控制技术发展 最早永磁同步电机高性能控制采用电流型矢量控制方式。矢量控制最早是F.Blaschke针对于异步电机提出，通过旋转坐标变换将强祸合交流电机等效为直流电机，进行解耦控制，从而可以得到与直流电机相媲美控制性能。日后这种控制思想被拓展应用到永磁同步电机控制中，其基本控制思想是通过控制垂直于转子磁链定子电流来控制电机电磁转矩。永磁同步电动机矢量控制系统中采用电流控制办法重要有:（1） 控制； （2）转矩电流比最大控制；（3）控制；（4）恒磁链控制等。每种控制办法有其各自特点，合用于不同运营场合2。控制定子电流使其仅仅具有交轴分量控制方式普通称作为控制方式.本文重要选取这种控制方式进行讨论。但是控制方式并不是合用于所有永磁同步电动机。问题在于气隙磁链会受到电机电流和电感影响，这种现象普通称为电枢反映。电枢反映会使气隙磁场不与上述坐标系同步旋转，产生附加转矩(这个转矩又被称作磁阻转矩)，影响转矩控制效果，并且这种控制方式转矩电流比不是最优。.图1给出了电流矢量控制原理框图。图1永磁同步电动机电流矢量控制框图1.3 本文重要研究内容 本文通过对永磁同步电机分析，就矢量控制从理论以及实验基本上进行了研究。 本论文共分为五章： 第一章引言；扼要地回顾了永磁同步电动机发展和现状，并简介了与之有关永磁同步电动机状况和分类，针对当代交流驱动系统发展趋势阐述了研究永磁同步电动机矢量控制意思所在。 第二章永磁同步电动机有关理论基本；简朴简介了永磁同步电动机数学模型建立过程，推导了永磁同步电动机在定转子坐标系下电磁转矩方程，为进一步开展永磁同步电动机矢量控制方式仿真研究奠定了夯实理论基本。第三章为永磁同步电动机矢量控制原理；分析了永磁同步电动机矢量控制系统中各个构成某些基本原理。第四章为永磁同步电动机矢量控制系统simulink仿真研究；文中详细简介了仿真系统中各个模块功能与实现，对三种状况下仿真成果进行了分析。 第五章总结；对本次毕业论文工作做了总结。2 永磁同步电动机工作原理和数学模型2.1 永磁同步电动机工作原理2.1.1 永磁同步电动机稳态方程 电动机稳定运营于同步转速时，依照双反映及理论可写出永磁同步电动机电压方程。 = （1）式中 永磁气隙基波磁场合产生每相空载反电动势有效值； 外施相电压有效值； 定子相电流有效值； 定子绕组相电阻；、直交轴电枢反映电抗； 定子漏抗； 直轴同步电抗，； （2） 交轴同步电抗，； （3）、直、交轴电枢电流 （4）与间夹角，称为内功率角，超前时为正。由电压方程可绘制出永磁同步电动机于不同状况下稳态运营时几种典型向量图，如图2所示。图中，为气隙合成基波磁场合产生电动势，称为气隙合成电动势；为气隙合成基波磁场直轴分量所产生电动势，称为直轴内电动势；为超前角度，即功率角，也称为转矩角；为电压超前定子相电流角度，即功率因数角。图2a）、b）、c）中电流 均超前于空载反电动势,直轴电枢反映均为去磁性质，导致电动机直轴内电动势不大于空载反电动势。图2e）中电流 滞后于，此时直轴电枢反映为增磁性质，导致电动机直轴内电动势不不大于空载反电动势3。 a） b） c） d） e）图2 永磁同步电动机几种典型向量图图2d）所示是直轴增、去磁临界状态（与同相）下相量图，由此可列出如下电压方程: （5）从而可以求得直轴增、去磁临界状态时空载反电动势： （6）2.1.2 永磁同步电动机双反映理论 在各种磁路构造永磁同步电动机中，除表面凸出式转子磁路构造外，由于永磁材料和铁磁材料磁导率差别太大，导致磁路不对称，因此它们在电性能上都属于凸极转子4。因而沿电枢(即转子)圆周各点单位面积气隙磁导各不相似，如图3所示。由于变化以转子磁极轴线对称，并以180空间电角度为周期，故忽视高次谐波后，当坐标原点取在磁极直轴线上时，磁导可以用下式近似表达: （7）式中 磁导平均值； 磁导二次谐波幅值； 为沿电枢表面电角度。 图3 凸极永磁同步电动机转子磁导空间分布采用双反映理论分析办法，挣脱了磁导随磁动势作用位置变化而变化现象，使永磁同步电动机微分方程中电感（电感和磁导成正比）不再是转子位置函数，从而为建立常系数线性微分方程组永磁同步电动机数学模型打下了基本。在进行转子磁场定向时，转子直轴正好和定向轴d轴重叠，转子交轴正好和q轴重叠，这样建立永磁同步电动机数学模型非常简洁。2.1.3永磁同步电动机等效电路如图4所示，直轴或d 轴与永磁磁极磁链矢量轴线重叠，这样交轴将与合成反电动势矢量轴线重叠。反电动势幅值可简朴表达为：图4 d轴与转子磁链方向重叠同步旋转坐标系中电动机基本矢量关系： （8）三相正弦勉励电流也可表达为一种瞬时电流矢量，它由d 轴与q 轴上标量及构成，定子供电电压矢量也用类似办法表达。对直轴和交轴可求得等效电路，如图5所示： a）电动机d轴等效电路 b）电动机q轴等效电路图5 同步旋转坐标系中永磁同步电动机d-q 轴等效电路 （9） 2.1.4 永磁同步电动机损耗和效率 永磁同步电动机稳态运营时损耗涉及如下四项：(1)定子绕组电阻损耗电阻损耗可由下面公式计算： （10）(2)铁心损耗永磁同步电动机铁耗不但与电动机采用硅钢片材料关于，并且随电动机工作温度、负载大小变化而变化。这是由于电动机温度和负载变化导致电动机中永磁体工作点变化，定子齿、轭部磁密也随之变化，从而影响到电机铁耗。工作温度越高，负载越大，定子齿、轭部磁密越小，电动机铁耗也就越小。(3)机械损耗永磁同步电动机机械损耗与其她电机同样，与所采用轴承、润滑剂、冷却电扇和电动机装配质量关于，其机械损耗可以依照实测值或参照其她电机机械损耗计算办法来计算。(4)杂散损耗永磁同步电动机杂散损耗当前还没有一种准的确用计算公式，普通均依照实际状况和经验取定。随着负载增长，电动机电流值增大，杂散损耗近似与电流平方成正比。当电子电流为时，电动机杂散损耗（W）可用下式近似计算： (11)式中 电动机额定相电流(A)；电动机输出额定功率时杂散损耗(W)。永磁同步电动机功率流程如图6(a)所示： a)永磁同步电动机 (b)异步电动机图6 PMSM与IM功率流程图永磁同步电动机普通将极弧系数设计得较大，因而在相似或电压时，相似，较小，铁损耗比异步电动机小5。2.2 永磁同步电动机数学模型 分析正弦波电流控制调速永磁同步电动机最惯用办法就是d-q轴数学模型，它不但可用于分析正弦波永磁同步电动机稳态运营性能，也可用于分析电动机瞬态性能。建立正弦波永磁同步电动机d-q轴数学模型，一方面假设：(1)电机磁路是线性，不计磁路饱和、磁滞和涡流影响；(2)三相绕组是完全对称，在空间互差120，不计边沿效应；(3)忽视齿槽效应，定子电流在气隙中只产生正弦分布磁动势，忽视高次谐波；(4)不计铁心损耗。当永磁同步电动机电流为对称三相正弦波电流，依照图5可以得到如下电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程(式中各量为瞬态值):(1)电压方程： （12）(2)磁链方程： （13）(3)电磁转矩方程： （14） (4)机械运动方程： （15）式中 电压 电流； 磁链； d、q 下标，分别表达顶子d、q轴分量； 2d、2q 下标，分别表达转子d、q轴分量； 、定、转子d、q轴电感； 、定子绕组d、q轴电感，； 、转子绕组d、q轴电感，； 、定、转子漏电感； 永磁体等效励磁电流(A),当不考虑温度对永磁体性能影响时，其值为一常数，； 永磁体产生磁链，可由求取，为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值倍，即； 转动惯量(涉及转子转动惯量和负载机械折算过来转动惯量)； 阻力系数； 负载转矩；电动机d-q轴系统中各量与三相系统中实际各量间联系可通过坐标变换实现。如从电动机三相实际电流、到d-q坐标系电流、采用功率不变约束坐标变换时有: （16）式中 电动机转子位置信号，即电动机转子磁极轴线(直轴)与A相定子绕组轴线夹角（电角度），且有（为电动机转子初始位置电角度）；对三相对称系统，变换后零轴电流。对绝大多数正弦波调速永磁同步电动机来说，转子上不存在阻尼绕组，因而，电动机电压、磁链和电磁转矩方程可简化为： （17） （18）如把上式中关于量表达为空间矢量形式，则: （19） （20）式中 共轭复数。 为了更直观表达各矢量空间关，咱们给除了向量图。 图7为正弦波永磁同步电动机空间矢量图:图7 永磁同步电动机空间矢量关系图从图7中可以看出，定子电流空间矢量与定子磁链空间矢量同相，而定子磁链与永磁体产气愤隙磁场空间电角度为，且： （21）将之代入式（17）电磁转矩公式中，则： （22） 由上式可以看出，永磁同步电动机输出转矩中具有两个分量，第一项是永磁转矩，第二项是由转子不对称所导致磁阻转矩。对凸极永磁同步电动机，普通；因而，为充分运用转子磁路构造不对称所导致磁阻转矩，应使电动机直轴电流分量为负值，即不不大于906。在采用功率不变约束坐标变换后，d-q轴系统中各量(电压、电流、磁链)等于ABC轴系统中各相量有效值倍。电动机稳定运营时，电磁转矩可表达为 （23）而电压可表达为： （24）相应输入功率： （25）电磁功率： （26）3 永磁同步电动机矢量控制原理3.1 永磁同步电动机矢量控制原理近二十近年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术问世和计算机人工智能技术进步，使得电动机控制理论和实际控制技术上升到了一种新高度。当前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。 矢量控制事实上是对电动机定子电流矢量相位和幅值控制。本论文采用按转子磁链定向方式。由式(16)可以看出，当永磁体励磁磁链和直、交轴电感拟定后，电动机转矩便取决于定子电流空间矢量，而大小和相位又取决于和也就是说控制和；便可以控制电动机转矩。一定转速和转矩相应于一定和，通过这两个电流控制，使实际和；跟踪指令值和，便实现了电动机转矩和转速控制。由于实际馈入电动机电枢绕组电流是三相交流电流、和，因而，三相电流指令、和必要由下面变换从和得到： （27）式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上速度、位置传感器提供7。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流、和与给定指令、和一致，从而实现了对电动机转矩控制。上述电流矢量控制对电动机稳态运营和瞬态运营都合用。并且和是各自独立；因而，便于实现各种先进控制方略。3.2 永磁同步电动机矢量控制运营时基本电磁关系 永磁同步电动机控制运营是与系统中逆变器密切有关，电动机运营性能受到逆变器制约。最为明显是电动机相电压有效值极限值和相电流有效值极限值要受到逆变器直流侧电压和逆变器最大输出电流限制。当逆变器直流侧电压最大值为时，Y接电动机可达到最大基波相电压有效值： （28）而在d-q轴系统中电压极限值为:(1)电压极限圆 电动机稳态运营时，电压矢量幅值： （29）将式（24）代入式（29）得： （30） 由于电动机普通运营于较高转速，电阻远不大于电抗，电阻上压降可以忽视不计，上式可简化为 （31）以代替上式中，有 （32） 当时，式（32）是一种椭圆方程，当时（即电动机为表面凸出式转子磁路构造时），式（32）是一种以（，0）为圆心圆方程，下面觉得例，将式（32）表达在平面上，即可得到电动机运营时电压极限轨迹电压极限圆。对某一给定转速，电动机稳态运营时，定子电流矢量不能超过该转速下椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速提高，电压极限椭圆长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线9。(2)电流极限圆电动机电流极限方程为： （33）上式中，为电动机可以达到最大相电流基波有效值，式（33）表达电流矢量轨迹为一以平面上坐标原点为圆心圆。电动机运营时，定子电流空间矢量既不能超过电动机电压极限圆，也不能超过电流极限圆10。3.3 永磁同步电动机矢量控制方略 时，从电动机端口看，相称于一台它励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，等于90，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为 （34）控制时相量图如图8所示：图8 矢量控制相量图从图中可以看出，反电动势相量与定子电流相量同相。对表面凸出示转子磁路构造永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大转矩。或者说，在生产所需要转矩状况下，只需最小定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路构造永磁同步电动机普通采用控制因素。从电动机电压方程(忽视定子电阻)和转矩方程可以得到采用控制时在逆变器极限电压下电动机最高转速为式（35）。从式（35）可以看出，采用控制时，电动机最高转速既取决于逆变器可提供最高电压、也取决于电动机输出转矩。电动机可达最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。 （35）按转子磁链定向并使控制方式，对于隐极永磁同步电动机控制系统，定子电流和转子磁通是互相独立，控制系统简朴，转矩恒定性好，可以获得很宽调速范畴，适合于需要高性能数控机床、机器人等场合11。 4 永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制simulink仿真4.1 永磁同步电动机矢量控制系统建模 图9为控制系统原理图。图中，和为检测出电动机转速和角度空间位移，和为检测出实际定子三相电流值12。在图11中采用了三个串联闭环分别实现电动机位置、速度和转矩控制。转子位置实际值与指令值差值作为位置控制器输入，其输出信号作为速度指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器输入。速度控制器输出即为转矩指令值，转矩实际值可依照给定励磁磁链和经矢量变换后得到、由转矩公式求出。实际转矩信号与转矩指令值差值经转矩控制器和矢量变换后，即可得到电动机三相电流指令值，再经电流控制器便可实现电动机控制。 图9 控制系统框图依照图9运用Matlab6.5.1中simulink工具建立永磁同步电动机矢量控制系统控制仿真模型，如图10所示13： 图10 永磁同步电动机矢量控制系统控制仿真图各个模块功能简介如下：(1)模块PI_speed是速度PI调节器，实现速度闭环控制，该调节器设立了输出限幅；模块PI_torque是转矩PI调节器，构成电流闭环控制，输出定子电流参照值；图11为PI调节器构造14：图11 PI调节器构造图图12 PI调节器参数设立窗口图(2)模块Park实现Park变换，Park变换是三相静止坐标A，B，C到二相旋转坐标d、q变换，相应变换矩阵为： （36）模块实现Park逆变换，Park逆变换是二相旋转坐标d、q到三相静止坐标A、B、C变换，相应变换矩阵为： （37）模块Park和模块Park-1分别如图13和图14所示：图13 Park变换子模块构造图图14 Park-1变换子模块构造图(3)模块Permanent Magnet Synchronous Machine是simulink中提供永磁同步电动机仿真模型，它封装了电机重要电压方程和机械方程，如图15所示： 图15 PMSM模型构造图下表1为仿真中使用永磁同步电动机参数： 表1 永磁同步电动机模型参数定子电阻R1（）2.875额定转矩Tn（N.m）3直轴电感Ld（H）0.0085极对数P4交轴电感Lq（H）0.0085转动惯量（.）0.0008永磁体磁链（Wb）0.175摩擦阻力系数0模块Machines Measurement Demux永磁同步电动机测量模块，输出电动机电压、电流、转速、机械角度和电磁转矩。构造图如图16所示：图16 MMD模块构造图电机模型得到转子机械角度thetam，经电机极对数模块可以得到转子电角度thetae；(4)滞环比较方式电流跟踪型PWM逆变器，把参照电流值、和和实际电流值、和偏差作为滞环比较器输入，通过其输出来控制功率器件通断。通过环宽为滞环比较器控制，就在和范畴内，呈锯齿状地跟踪指令电流，如图17所示15。 图17 滞环比较方式指令电流和输出电流图 图18为滞环比较方式电流跟踪型PWM逆变器仿真模型，模块Relay是磁滞模块，模块Universal Bridge是采用IGBT开关器件三相桥式电路，其中g是触发脉冲端，A，B，C为三相电压端，DC Voltage Source是直流电压源，幅值。滞环比较器输出值通过与门和非门转变为数字信号1、0，通过Mux模块合并成一种向量输入触发脉冲端，来控制三相桥式电路中6个IGBT通断，从而实现输出电流对参照电流跟踪16。图18 滞环比较方式电流跟踪型PWM逆变器(5)图19是电磁转矩计算模块Tem构造图：图19 电磁转矩计算模块构造图4.2 永磁同步电动机矢量控制系统simulink仿真矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型控制方案。本章分析了永磁同步电动机矢量控制原理，建立了系统数学模型，给出了系统实现方案，在Matlab/simulink环境下对系统进行了仿真实验17。4.2.1 空载启动仿真 指令转速1000转/分，空载，启动过程仿真波形如如下各图所示：图20 转速波形图图21 转矩波形图图22 定子三相电流波形图仿真中，电动机空载启动，t=0.025s前转速、转矩和电流均大幅震荡，在t=0.07s时转速达到稳定值1000转/分，稳态误差为2%。4.2.2转速突变仿真指令转速由1000转/分突变为800转/分，负载转矩Tm=2N.m，启动过程仿真波形如如下各图所示：图23 转速波形图 图24 转矩波形图图25 三相电流波形图电动机负载启动，t=0.02s前为震荡过程，t=0.02s到0.04s，转矩Te开始攀升，并在t=0.04s开始稳定波动，由于此间电磁转矩不大于负载转矩，因此该时间段转速下降。t=0.08s时转速稳定在指令值1000转/分，直到t=0.1s，指令转速突变为800转/分，此时转矩突然下降到0下，紧接着t=0.1s到0.11s是转矩提高过程。随着转矩变化，转速做出了相应下降变化，电流突然变小；t=0.11s后转矩稳定波动于2N.m，转速回升，于t=0.16s稳定在指令值800转/分。4.2.3 负载突变仿真永磁同步电机负载突变时,电机电流、速度、推力等参数都会发生很大变化，负载突变特性可为系统优化设计、控制方略实行、安全运营等提供理论基本。这里负载突变指在转速一定状况下，负载转矩由一种数据突变到另一种数据。指令转速1000转/分，负载转矩由2N.m突变为5N.m，启动过程仿真波形如如下各图所示：图26 转速波形图图27 转矩波形图图28 三相电流波形图t=0.1s前转速、转矩、电流变化与4.2.1同，当负载转矩在t=0.1s突升到5N.m时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=0.1s时达到5N.m。5 总结本文一方面对永磁同步电动机发展和前景进行了详细简介，并对永磁同步电动机研究现状作了阐述；针对永磁同步电动机矢量控制若干问题进行研究，其中涉及:（1）一方面扼要地回顾了永磁同步电动机发展和前景，简介了永磁同步电动机长处，并对与之有关永磁材料、电力电子技术发展概况做了简朴简介，针对当代交流驱动与伺服系统发展趋势阐述了研究永磁同步电动机矢量控制系统意义之所在；（2）然后简介了永磁同步电机数学模型建立过程，推导了永磁同步电动机在定、转子坐标系下电磁转矩方程；（3）阐述了永磁同步电动机矢量控制基本控制思想和控制原理制；（4）建立了基于Matlab/s