永磁同步電動機功率因數的仿真分析--轉矩電流最大比控制模型【畢業(yè)設計+開題報告+文獻綜述】

1、<p>　　本科畢業(yè)設計(論文)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　永磁同步電動機功率因數的仿真分析--轉矩電流最大比控制模型</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　永磁步電動機以其體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點而成為最具競爭力電機，目前已得到了廣泛的應用。為了實現優(yōu)良的PMSM控制系統(tǒng)，不少學者將先進的控制理論應用于交流伺服系統(tǒng)，并取得了很好的控制效果。功率因數和效率一樣，都是永磁同電動機最具實用價值的特征指標。無論是異步起動的永磁電動機，還是調速永磁電動機，設計時都力求提高其功率因數。高功率因數是永磁同步電動機的一個突出優(yōu)點，它有利于降低定子電流和繞組銅耗，提高效率，

4、能使永磁同步電動機擁有比異步電動機高很多的力能指標。本文將對永磁同步電動機的功率因數進行的詳細分析，并且提出了功率因數控制策略。</p><p>　　首先，在dq坐標系中建立永磁同步電動機的數學模型，在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型，仿真分析永磁同步電動機的電源和勵磁狀況對其功率因數影響。</p><p>　　其次，在MATLAB/SIMULINK中建立了轉矩電流最大比控制的

5、仿真模型，通過控制定子電流矢量的角度（）來控制轉矩，并且分析了不同情況下永磁同步電動機的功率因數。</p><p>　　最后，建立永磁同步電動機功率因數的仿真模型，在轉速控制的基礎上，通過控制定子電流來實現功率因數的控制。</p><p>　　關鍵詞：永磁同步電動機，功率因數，轉矩電流最大比，控制理論</p><p>　　Permanent magnet synch

6、ronous motor power factor of the simulation--the maximum ratio of torque current control model</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Permanent magnet synchronous motor with its small siz

7、e，high efficiency，power density，etc. and become the most competitive motor，has been widely used。 In order to achieve good control system of PMSM，many scholars of advanced control theory is applied to servo system，and ach

8、ieved a good result。Power factor and efficiency，are both permanent magnet motor with the characteristics of the most practical indicators。Both asynchronous permanent magnet starter motor, or speed permanent magnet motor,

9、 the de</p><p>　　First, in the dq coordinate system to establish the mathematical model of permanent magnet synchronous motor, in the MATLAB / SIMULINK to create simulation model of permanent magnet synchron

10、ous motor for its power and power factor of excitation conditions。</p><p>　　Secondly, in the MATLAB / SIMULINK to establish a maximum ratio of torque current control simulation model, by controlling the stat

11、or current vector angle () to control the torque, and analyzed under different conditions of permanent magnet synchronous motor power factor。</p><p>　　Finally, a permanent magnet synchronous motor power fact

12、or of the simulation model, based on the speed control by controlling the stator currents to achieve power factor control。朗讀顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p><b>　　朗讀</b

13、></p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p>&l

14、t;p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor, Power Factor, Maximum Torque Current Ratio

15、, Control Theory</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘 要……………………………………………………………………………….I</p><p>　　Abstract………………………………………………………………………………II</p><p>　　1 緒論……………………………

16、……………………………………………………1</p><p>　　1.1引言…………………………………………………………………………………….1</p><p>　　1.2永磁同步電動機的發(fā)展歷程錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.2.1永磁同步電動機1</p><p>　　1.2.2永磁同步電動機的發(fā)展概況與趨勢錯誤!未定義書簽

17、。</p><p>　　1.3電動機的分析方法.... ..2</p><p>　　1.3.1電機的分析步驟……………………………………………………………….2</p><p>　　1.3.2運動方程的導出……………………………………………………………….3</p><p>　　1.4永磁同步電動機功率因數的研究3</p>

18、<p>　　1.5課題研究的主要內容4</p><p>　　2 永磁同步電動機的功率因數....................................................................................5</p><p>　　2.1永磁同步電動機功率因數的基本概念5</p><p>　　2.2同步電

19、動機的功率特性5</p><p>　　2.3影響功率因數的因素………………………………………………………..6</p><p>　　2.3.1影響永磁同步電機功率因數的原因…………………………………..6</p><p>　　2.3.2提高永磁電機功率因數的方法....................................................

20、..........6</p><p>　　2.4永磁同步電動機的功率因數分析……………………………………..........6</p><p>　　2.4.1電源與功率因數的仿真分析…………………………………………..6</p><p>　　2.4.2頻率與功率因數的仿真分析…………………………………………..7</p><p>　　3 永

21、磁同步電動機的數學模型及控制理論................................................................9</p><p>　　3.1永磁同步電動機的數學模型9</p><p>　　3.2永磁同步電動機的控制策略11</p><p>　　3.3永磁同步電動機控制策略的發(fā)展趨勢12</p>&

22、lt;p>　　4 轉矩電流最大比控制系統(tǒng)的功率因數仿真分析14</p><p>　　4.1轉矩電流最大比控制理論1錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4.2轉矩電流最大比控制原理14</p><p>　　4.3轉矩電流最大比仿真與功率因數分析15</p><p>　　4.3.1.電流滯環(huán)控制方法的仿真與功率因數分析……………

23、………………...15</p><p>　　4.3.2額定工作狀態(tài)下的仿真實現與功率因數分析…………………………...16</p><p>　　4.3.3變負載時的仿真實現與功率因數分析……………………………………18</p><p>　　4.3.4 3000轉時的仿真實現與功率因數分析…………………………………..19</p><p>　　

24、4.3.5低轉速下的仿真實現與功率因數分析……………………………………21</p><p>　　5 功率因數的仿真分析……………………………………………………………..24</p><p>　　5.1功率因數的控制原理....................................................................................24&

25、lt;/p><p>　　5.2功率因數的仿真分析………………………………………………………24</p><p>　　5.2.1 給定功率因數角為0的仿真分析……………………………………24</p><p>　　5.2.2 其他功率因數下的仿真分析………………………………………...26</p><p><b>　　結論29</b

26、></p><p><b>　　參考文獻30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　電機

27、是一種能量轉換或信號轉換的電磁機械裝置。就能量轉換的功能來看，電機可以分為發(fā)電機和電動機兩大類。其中電動機作為動力設備，已廣泛應用于機械行業(yè)的工作母機，根據應用場合的要求和電源的不同，電動機有直流電動機、交流同步電動機、交流感應電動機，以及滿足不同需求的特種電機。20世紀70年代以后，由于大功率電力電子器件、變頻技術以及計算機技術取得的一系列進展，還研制出了調速性能優(yōu)良、效率較高、能滿足不同要求的交流電動機調速系統(tǒng)，以及有變頻器供電的一

28、體化電機。就信號轉換功能的控制電機而言，大體上有測速電機[2]、伺服電機、旋轉變壓器和自整角機等幾種，這些電機主要用于自動控制系統(tǒng)中作為檢測、執(zhí)行、隨動和解算元件，例如機床加工的自動控制，艦船方向舵的自動控制，大炮和雷達的自動定位，飛機的飛行控制，計算機、自動記錄儀表運行的控制等。這類電機通常稱為微型電機，對精度和快速響應的要求較高[1]。</p><p>　　1.2永磁同步電動機的發(fā)展歷程</p>

29、<p>　　1.2.1永磁同步電動機</p><p>　　在交、直流電機中，用永磁體來取代直流勵磁以產生氣隙磁場的電機，稱為永磁電機。永磁電機具有體積小、效率高、運行可靠等優(yōu)點，在許多情況下可以實現無刷化，因此在家用電器、醫(yī)療器械、汽車、航空和國防等各個領域內獲得廣泛的應用。</p><p>　　由于永磁體的益處很多，在電機中用永磁材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勵磁繞組，已成為新型高效節(jié)能電機

30、的一個重要發(fā)展方向?，F代永磁電機采用稀土永磁材料勵磁， 如釤鈷(Sm Co)臺金、釹鐵硼(NdFeB)臺金等，不僅使電機尺寸大大減小，重量減輕，而且使之維護方便、運行可靠、效率提高。永磁電機的種類繁多，根據電機功能大致可分為永磁發(fā)電機和永磁電動機兩大類。永磁電動機又可分為永磁直流電動機和永磁交流電動機。而永磁交流電動機指的是帶有永磁轉子的多相同步電動機，所以常被稱為永磁同步電動機(PMSM)。永磁直流電動機如果按有無電刷和換向器來分，又

31、可分為永磁有刷直流電動機和永磁無刷直流電動機(BLDCM)。</p><p>　　1.2.2永磁同步電動機發(fā)展趨勢</p><p>　　永磁同步電機（PMSM）的研究現狀：雖然BLDCM的轉矩比PMSM具有控制簡單，成本低，檢測簡單等優(yōu)點，但因為BLDCM的轉矩脈動比PMSM較大鐵心損耗也較大。所以在低速直接驅動場合的應用中，PMSM的性能比BLDCM及其它交流何服電動機優(yōu)越得多。不過在發(fā)

32、展高性能PMSM中也遇到幾個“瓶頸”問題有待于作更深入的研究和探索[7]。</p><p>　　(1)PMSM程中會出現“退磁”現象，而且在低速時，也存在齒槽轉矩對其轉矩波動的影響。</p><p>　　(2) 測誤差對控制器調節(jié)性能有影響，發(fā)展高精度的速度及位置檢測器件和實現無傳感器檢測的方法均可克服這種影響。 </p><p>　　(3) 以PMSM作為執(zhí)行元件

33、構成的永磁交流伺服系統(tǒng)，由于PMSM本身就是具有一定非線性、強耦合性和時變性的“系統(tǒng)”，同時其伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時易受到不同程度的干擾，因此采用先進控制策略，先進的控制系統(tǒng)實現方式(如基于DSP控制)，以從整體上提高系統(tǒng)的“智能化、數字化”水平，這應是當前發(fā)展高性能PMSM伺服系統(tǒng)的—個主要的“突破口”。</p><p>　　永磁同步電機（PMSM）的發(fā)展趨勢：PMSM伺服系統(tǒng)從其

34、應用領域的特點和自身技術的發(fā)展來看，將會朝著以下兩個方向發(fā)展：一是適用于簡易教控機床、辦公自動化設備、家用電器、計算機外圍設備以及對性能要求不高的工業(yè)運動控制等領域的簡易、低成本PMSM伺服系統(tǒng)；另一方向則是向適用于高精度數控機床、機器人、特種加工設備精細進給驅動以及航空、航天用的高性能全數字化、 智能化、柔性化的PMSM伺服系統(tǒng)發(fā)展[19]。而且后一個發(fā)展方向更能充分體現PMSM伺服系統(tǒng)優(yōu)點，今后必將成為重點發(fā)展方向。</p&g

35、t;<p>　　1.3電動機的分析方法</p><p>　　1.3.1電機的分析步驟</p><p>　　電機的分析步驟，大體上可以歸納為以下四步：</p><p>　?。?）電機內部物理情況分析 首先是弄清電機的基本結構和主要部件的功能，再根據電機的磁路和電路，分析空載和負載是電機內部的磁場，初步弄清這種電機的工作原理。</p>&l

36、t;p>　　（2）導出電機的運動方程 運動方程是磁動勢方程（磁鏈方程）、電壓方程和轉矩方程的總稱。</p><p>　?。?）求解運動方程。</p><p>　?。?）結果分析 通過對解答的分析，確定所需的運行性能（特性）和主要運行數據，如過載能力、穩(wěn)定性、效率、電壓變化率、速度變化率等。</p><p>　　1.3.2運動方程的導出方法</p>

37、;<p>　　運動方程的導出方法主要有三種：</p><p>　?。?）主磁通-磁通法：此法是把電機內的磁通按其作用和分布，分為主磁通和漏磁通，然后用電磁感應定律和基爾霍夫定律列出各個繞組的電壓方程。</p><p>　?。?）動態(tài)電路法：此法是把電機作為一組動態(tài)電路對待，把定子、轉子之間的電磁關系用一組時變的自感和互感系數來表達，即L=L(??，??????，?為轉子的轉角

38、。</p><p>　?。?）變分法：設電機系統(tǒng)的總能量為T，總勢能為V，系統(tǒng)的拉格朗日狀態(tài)函數L=T-V，I為L的積分</p><p><b>　　I=</b></p><p>　　變分法是通過求I的極值所得到的方程。此法的優(yōu)點是可以自動導出運動方程中的機電耦合項。</p><p>　　1.4永磁同步電動機功率因數的研

39、究</p><p>　　圖l 永磁同步電動機和異步電動機功率因數</p><p>　　圖1是永磁同步電動機和異步電動機隨負載變化時的功率因數曲線。可以看到，永磁同步電動機的功率因數較異步電動機高[5]。尤其在輕載和空載情況下，要比異步電機高許多。這是因為永磁電動機的轉子中設置有磁鋼，可以不從電網或減少從電網吸收無功電流來建立磁場，因而功率因數較高。異步電動機卻必須靠電網提供的無功功率建立磁

40、場，而且當異步電動機負載下降時，只減少 電流中的有功分量，無功分量卻幾乎不變，因此功率因數低并隨著負載快速下降?？梢姡吖β室驍凳怯来磐诫妱訖C的一個突出的優(yōu)點。它有利于降低定子電流和繞組銅耗，提高效率，使永磁同步電動機擁有比異步電動機高得多的力能指標。但也必須通過合理設計的永磁電動機，才能獲得較高的功率因數。</p><p>　　1.5課題研究的主要內容</p><p>　　1.在dq坐

41、標系中建立永磁同步電動機的數學模型，詳細分析永磁同步電動機的轉矩電流最大比的控制理論。</p><p>　　2.在電勵磁同步電動機的功率因數控制方法的基礎上，討論永磁同步電動機的功率因數問題。利用電機的矢量圖，分析影響永磁同步電動機功率因數的因素。通.過仿真分析永磁同步電動機的功率因數與電源和永磁體之間的關系。</p><p>　　3.轉矩電流最大比控制系統(tǒng)[3]中永磁同步電動機功率因數的

42、仿真分析。建立轉矩電流最大比控制仿真模型[4]，在不同轉速和負載下進行仿真，分析系統(tǒng)的各參數之間的對應關系，并著重分析了在不同情況下永磁同步電動機的功率因數。</p><p>　　2 永磁同步電動機的功率因數</p><p>　　2.1永磁同步電動機功率因數的基本概念</p><p>　　功率因數的大小與電路的負荷性質有關，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1

43、，一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統(tǒng)的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數有一定的標準要求。</p><p>　　2.2同步電動機的功率特性</p><p>　　同步電動機運行時，從電源吸收的電功率P1，除一小

44、部分消耗在電樞繞組外，其余部分都通過氣隙傳遞到轉子。通過電磁作用傳遞到轉子的功率，就是同步電動機的電磁功率Pem，再經過電磁轉換轉變成輸出功率P2。同步電動機的功率方程為</p><p>　　P1=Pcu + Pem</p><p>　　Pem=Pfe+P+P2 ????????（2-1）</p><p>　　式中

45、Pcu???定子銅耗</p><p>　　Pfe ---鐵耗</p><p><b>　　P???機械損耗</b></p><p>　　忽略電樞電阻時，同步電動機的電磁功率為</p><p>　　PemP1=3U1I1cos?????????????????????? （2-2）</p>

46、<p>　　式中 ?——電樞的功率因數角</p><p>　　由此可知功角特性為：</p><p>　　Pem=+ （2-3）式（2-3）就是功角特性的表達式。式中第一項Pe1=稱為基本電磁功率；第二項Pe2=稱為附加電磁功率。附加電磁功率與勵磁無關，且僅當XdXq(即交、直軸磁阻互不相等)時才存在，故也稱為磁阻功率。</p><p&g

47、t;　　2.3影響功率因數的因素</p><p>　　2.3.1影響永磁同步電機功率因數的原因</p><p>　　永磁同步電動機運行是靠定子線圈在氣隙中產生的旋轉磁場與轉子上磁鋼間的相互吸引，使轉子與定子氣隙磁場同步旋轉而做功。其轉子等效為電阻電路，故功率因數高。因無勵磁電流，其空載損耗小。電動機效率可達96%左右，較三相異步電動機高。</p><p>　　影響永

48、磁同步電機功率因數的原因是電壓質量（電壓幅值）和負載率。當電網電壓高于電動機的反電勢點時，永磁電機呈感性負載運行；反之，電動機呈容性負載運行。因此，電網電壓波動會造成電機的功率因數波動，補償困難。若電壓幅值與電動機反電勢點接近，偏差在±2%電壓范圍內時，電機功率因數大于或等于0.9，否則，功率因數較低；另外，當永磁同步電機的負載率低于25%時，電機功率因數也偏低。</p><p>　　2.3.2提高永磁

49、電機功率因數的方法</p><p>　　通過對各單井點功率因數低的原因分析，分別采取了以下方法進行調整。</p><p>　　(1)根據實測負載率適當調換電機，以保證適當的負載率。</p><p>　　(2)穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，尤其是重載線路末端，電壓普遍偏低。</p><p>　　(3)穩(wěn)定單井電壓使其接近永磁同步電機的空載反電勢。</p&

50、gt;<p>　　(4)當運行電壓高于永磁電機的反電勢點時，可根據感性無功功率的大小，加電容補償，以提高功率因數。</p><p>　　(5)當運行電壓低于永磁電機的反電勢點時，可調節(jié)變壓器分接開關，適當提高二次電壓的幅值，使電機運行電壓在反電勢點附近，提高功率因數。</p><p>　　(6)對于重負荷長線路，調節(jié)變壓器分接開關后，變壓器二次電壓幅值仍低于永磁電機反電勢點時

51、，可更換永磁同步電機，采用電容柜補償。</p><p>　　2.4永磁同步電動機的功率因數分析</p><p>　　2.4.1電源與功率因數的仿真分析</p><p>　　在額定負載時，在電機的勵磁不變情況下，改變定子供電電壓時，通過仿真記錄多組數據，最終繪出電流幅值和功率因數角隨電壓變化的波形如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1

52、電源與功率因數的仿真分析曲線</p><p>　　圖中仿真曲線表明在Pem不變的情況下，隨著電壓U的增大，定子電流先減小然后增大，相位由容性變?yōu)楦行?。對于永磁同步電動機，勵磁是恒定的，但是調整外部電壓U 相當于調整勵磁電流If，U=f(Ia)。</p><p>　　當電機的負載不變時，減小電樞電壓，為了保持平衡，繞組就會相應產生較小的氣隙感應電勢，由于電樞反應，氣隙合成磁場就應減小，又因為

53、勵磁磁鏈不變，所以此時電樞電流應該具有去磁的作用，即應超前于電壓，電流呈容性，功率因數角為負值。當增大電壓時，情況與之相反。</p><p>　　由上可知，可以通過控制電機電源來達到調節(jié)功率因數的目的。對于永磁同步電動機我們可以通過控制定子電流，達到調節(jié)電機綜合磁場的效果，從而實現對電機功率因數的控制。</p><p>　　2.4.2勵磁與功率因數的仿真分析</p><

54、p>　　永磁同步電動機的勵磁狀況對電機的性能有很大的影響，為了直觀的了解永磁體的強度對電機的影響，在永磁同步電動機帶額定負載、正弦電壓供電時，進行仿真分析，可以得到相電流幅值和功率因數角與磁鏈的關系曲線，如圖2-2所示</p><p>　　圖2-2 勵磁與功率因數的仿真分析</p><p>　　由上述波形可知，正常勵磁時，電機的功率因數角為0，即功率因數為1，定子電流幅值最??；在電

55、流為感性的情況下，隨著勵磁的增大，定子相電流幅值減小，功率因數角減小，即功率因數增大；容性電流時，隨著勵磁增強，功率因數減小。所以在電機設計時，恰當地選擇永磁體對永磁同步電動機的功率因數是有很大的影響的。 </p><p>　　3 永磁同步電動機的數學模型及控制理論</p><p>　　3.1永磁同步電動機的數學模型</p><p>　　在以下條件下建立d-q坐

56、標系下的PMSM的數學模型：</p><p>　　(1)忽略磁路中鐵心的磁飽和；</p><p>　　(2)不計鐵心的渦流損耗與磁滯損耗；</p><p>　　(3)定子電樞繞組的空載電勢是正弦波；</p><p><b>　　定子電壓方程：</b></p><p><b>　?。?-1

57、）</b></p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　磁鏈方程： </p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b&g

58、t;　　電磁轉矩方程：</b></p><p>　　= （3-5）</p><p>　　上述式中，Rs為定子繞組相電阻，和是定子磁鏈d軸和q軸上的分量,uq和ud是定子電壓d軸和q軸上的分量，Ld和Lq分別是d軸和q軸電感，是轉子電角速度，是永磁磁極產生的與定子交鏈的磁鏈，p為電動機極對數。</p><p>　　PMSM的狀態(tài)方程：

59、</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p><b>　　式中p為微分算子。</b></p><p>　　對于PMSM來說，定義坐標系的軸與定子A相繞組重合,軸比軸超前90度，因為軸固定在A相軸線上，因此坐標系為靜止坐標系。定義dq坐標系的d軸與轉子主磁極軸線重合，q軸超前d軸90度，并且d軸與A相軸線

60、夾角為，dq坐標系以電角速度一起旋轉，因此稱為旋轉坐標系，如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 坐標變換圖</p><p>　　在圖3-1中，三相靜止坐標系下，三相電流可以為：</p><p>　　（3-7） </p><p>　　在恒定轉速下，，合成磁場與d軸的夾角。</p><

61、;p>　　采用變換，靜止坐標系與abc的關系為：</p><p><b>　　（3-8）</b></p><p>　　采用變換，abc坐標系與的變換關系為：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　采用abc/dq變換，有：</p><p>

62、<b>　?。?-10）</b></p><p>　　采用dq/abc變換，有：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　3.2永磁同步電動機的控制策略 </p><p>　　PMSM的高性能控制策略[6]主要有以下幾種：</p><p>&l

63、t;b>　　（1）變壓變頻控制</b></p><p>　　控制變量為電機的外部變量，即電壓和頻率。這種控制方法的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制，控制電路簡單。該控制系統(tǒng)的特點是易實現、價格低廉，比恒定控制方式通用性強，是目前通用變頻器產品中使用較多的一種控制方式。但是，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置或其它任何反饋信號，因此不能實時獲得電機的工作狀態(tài)，無法精確控制從而得出最佳的電磁轉矩。<

64、;/p><p><b>　?。?）矢量控制</b></p><p>　　由于矢量控制理論[8]需要坐標旋轉變換、矢量運算以及高速的數字信號處理器，所以在最初幾年里，該理論一直無法實得到證實，直到1979年，日本首次將該技術用于異步電機驅動造紙機，僅過一年，日本又將該技術首次引入永磁同步電機驅動軋鋼機。</p><p>　　矢量控制的核心思想是參照直

65、流電機的控制策略，將電機三相電流、電壓、磁鏈經坐標變換，形成以轉子磁鏈定向的兩相參考坐標系，實現電機轉矩的控制。磁場定向矢量控制的優(yōu)點是有良好的轉矩響應，精確的速度控制，零速時可實現全負載。</p><p>　　矢量控制的優(yōu)點是具有精確的速度控制和良好的轉矩響應，并可實現零速全負載控制，具有類似于直流電機的工作特性。矢量控制的前提是獲得轉子磁場的準確位置，通常通過安裝絕對編碼器等轉子位置傳感器來獲得轉子磁場的準確

66、位置。由于矢量控制要經過坐標變換，對電機參數的變化敏感、運算量大，系統(tǒng)結構復雜等缺點，使得矢量控制的快速性受到。</p><p>　?。?）直接轉矩控制[10]</p><p>　　矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要復雜的矢量旋轉變換，而且電動機的機械常數低于電磁常數，所以不能迅速地響應矢量控制中的轉矩。針對矢量控制的這一缺點，提出了直接轉矩控制[9]。其控制思想是

67、通過對定子磁鏈定向，實現定子磁鏈和轉矩的直接控制[11]。</p><p>　?。?）轉矩電流最大比控制</p><p>　　在交流伺服的各種控制方法中，控制定子電流d軸電流矢量為零的磁場定向方法應用最為普遍。但是，完全采用的控制方法在某些情況下并不是最佳的[12]。因此，永磁同步電動機也采用最大轉矩控制及其他特殊控制方法。采用轉矩電流最大比控制嵌入式永磁同步電動機是可能的。在輸出同樣轉矩

68、時的銅損耗減小。在這種情況下，系統(tǒng)對逆變器額定功率的要求降低，即可以優(yōu)化逆變器的利用效率。</p><p><b>　?。?）功率因數控制</b></p><p>　　上面我們已經討論了比較常用的矢量控制和轉矩電流最大比控制，無論是哪種控制方法都是優(yōu)缺點并存的。如果我們能夠在調速系統(tǒng)中同時實現對電機功率因數的控制[13]，那么就可以保證永磁同步電動機具有良好的功率因數

69、特性。功率因數為1時永磁同步電動機就不會對電網造成污染，而且還可以使逆變器的容量得到充分利用。同樣如果調節(jié)功率因數超前或滯后就可以像電勵磁同步電動機那樣對電網進行無功補償。</p><p>　　本文下面將專門研究永磁同步電動機的功率因數問題，在討論電勵磁同步電動機功率因數的基礎上，分析永磁同步電動機功率因數的相關問題，并且針對廣泛應用的控制系統(tǒng)分析永磁同步電動機的功率因數特性，最后建立仿真模型控制電機的功率因數。

70、</p><p>　　3.3永磁同步電動機控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢</p><p>　　以PMSM為執(zhí)行元件構成的永磁同步電機控制系統(tǒng)因其良好的性能，自誕生以來，伴隨著相關支撐技術的發(fā)展，如永磁材料、電力電子器件、微處理器、傳感器和變頻調速控制策略等，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應用，并日漸成為電機驅動系統(tǒng)的主流[14]，尤其在高性能要求的中小功率的伺服領域更是具有一取傳統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)的趨勢。從其應

71、用領域的特點和PMSM伺服系統(tǒng)自身技術的發(fā)展來看，今后，永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向主要有以下幾個方面:</p><p><b>　　(1)全數字化</b></p><p>　　隨著高性能專用數字信號處理器的出現，使得在電機控制系統(tǒng)中應用現代控制理論(如人工智能、神經網絡、最優(yōu)控制等)成為可能。實施全數字化電機控制系統(tǒng)，將原來的硬件控制變成了軟控制，提高了電機控制系

72、統(tǒng)的柔韌性，降低了成本，，使得系統(tǒng)的控制精度和可靠性大大增強。</p><p><b>　　(2)高度集成化</b></p><p>　　微電子技術的發(fā)展，CPLD、FPGA等大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膽?，使得控制電路設計更加靈活，速度響應更加快捷，硬件電路設計更易實現一體化，制系統(tǒng)的集成度更高，電機控制系統(tǒng)的安裝和調試等工作更加靈活。</p><p

73、><b>　　(3)智能化</b></p><p>　　智能化是目前電機控制系統(tǒng)及工業(yè)設備所追求的實現目標。智能化主要表現在設備不僅要有參數設置、參數記憶以及與上位機進行數據通信等功能，而且還具備一定的故障自診斷與分析功能，高檔一些的智能化設備還具有參數自整定功能?？刂葡到y(tǒng)智能化的實現，提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了系統(tǒng)維修與調試的復雜性。</p><p>　　(4

74、)模塊化和網絡化</p><p>　　工業(yè)無線網絡及各類現場總線的應用是工廠自動化工程技術的發(fā)展趨勢，各類控制器的模塊化是實現該控制方法的基礎。電機控制器[15]作為工廠使用最為廣泛的控制單元，其模塊化的實施，不僅增強了電機控制單元與其它控制設備(如PLC等)的互聯能力，而且使得工廠網絡化的實施成為可能。當前為進一步提高永磁同步電機控制系統(tǒng)的性能，必須更深入的研究和探索幾個待解決的影響其性能的“瓶頸”問題：<

75、;/p><p>　　1、發(fā)展高性能永磁材料及其加工技術，改進PMSM結構以克服PMSM在使用過程中的“退磁”問題和克服其存在齒槽轉矩對其轉矩波動尤其是低速時轉矩波動的影響。</p><p>　　2、改進逆變器(含驅動電路)性能—克服其存在功率開關關斷延時對其電流跟蹤</p><p>　　速度減慢和造成注入PMSM定子電流含有諧波成分從而使其存在轉矩脈動的影響;同時發(fā)展高

76、精度的速度及位置檢測器件和實現無傳感器檢測—克服因檢測誤差對控制器調節(jié)性能的影響。</p><p>　　3、采用先進控制策略—提高控制器性能尤其是其智能水平和自適應能力以克服</p><p>　　包含驅動器、PMSM及負載在內的“廣義被控對象”的不確定性因素對系統(tǒng)性能造成的影響和彌補系統(tǒng)以“硬件形式”構成的部件“缺陷性”。</p><p>　　4 轉矩電流最大比控制

77、系統(tǒng)的功率因數仿真分析</p><p>　　4.1轉矩電流最大比控制理論</p><p>　　永磁同步電動機具有結構簡單、體積小、重量輕、功率因數高等優(yōu)越性能，由其組成的高性能驅動系統(tǒng)近年來受到了廣泛的關注。對于凸極永磁同步電動機，能夠產生磁阻轉矩，通過控制定子電流相位角可以控制定子電流在直軸與交軸上的分量。當定子電流一定時，存在一個電流相位角使輸出轉矩值最大，這種控制方法可以得到最大轉矩

78、電流比。 基于此種最大電流比控制方法，建立高性能的三電平PMSM最大轉矩電流比控制系統(tǒng)，對最大轉矩電流比控制系統(tǒng)進行分析研究。與傳統(tǒng)的=0控制在輸出轉矩、功率因數、動態(tài)性能、 算法復雜程度、對參數的魯棒性等方面進行比較，從而闡述了其優(yōu)缺點，為永磁同步電動機控制方法選擇提供依據。</p><p>　　經過理論分析及仿真得出：最大轉矩電流比控制的動態(tài)性能優(yōu)于控制；最大轉矩電流比控制充分利用磁阻轉矩，輸出轉矩相同的情況

79、下與控制相比定子電流小，電動機銅耗小，功率因數高。所以高轉矩、大容量場合宜采用最大轉矩電流比控制；最大轉矩電流比控制中，電樞電流產生的磁動勢的效果為去磁效應，這種去磁效應可以用來實現弱磁調速。但隨著負載轉矩的增大功角會迅速拉大，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；最大轉矩電流比控制算法復雜，且對電機參數魯棒性不高?？刂扑惴ê唵?、魯棒性高[16]。</p><p>　　4.2轉矩電流最大比控制原理</p><

80、p>　　所謂轉矩電流最大比控制，又稱為定子電流最小控制，是指在轉矩給定的情況下，最優(yōu)配置交直軸電流分量，使定子電流最小，即單位電流下電機輸出轉矩最大。最大轉矩電流比控制可以減小電機銅耗，提高運行效率，從而是整個系統(tǒng)的性能得到優(yōu)化。此外，由于逆變器所輸出的電流較小，對逆變器的容量要求可相對降低。上面已經在第三章中介紹了泳池同步電動機的電磁轉矩的數學模型，即電磁轉矩方程：</p><p>　　=

81、 </p><p>　　可以看出凸極式永磁同步電動機，由于其交軸電感大于直軸電感，采用轉矩電流最大比控制時其直軸電流分量小于零，換句話說，是通過利用直軸電流的去磁作用來實現最大轉矩電流比控制的。因此，實際使用時必須注意對直軸電流分量的控制，要考慮磁飽和影響和功角特性的影響。</p><p>　　4.3轉矩電流最大比仿真與功率因數分析</p><p>　　無論我們采

82、用哪種控制方式，最終都是為了實現電機運行具有穩(wěn)定的轉速[20]，轉矩脈動小，系統(tǒng)具有快速響應性[17]。在轉矩電流最大比控制方法中，我們仍然要對電機轉速進行閉環(huán)控制。在控制系統(tǒng)中，轉速給定信號與反饋轉速經過PI 調節(jié)器運算給出電磁轉矩給定信號，電磁轉矩給定信號與實際值再經過 PI 調節(jié)輸出定子電流矢量幅值的給定值。有了定子電流矢量的幅值之后就可以計算出γ，從而可以是計算出在此中情況下定子電流的直軸分量和交軸分量給定值。然后通過 dq到

83、abc的坐標變換計算得到定子三相電流的給定值。定子三相電流給定值與反饋值經過電流調節(jié)器輸出PWM調制波控制逆變器的工作狀態(tài)。下面將采用電流滯環(huán)PWM方式來建立仿真模型，在不同的條件下進行仿真，并且詳細分析控制系統(tǒng)的性能以及電機的功率因數。</p><p>　　4.3.1電流滯環(huán)控制方式的仿真與功率因數分析</p><p>　　電流環(huán)采用滯環(huán)控制時，在SIMULINK中建立的仿真模型如上圖4

84、-1所</p><p><b>　　示</b></p><p>　　圖4-1 滯環(huán)控制方式模型</p><p>　　模型中有轉速和轉矩的閉環(huán)控制，轉速給定值與反饋值經過ASR的PI調節(jié)，并加以限幅輸出電磁轉矩的給定值，然后與反饋電磁轉矩經過PI調節(jié)和限幅環(huán)節(jié)后輸出定子電流矢量的給定幅值Is。CACULATE模塊是一個封裝子系統(tǒng)，它實現了根據定子

85、電流幅值計算定子電流相對于交軸的相位角γ的運算。直軸電流和交軸電流給定值可以由定子電流矢量和γ來確定，關系如下式所示:</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　直軸電流和交軸電流的給定值經過坐標變換模塊得到定子三相電流的給定值，它們與反饋得到的實際值經過滯環(huán)環(huán)節(jié)輸出PWM波控制逆變器，最終輸出永磁同步電動機所需的三相電壓。在采用電流滯環(huán)控制

86、方法時，定子流給定值與反饋值經過滯環(huán)調節(jié)器輸出開關信號控制逆變器的工作。設定滯環(huán)比較器的環(huán)寬，調節(jié)就可以控制逆變器的開關頻率，越小開關頻率越高，定子電流的脈動就越小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會越高。圖4-1中最后一個模塊是永磁同步電動機的封裝形式，電機的輸入信號有負載轉矩和來自逆變器的三相電源，輸出參數可以根據需要來選擇，必須要有實現閉環(huán)控制的轉速、電磁轉矩和定子電流以及轉子位置的電角度信號以實現坐標變換。</p><p>

87、;　　4.3.2額定工作狀態(tài)下的仿真實現與功率因數</p><p>　　采用凸極性明顯的電機進行仿真，先分析在額定轉速1500rpm、額定負載為5Nm的情況下控制系統(tǒng)的控制性能以及電機的功率因數。本系統(tǒng)中調節(jié)器均采用PI 算法，在調試過程中，我們將不同 PI 參數下的仿真波形加以對比可知，超出系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍時，PI參數增大都會造成振蕩次數增多，過渡過程加長，如圖4-2所示。在圖4-2中電磁轉矩的波動過程很長，而且

88、剛性很強，相應的電機轉速在起動過程中的超調量很大，而且振蕩過程也很長。通過調節(jié)和優(yōu)化PI參數，在上述仿真系統(tǒng)中，當給定電機轉速為 1500rpm時，仿真結果如圖4-3所示。圖4-3中，系統(tǒng)能夠快速的達到穩(wěn)定狀態(tài)，振蕩過程縮短了，閉環(huán)控制效果很好。</p><p>　　(橫坐標：時間s,縱坐標：轉矩Nm) （橫坐標：時間s,縱坐標：轉速rpm）</p><p>　　圖4- 2(a) 電磁轉矩

89、 圖4-2(b) 轉速</p><p>　　(橫坐標：時間s,縱坐標：轉矩Nm) （橫坐標：時間s,縱坐標：轉速rpm）</p><p>　　圖4-3(a) 電磁轉矩 圖4-3(b) 轉速</p><p>　　在額定轉速下，電機帶額定負載時，對電機參數進行仿真分析得到波形如下圖 4-

90、4所示。</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：電流A）</p><p>　　圖4-4(a) A相電流</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：電壓V）</p><p>　　圖4-4(b) A相電壓</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>　　圖

91、4-4(c) 直軸與交軸電流</p><p>　　直軸電流為-2.7A，交軸電流為9.3A。因為直軸電流分量為負值，所以定子電流矢量超前于交軸，由此可以判斷定子電流矢量超前于交軸的角度為arctg (| id / iq |)=16.2 。這與仿真系統(tǒng)中 CACULATE 模塊根據式(5-2)輸出的仿真結果是一致的。</p><p>　　在上述分析的基礎上，永磁同步電動機的功率因數角度如下圖

92、4-5所示，電機的功率因數角度穩(wěn)態(tài)時約為，比矢量控制系統(tǒng)中電機的功率因數高得多。</p><p>　　(橫坐標：時間 s，縱坐標：角度 度)</p><p>　　圖4-5(d) 功率因數角</p><p>　　4.3.3變負載時的仿真實現與功率因數分析</p><p>　　給定電機轉速為1500rpm,負載為10N時，對電機參數進行仿真分析得

93、到波形如下圖4-6所示。 </p><p>　　（橫坐標：時間s，縱坐標：轉矩Nm）（橫坐標：時間s，縱坐標：轉速rpm）</p><p>　　圖4-6(a) 電磁轉矩 圖4-6(b) 轉速</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>

94、;　　圖4-6(c) A相電流</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電壓 V）</p><p>　　圖4-6(d) A相電壓</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>　　圖4-6(e) 直軸和交軸電流</p><p>　　在帶10Nm負載的情況下穩(wěn)定運行，仿真分析電機功率

95、因數角度如下圖4-7所示。電機穩(wěn)定運行后，電機的功率因數角度為3.1?？梢娫谪撦d增大的過程中，對應于內功率因數角的γ值增大，電機輸出功率增大。電機的功率因數角度有所增大。</p><p>　　(橫坐標：時間s，縱坐標：角度 度)</p><p>　　圖4-7負載為10Nm時功率因數波形</p><p>　　4.3.43000rpm時的仿真實現與功率因數分析</

96、p><p>　　在給定電機轉速為3000rpm時，電機負載在0.1s時由5N升高到10Nm</p><p>　　時，控制系統(tǒng)的仿真波形如圖4-8所示。</p><p>　　(橫坐標：時間 s，縱坐標：轉矩Nm）</p><p>　　圖4-8(a) 電磁轉矩</p><p>　　橫坐標：時間 s，縱坐標：轉速 rpm）<

97、;/p><p>　　圖4-8(b) 轉速</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>　　圖4-8(c) A相電流</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電壓 V）</p><p>　　圖4-8(d) A相電壓</p><p>　　（橫坐標：時間s，縱坐標：

98、電流A）</p><p>　　圖4-8(e) 直軸和交軸電流</p><p>　　(橫坐標：時間s，縱坐標：角度 度）</p><p>　　圖4-8(f) 3000rpm時功率因數仿真分析</p><p>　　在3000rpm時，電源頻率為100Hz。當負載增大瞬間，電機的轉速會有所下降，閉環(huán)控制的作用就是使電磁轉矩迅速跟蹤負載轉矩，使電機能

99、夠穩(wěn)定在給定轉速下運行。在負載變化過程中，電機參數的變化情況是這樣的，交軸電流由9.3A增大到18.3A，直軸電流由-2.75A減小到-8.75A，功率因數角度由 1.93到3.55。在電機運行在3000rpm時的功率因數明顯比矢量控制系統(tǒng)中要高很多。</p><p>　　4.3.5低轉速下的仿真實現與功率因數分析</p><p>　　當給定電機轉速為 750rpm時，控制系統(tǒng)的仿真波

100、形如圖4-9所示。</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：轉矩）</p><p>　　圖4-9(a) 電磁轉矩</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：轉速rpm）</p><p>　　圖4-9(b) 轉速</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p&g

101、t;　　圖4-9(c) 定子電流</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電壓 V）</p><p>　　圖4-9(d) A相電壓</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：電流A）</p><p>　　圖4-9(e) 直軸與交軸電流</p><p>　　(橫坐標：時間 s，縱坐標：角度 度）</p&

102、gt;<p>　　圖4-9(f) 功率因數角</p><p>　　直軸電流由-2.7A變?yōu)?8.75A，交軸電流由9.3A變?yōu)?8.3A，仿真得到的功率因數角度由1.5變?yōu)?.5。這樣電機功率因數降低，要求逆變器的輸出電壓增大。調速系統(tǒng)必須保證電機所需電源在逆變器能夠輸出的最大容量范圍內。此種控制系統(tǒng)中，電機的功率因數都比同種運行條件下矢量控制系統(tǒng)中電機的功率因數要高得多，這一點上，它是優(yōu)于傳統(tǒng)的矢

103、量控制的。</p><p>　　5 功率因數的仿真分析</p><p>　　5.1功率因數的控制原理</p><p>　　功率因數是電動機運行的重要參數，在額定工作情況下運行時，電動機的功率因數一般都在0.85以上（10KW以下的低速電機稍低）。永磁同步電動機由于沒有勵磁繞組和勵磁裝置，不消耗勵磁功率，對磁極設在轉子的電機還可以省去滑環(huán)和電刷。與電勵磁電機相比，永磁

104、同步電動機具有損耗小、效率高、結構簡單、可靠性高等突出優(yōu)點，因此獲得廣泛的應用。永磁同步電動機在轉矩電流最大比控制中，在負載增大時功率因數要降低[18]，因此我們利用永磁同步電動機在dq坐標系中的數學模型，建立永磁同步電動機功率因數控制的仿真模型。調節(jié)勵磁電流可以調節(jié)電勵磁同步電動機的功率因數，但是永磁同步電動機的勵磁是不可調節(jié)的，不能采用電勵磁同步電動機的控制方法，因此通過控制定子電流來實現功率因數控制的方法。功率因數控制原理如圖5-

105、1所示。</p><p>　　5.2功率因數的仿真分析</p><p>　　5.2.1 給定功率因數角為0的仿真分析</p><p>　　給定功率因數角度為0時仿真結果如圖5-2所示。</p><p>　　（橫坐標：時間s，縱坐標：轉矩Nm）</p><p>　　圖5-2(a) 電磁轉矩</p><

106、p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：轉速 rpm）</p><p>　　圖5-2(b) 轉速</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>　　圖5-2(c) A相電流</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電壓 V）</p><p>　　圖5-2(d) A相電壓</

107、p><p>　　橫坐標：時間s，縱坐標：電流A）</p><p>　　圖5-2(e) 直交軸電流</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：角度 度）</p><p>　　圖5-2(f) 功率因數角度</p><p>　　由上述波形可知，在額定轉速下，電機帶負載為時，控制系統(tǒng)能夠使電機在給定功率因數下穩(wěn)定運行。由圖可知

108、，在0.04s控制狀態(tài)轉換時，電機的功率因數角度由矢量控制階段12.8度逐漸達到給定的功率因數角度為0度的狀態(tài)，電機轉速穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差小。在此過程中，定子直軸電流分量由零變?yōu)樨撝?，從矢量圖上來理解，就是說定子電流矢量由原來位于交軸上變?yōu)槌坝诮惠S，并且達到與定子電壓矢量重合。</p><p>　　5.2.2其他功率因數下的仿真分析</p><p>　　給定電機功率因數角度為時，仿真結果如圖

109、5-3所示。</p><p>　　（橫坐標：時間 s，縱坐標：轉矩Nm）</p><p>　　圖5-3(a) 電磁轉矩</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：轉速 rpm）</p><p>　　圖5-3(b) 轉速</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：電流A）</p><p>

110、;　　圖5-3(c) 直交軸電流</p><p>　?。M坐標：時間s，縱坐標：角度 度）</p><p>　　圖5-3(d) 功率因數角</p><p>　　在給定功率因數角度為時，定子電流矢量滯后電壓矢量，功率因數控制仿真模型輸出波形表明，永磁同步電動機能夠快速響應給定信號，而且具有很好的穩(wěn)定性。由圖可知，在此過程中，直軸電流分量由零變?yōu)檎?，此時電流矢量滯后于

111、交軸。</p><p>　　給定電機功率因數角度為-時，仿真結果如圖5-4示。 </p><p>　　（橫坐標：時間 s，縱坐標：轉矩Nm）</p><p>　　圖5-4(a) 電磁轉矩</p><p>　　（橫坐標：時間 s，縱坐標：轉速 rpm）</p><p>　　圖5-4(b) 轉速</p>&l

112、t;p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：電流 A）</p><p>　　圖5-4(c) 直交軸電流</p><p>　?。M坐標：時間 s，縱坐標：角度 度）</p><p>　　圖5-4(d) 功率因數角度</p><p>　　電機在額定轉速下，帶負載為5Nm時，由圖5-4可知，電流矢量由q軸轉移到超前于電壓矢量10的位置，此時電流直

113、軸分量不為零，且比功率因數為1時的幅值更大。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文通過查閱文獻，對永磁同步電機控制系統(tǒng)的國內外發(fā)展情況做了概括和總結。通過仿真詳細分析了控制系統(tǒng)中永磁同步電動機的功率因數，并且提出了永磁同步電動機功率因數的控制策略。隨著數字控制技術的發(fā)展，永磁同步電動機以其獨特的優(yōu)越性獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的矢量控制技術在