根據(jù)磁場定向控制理論以及永磁同步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的控制方案建立仿真模型,，并對永磁同步
電動機(jī)的調(diào)速過程進(jìn)行仿真,。
仿真結(jié)果較好地反映了永磁同步電動機(jī)的調(diào)速運(yùn)行過程,，對進(jìn)一步開發(fā)永磁同步電動機(jī)速度控制系
統(tǒng)具有重要意義,。
l
近年來，隨著控制理論,、永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展,，基于磁場定向控制的永磁同步電動機(jī)
(PMSM)以其優(yōu)良的控制性能、高功率密度和高效率,，廣泛應(yīng)用于各種高性能伺服系統(tǒng)及其他領(lǐng)域,。
本文對永磁同步電動機(jī)的磁場定向控制(FOC)系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究與分析,，并運(yùn)用
Matlab/Simulink對其調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真,。
2
永磁同步伺服電動機(jī)的模型是一個多變量、非線性,、強(qiáng)耦合系統(tǒng),。為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)過程的矢量控制
，首先要實(shí)現(xiàn)解耦,。轉(zhuǎn)子磁場定向控制是一種常用的解耦控制方法,。
轉(zhuǎn)子磁場定向控制實(shí)際上是將Odq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系放在轉(zhuǎn)子上,，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。其d軸(直軸)與轉(zhuǎn)
子的磁場方向重臺(定向),，q軸(交軸)逆時針超前d軸90°電角度,，如圖1所示。

圖l(圖中轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)為1)表示轉(zhuǎn)子磁場定向后,，定子三相不動坐標(biāo)系A(chǔ),、B、c與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)
坐標(biāo)系Odq的位置關(guān)系,。定子電流矢量is在Odq坐標(biāo)系上的投影id,、iq可以通過對iA、iB,、iC的
Clarke變換(3/2變換)和Park變換(交/直變換)求得,，因此id、iq是直流量,。
三相永磁同步伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中,，ψd、ψq——定子磁鏈在d,、q軸的分量,；
ψf——轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈，它只在d軸上存在,；
p——轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù),；
Ld、Lq——永磁同步電動機(jī)d,、q軸的主電感,。
式(1)說明轉(zhuǎn)矩由兩項組成，括號中的第一項是由三相旋轉(zhuǎn)磁場和永磁磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁
轉(zhuǎn)矩,；第二項是由凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩,。

對于嵌入式轉(zhuǎn)子，Ld<Lq,，電磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩同時存在,。可以靈活有效地利用這個磁阻轉(zhuǎn)矩,，通
過調(diào)整和控制β角,，用最小的電流幅值來獲得最大的輸出轉(zhuǎn)矩。對于凸極式轉(zhuǎn)子,，Ld=Lq,，因此只存
在電磁轉(zhuǎn)矩，而不存在磁阻轉(zhuǎn)矩,。轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椋?/p>

由式(2)可以明顯看出,，當(dāng)三相合成的電流矢量is與d軸的夾角β等于90°時可以獲得最大轉(zhuǎn)矩,，也
就是說is與q軸重合時轉(zhuǎn)矩最大。這時,，id=iscosβ=0,；iq=issinβ=is。式(2)可以改寫為：
由于是永磁轉(zhuǎn)子,，ψf是一個不變的值,，所以式(3)說明只要保持is與d軸垂直，就以像直流電動機(jī)
控制那樣,，通過調(diào)整直流量iq來控制轉(zhuǎn)矩,，從而實(shí)現(xiàn)三相永磁同步伺服電動機(jī)的控制參數(shù)的解耦。
3
采用磁場定向控制方法的永磁同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩嚴(yán)格與定子電流幅值成正比,，為了得到合適的
電磁轉(zhuǎn)矩,，需要精確控制定子電流幅值的大小。永磁同步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)原理如圖2所示,。
永磁同步電動機(jī)磁場定向控制的速度控制過程可簡單描述如下：
首先,，根據(jù)檢測到的電動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過速度PI控制器計算得
到定子電流參考輸入iSqref,。定子相電流ia和ib通過相電流檢測電路被提取出來,，然后用Clarke變
換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標(biāo)系中，使用Park變換再將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中,。d-q坐標(biāo)系中
的電流信號再與它們的參考輸入iSqref和iSdref相比較,，其中iSdref=O，通過PI控制器獲得理想的
控制量,?？刂菩盘栐龠M(jìn)行Park逆變換，送到PWM逆變器,，從而得到控制定子三相對稱繞組的實(shí)際電流
,。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號,，從而構(gòu)成一個完整的速度
FOC雙閉環(huán)系統(tǒng),。

在Matlab7.2的Simulink環(huán)境下，利用SimPow-erSystem Toolbox2.3豐富的模塊庫,，建立PMSM控制
系統(tǒng)仿真模型,。
PMSM的FOC系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，由PID調(diào)節(jié)器構(gòu)成,；內(nèi)環(huán)是電流環(huán),，采用的是
矢量控制,。根據(jù)模塊化的思想,，將控制系統(tǒng)分割為各個功能獨(dú)立的子模塊,。其中主要包括：PMSM數(shù)
學(xué)模型、矢量控制模塊,、坐標(biāo)變換模塊,、電流以及轉(zhuǎn)速PID控制模塊。PMSM的FOC數(shù)字仿真模型如圖
3所示,。
4.2
PMSM狀態(tài)參數(shù)設(shè)置如表1所示,。

仿真結(jié)果曲線如圖4所示，圖中橫軸為時間,，縱軸自上而下分別為定子電流,、轉(zhuǎn)速設(shè)定/轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、
轉(zhuǎn)矩設(shè)定/電磁轉(zhuǎn)矩/機(jī)械轉(zhuǎn)矩,、直流母線電壓,。
從永磁同步電動機(jī)FOC數(shù)字仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：
(1)電機(jī)在啟動階段，轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定加速狀態(tài),。當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度時,，轉(zhuǎn)速基本保持平穩(wěn)，波動較小
,；
(2)由于采用了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化所引起的擾動得到有效的補(bǔ)償，因此轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定
,；
(3)直流母線電壓只在啟動時有一定的脈沖,，在調(diào)速過程中均保持平穩(wěn)態(tài)勢；
(4)定子驅(qū)動電流的頻率和幅值的調(diào)制由FOC/SVPWM實(shí)現(xiàn),，基本滿足調(diào)速性能指標(biāo)要求,。
5
在Matlab/Simulink的可視化編程環(huán)境下，數(shù)字仿真PMSM速度控制系統(tǒng),，證明了基于FOC的電流,、速
度雙閉環(huán)SVP-WM的控制性能優(yōu)良。