課程名稱： 電氣裝備計算機控制技術 指導老師: 成績： 實驗名稱：永磁同步電機控制系統參數測定實驗類型: 同組學生姓名： 、實驗目的和要求（必填）、實驗內容和原理（必填）、實驗目的和要求（必填）、實驗內容和原理（必填）三、主要儀器設備（必填）五、實驗數據記錄和處理七、討論、心得四、操作方法和實驗步驟六、實驗結果與分析（必填）三、主要儀器設備（必填）五、實驗數據記錄和處理七、討論、心得四、操作方法和實驗步驟六、實驗結果與分析（必填）一、 實驗目的和要求掌握永磁同步電機的基本結構和原理探究永磁同步電機矢量控制算法的實現方法研究PID控制器在電機控制系統中的整定方法掌握運用MATLAB/Simulink實現電氣控制相關控制系統的虛擬仿真實驗二、 實驗內容和原理實驗內容依照上節設計的控制結構圖，在MATLAB/simulink模塊中建立仿真模型。系統參數設置：永磁電機轉子磁通為0.22Wb,定子電阻為2.875Q,d軸和q軸電感均為8.5mH,極對數設為1,額定轉速設定為3000r/min,轉動慣量為0.05kgm2。逆變器直流側電壓設定為600V,脈沖產生模塊（SVWPM）中開關頻率為5kHz,轉速調節器比例系數Kpl、積分系數Ktl和電流調節器比例系數Kp2、及積分系數Kt2自行設定實驗原理（1）永磁同步電機的基本分類與組成永磁同步電機的分類多種多樣,按照轉子結構的不同可以分為表面式和內置式兩種。表面式指永久磁極鑲于轉子導磁材料的外表面,這種結構易于獲得足夠的磁通密度和較高的矯頑力,但是這種結構的電機很難實現恒功率調速（弱磁調速）,一般只能用于恒轉矩的工業場合；內置式永磁同步電機是指永久磁極嵌于轉子導磁材料內部,這種結構能夠利用電樞反應實現弱磁調速,在恒功率和恒轉矩場合都能應用。根據電機轉子磁鋼幾何形狀的不同,轉子磁場在空間的分布也不相同,應用廣泛的主要有梯形波和正弦波兩種。所以,當轉子旋轉時,產生在定子上的反電動勢波形也有兩種：一種為梯形波；另一種為正弦波。這樣的變化就使得兩種電機在模型、原理及控制方法上有所區別,為了區分由它們組成的永磁同步電機調速系統，習慣上把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統,而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統,在原理和控制方法上與直流電動機調速系統類似,故稱這種系統為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統。本章選用正弦型永磁同步電機作為研究對象。永磁同步電機基本結構主要包括：定子鐵心、定子繞組和轉子，其結構如圖1永磁同步電機基本結構主要包括：定子鐵心、定子繞組和轉子，其結構如圖1所示:圖l永磁同步電機結構圖（2）永磁同步電機的數學模型永磁同步電機與一般的交流勵磁同步電機相比,只是轉子的勵磁繞組被永磁體所代替,定子側勵磁完全相同。因此一般同步電機的基本公式對永磁同步電機同樣適合,主要包括下面幾個公式：60fn二p

n①二2吋e=屮①0fP=T①em①二P①enm上面公式中n是電機轉速（廠/min）,f為定子電流頻率，pn為極對數，P為電機功率，"f是勵磁磁鏈，°m為機械角速度（rad/S），e0為電機反電動勢的幅值，°e為電氣角速度（rad/S），Te為電機電磁轉矩。電機坐標變換根據交流調速的知識知道，永磁電機的定子側各物理量均為交流量，而且在空間以同步速旋轉，是高階、非線性、多耦合的。這給系統的計算和控制帶來困難，一般都要通過坐標變換來簡化電機的數學模型，降低控制結構設計的復雜度。坐標變換能將原先靜止坐標系下的交流耦合量等效變換為旋轉坐標系下的直流量，這樣模型將變得簡單，也方便進行參數設置。坐標變換的基本思想是保證在不同的坐標系上所產生的合成磁動勢相等。由三相靜止坐標轉換為兩相旋轉坐標過程如下：i.三相一兩相變換（3s/2s變換永磁同步電機的定子按繞組軸線分為A、B、C三相繞組，它們之間彼此互差12°°的電角度，三相繞組通入對稱的三相交流電便產生一個旋轉磁場。根據等效原則，可以定義一個兩相坐標系Q—卩，如圖2所示。在由a、?組成的兩相繞組內通入兩相對稱交電流，通過調節幅值便可以使其產生一個和三相交流電效果相同的旋轉磁場。J.bB'■30°A?)C圖2三相靜止與兩相靜止坐標系圖如圖2所示，A-B-C為定子繞組所在三相靜止坐標系，空間互差120°,U—卩為兩相靜止坐標系。變換數學公式如式（1-6），就是CLARK變換。

1C3s/2s"2C3s/2sTs——靜止坐標系；r——旋轉坐標系。ii.兩相靜止一兩相旋轉變換(2s/2r變換)如圖3所示，將轉子軸向定義為d軸，逆時針超前900方向為q軸。d-q坐標系以轉子角速度在空間旋轉。因為轉子軸向定在d軸上，所以，雖然d-q坐標系旋轉，但相對于轉子是靜止的，即為同步旋轉坐標系。如果在d-q繞組中通入直流電，因為坐標系本身是旋轉的，同樣可以產生旋轉的磁場。也就是說,在兩相旋轉坐標下中如果通入大小合適的兩相直流電，可以產生與靜止坐標系下通入兩相交流電效果相同的旋轉磁場。ap為兩相靜止坐標系，dq為兩相旋轉坐標系少為旋轉角，其值為角速度°積分所得， 。變換數學公式如式(1-7)，這就是PARK變換。C cos0sinn2s/2r —sin0cos0圖3兩相靜止與兩相旋轉坐標系圖iii?三相靜止一兩相旋轉坐標轉換(3s/2r變換)AA圖4三相靜止與兩相旋轉坐標系圖根據上述分析，把上述兩個變換矩陣相乘，便推出三相靜止到兩相旋轉坐標的變換如式(1-8)cos0C=3s/2rcos0C=3s/2r-sin0cos（0-2兀）3-sin（0-2兀）3cos（0+2兀）3-sin（0+2兀）3根據以上幾個坐標變換結合電機等效電路基本方程便可以將同步電機數學模型中的交流量等效為直流量進行分析了。永磁同步電機在不同坐標系中的數學模型為方便永磁同步電機數學模型的建立，對永磁電機做如下假設：忽略鐵心飽和，磁滯損耗和渦流也可忽略不計；忽略轉子阻尼繞組；定子繞組為Y形連接，參數相同，空間相互差120°；定子三相繞組產生的感應電動勢為對稱正弦波；忽略定子電流各次諧波的影響；所有自感、互感均為定值，且不依賴轉子位置。根據以上假設，永磁同步電機的電壓矢量Us和磁鏈矢量“s可以表示為d屮d屮dt-RiSs屮=屮+Lisfss其中，Us為定子電壓矢量，Ls和Rs分別為定子電感和電阻，［為定子電流，"f和"s分別表示轉子磁鏈矢量和定子磁鏈矢量。根據式（1-9）、（1-10）可以推導出永磁同步電機在三相靜止坐標系下的電壓方程為：R+pL-打L-2PL一usS2s2 slA11AAu——-APLR+pL-APL.i+p屮B2 sSs2SBBu11i屮C-APL-~PLR+pLCC2 s2SS s上式中U上式中UA、UB和^為定子各相繞組端電壓,iA>iB和lC表示繞組電流，"A、"B和"C表示轉子磁場在定子繞組中的磁鏈，p表示微分算子。由于假定三相繞組為Y型接法且轉子磁鏈為標準正弦分布，所以有:iiAiiA+B+C=0「「屮一A屮—屮Bf屮Ccos0cos（0-2n：3）cos（0+2叫3）由式（1-11）、（1-12）和（1-13）聯立計算可得：

_ 3R+牙PL00us2 siV一A3AAu——0R+怎PL0.i+P屮BS2sBBu3i屮C00R+懇PLCCs2 s根據坐標變換原理，結合上面推出的永磁同步電機在三相靜止坐標系中的數學方程，利用CLARK變換和PARK變換可以得出永磁同步電機在兩相旋轉坐標系下的數學方程：cos0-sincos0-sin0cos(0-2兀⑶-sin(0-2兀⑶cos(9+2兀⑶-sin(0+2兀⑶iAiBiCV一—L0_i丁d—dd+屮屮0Lif0q1—qq」一u—R0_ip-3V一d—sd+du0Ri3p_屮qsqq轉矩公式為：i)qd3i)qdT二 p(屮i—屮e2dq將式（1-16）帶入式（1-18）中可得轉矩公式（1-19）：fqdfqd上式中"n代表電機極對數，應與前面公式中代表微分算子的P相區別，其余"d、q代表定子電壓，"d、"q代表定子磁鏈，厶d、q為定子電感在dq兩軸的分量，卩e代表電機的電磁轉矩。（3）永磁同步電機的控制①同步電機的它控調速與自控調速永磁同步電機的變頻調速控制可分為兩大類：它控變頻調速和自控變頻調速。它控變頻調速的頻率信號由外部給定，通常采用開環V/f控制，這種控制方式較為簡單，但是存在失步危險，動態性能比較差；自控變頻調速的頻率由轉子位置來控制，沒有失步危險，動態性能相對它控變頻要好很多。它控調速多用于化工、紡織等行業中的小功率設備中，比較典型的是同步電機群V/f調速系統，如圖5所示。圖5小功率同步電動機群V/f調速示意圖 圖6永磁同步電機自控變頻調速示意圖永磁同步電機的自控變頻調速系統示意圖如圖6所示。同步電機轉軸可以裝一臺轉子位置（轉速）檢測器（PG）,PG測得轉子位置信號九，然后將信號送給控制器，控制器根據九來控制變頻器輸出電流或者電壓的頻率和相位，以此保證供電頻率與轉子轉速保持同步。當電機突加負載后，電機轉速上升或者下降（電動機負載加大轉速下降，發電機如果為負力矩則轉速上升），變頻器供電頻率也隨之變化，并維持功角位于穩定區域內，從而完全消除了失步的可能性。一般大功率同步電機多采用自控變頻調速方式，矢量控制就屬于自控變頻。②矢量控制技術交流電機的矢量變換控制技術是高性能調速系統中的主要控制方法，它是在1971年由德國西門子的工程師Blaschke等人提出的。其主要思想是把交流電機的定子電流利用坐標變換原理分解成旋轉坐標系下用于控制電機轉矩的轉矩電流（有功電流）和控制電機磁場的勵磁電流（無功電流），兩個電流分量彼此獨立控制且相互垂直，此時便可以模擬直流電機調速的相關方法對交流電機進行控制［25］。采用矢量控制需要對變量的幅值和相位均進行控制，所以它的控制精度高，具有較好的靜態和動態特性。在永磁同步電機的矢量控制系統中，由轉子的位置決定變頻器的觸發信號，來保證變頻器的輸出頻率等于轉子角頻率，所以，根據上小節所講述的自控技術的基本原理可認為矢量控制屬于自控變頻，此外直接轉矩控制也是自控變頻的一種。在矢量控制技術中，對電流的控制模式是多種多樣的，常用的主要有ld=0控制方式、cos“二1控制…… l二0方式，此外還有轉矩電流比最大控制、恒磁鏈控制等方式。此次實驗選擇應用最廣泛的控制方法dl—0對電機進行d_控制時，定子電流中只有q軸分量。相應的電磁轉矩中只存在轉矩分量而沒有磁阻轉矩，且永磁體磁場與定子磁動勢正交。采用該方法時，電樞反應沒有〃軸去磁分量不會產生去磁效應，因此不會出現退磁現象，所以能保證電磁轉矩和電樞電流成正比。實際應用中多按照轉子磁鏈定向來設計調速系統，定子電流與轉子永磁體磁通互相獨立（解耦），因此控制系統簡單、轉矩特性好，還能獲得很寬的調速范圍。永磁同步電機轉子磁鏈定向的矢量控制由前面的分析可知，如果永磁同步電機采用ld—0矢量控制，那么定子電流分解到d-q坐標系后，????一個為產生有功的轉矩分量iq，另一個為產生無功的勵磁分量id。因為iq和id是由定子電流矢量分解產生，因此實際控制的還是定子電流矢量［的幅值和相位。通過前面的電機轉矩方程可以看出，當永磁同步電機的q（交軸）和d（直軸）電感以及永磁體磁通確定后，影響電機轉矩Te的只有iq和id。所以，只??要控制好iq和id變可以控制電機的轉矩。永磁同步電機按轉子磁鏈定向也就是將d-q坐標系中的d軸定向在轉子磁鏈的旋轉方向上。其空間矢量去如圖7所示：d圖d圖7永磁同步電機轉子定向空間矢量圖i=0 . i=0 id 控制方式是認為永磁電機轉子磁場恒定，而且勵磁電流d，在這種情況下電磁轉矩與q呈線性正比關系，所以只需控制q軸電流；的大小便可以調節電機的電磁轉矩，由下面推導出的公式（1-20）.（1-21）和（1-22）便可清楚觀察出這一關系。同時這種控制策略又避免了因為控制方式而導致永磁體退磁的缺點，因此得到廣泛應用。根據式（1-16）、（1-17）和（1-19），當'd=0時可以得到永磁同步電機電壓和轉矩方程如下列三式:Ri+pLi+3屮sq qq f（4）永磁同步電機的建模與仿真實驗①控制結構的設計與分析根據前述永磁同步電機的數學模型，以及矢量控制策略，設計如圖8所示控制結構，給電機定子供電的逆變器直流側電壓可以采用直流電源模塊DC（也可來自三相PWM整流器，兩者由中間直流環節連接，組成了控制性能先進的交直交變頻器）。。系統為雙閉環控制，外環為速度環，內環為電流環，圖中ASR、ACR分別表示轉速PI調節器和電流PI調節器。當系統在額定功率以下運行時，速度跟隨給定值變化，基本不受負載影響。i=0 i*圖中，由于采用d 矢量控制策略，所以正常運行時無功電流期望值d設定為0。系統運行的基本

過程為：電機位置傳感器檢測出電機轉子位置角度°并通過積分計算得出其角速度?,同時通過電流傳感iii C ii器檢測電機定子三相流a、U、：，然后根據C3s/2r變換得到'd、q；反饋角速度°與給定值°*比較后i*i*i* ii經過速度調節器ASR得出有功電流的期望值q,q和d與根據實際值計算得到的d、q進行比較，其u*u*u*u*C偏差通過兩個電流調節器輸出得到旋轉坐標系下的電壓期望值"d和q,d和q經過C2r/2s變換得到u*u*兩相靜止坐標系下的兩個交流電壓期望值q、0，然后經過SVPWM調制便可以生成驅動主電路IGBT的六路脈沖，以此來控制主電路工作實現逆變器對永磁同步電機的控制。00i<：■0d0dt永磁同步iQiqi—d-i*du*di*-qu*00i<：■0d0dt永磁同步iQiqi—d-i*du*di*-qu*—qo*+ibiu*PWM逆變器SVPWMC2s/2r$C. 2r/2sC3s/2s位置傳感器■ACR■AGRASRi=0圖8id 時永磁同步電機矢量控制結構圖上面控制系統分析中關于空間電壓矢量SVPWM部分內容在上次實驗中以做分析，不在贅述。三、主要儀器設備MATLAB/simulinke二a5ccp?四、操作方法和實驗步驟1.實驗電路圖如下圖所示Einne二a5ccp?四、操作方法和實驗步驟1.實驗電路圖如下圖所示Einn<4IM1MTOil7円■ 沁twi咗lM*Rnu3r?虹pq*Ti根據實驗內容要求，調整同步電機參數，并進行仿真。首先仿真時，將step階躍函數調整為0，不帶負載運行仿真，觀察實驗波形。然后再將負載加進去后，繼續進行仿真。3?根據仿真結果，一步一步調節PID電流調節器額PID電壓調節器的比例參數與積分參數，使得波形趨于正常，4.記錄實驗仿真波形。五、實驗數據記錄和處理 ?5燈卿rwiwlqji『小?:iX^MIri_bl,JM>-口mwl 氓卜電機三相定子電流

電機dq軸電流電機轉速波形

電機給定轉矩與電磁轉矩波形定子電流轉矩分量與勵磁分量abc電流經過dq0轉換后的q軸電流六、實驗結果與分析0s到0.1s之間0到0.1s之間的過程中，同步電機處于啟動的過程中，轉速的增長過程從宏觀角度上來看，可以近似看為勻速過程，然而如果將每一個轉速都放大之后可以看到，其實轉速的增長增長一段之后略微有一點下降然后再繼續升高的，這是由于PWM控制技術的原因，加載在電機兩端的電壓具有一定的占空比，才會導致轉速這樣特殊的上升方式。在這一段時間內，abc電流、dq軸電流、電機給定轉矩、電磁轉矩、定子與勵磁電流等都處于不穩定的狀態。0.1s到0.2s之間此時，轉速穩定在額定轉速800r/min,在PID的控制下，轉速在800上下小范圍波動。由于電機此時處于空轉狀態，所以AB相間電壓、定子三相定子電流、dq軸電流、定子電流轉矩分量及電磁轉矩等均等于零。0.2s到0.3s之間0.2s的時候，電路負載加入了一個值為20的負載，電機轉速在PID的調節下，轉速首先降低到新的穩定轉速之下，然后迅速回升到新的穩定轉速。在PID控制之下，永磁同步電機的其他參數分量都有先超過穩定量然后慢慢回到穩定量的一個過程，這個現象也充分體現了PID對于提高電機控制的穩定性上的至關重要的作用。七、討論、心得本次實驗是在上一次設計SVPWM電流逆變器的基礎上進一步進行的對同步電機進行simulink仿真處理，研究了永磁同步電機的工作原理以及矢量控制和參數整定，學會了怎么樣用PID來控制永磁同步電機的各個參數變量，體會到了PID作用的方便與強大，得到了想要的結果。本次實驗的重點在于實驗電路圖的繪制與連接方面。由于MATLAB版本的不同，有些器件在MATLAB上已經不再存在了，例如machinesmeasurementdemux，在實驗室的電腦中安裝的是MATLAB2009，這個器件仍然存在，可是我的電腦上MATLAB2015則沒有這樣的器件，這時候可以用simulink庫里面的selectbus器件來代替這個分線器件。將永磁同步電機的m輸出連接到selectbus的輸入后，雙擊selectbus，可以自動選擇各個線路是否在selectbus上的輸出上呈現。還有就是電力電子元件庫SimPowerSystems是在Simscape里面可以找到。在繪制電路圖的時候，一定要注意不能丟下powergui這個元件。因為這個元件在仿真器里面是給所有仿真器提供電源的模塊，如果不加這個模塊，所