摘要：永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)在電動汽車、輪船等交通運輸領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。使用MATLAB/SIMULINK的仿真功能，采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，分別對速度環(huán)調(diào)節(jié)、電流PI（Proportion Integration）調(diào)節(jié)、SVPWM（Space Vector Pulse Width Module）波的產(chǎn)生、、雙閉環(huán)的整個系統(tǒng)模型進行仿真研究。仿真在線調(diào)試，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角、定子電流、以及轉(zhuǎn)矩通過Scope模塊進行觀察，及時調(diào)整系統(tǒng)模型參數(shù)，使系統(tǒng)性能達到化，實現(xiàn)了永磁同步電機矢量控制和正反轉(zhuǎn)調(diào)速。結(jié)果表明該種控制方法具有很好的魯棒性，且該種方法可以提高設(shè)計的效率并縮短系統(tǒng)設(shè)計時間。

　　1.引言

　　隨著高性能永磁材料、大規(guī)模集成電路和電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機因為其功率密度高，體積小，功率因數(shù)和高效率而得到發(fā)展，且引起了國內(nèi)外研究學者的關(guān)注。傳統(tǒng)的控制方式由于引入了位置傳感器而給當前的調(diào)速系統(tǒng)帶來了一系列的問題：占據(jù)了比較大的有效空間，使系統(tǒng)編程復(fù)雜。因此無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究變得越發(fā)的重要。

　　2.PMSM的坐標系和數(shù)學模型

　　永磁同步電機在定子三相（ABC）靜止坐標系下的電壓方程：

　　式中，三相繞組的相電壓瞬時值分別為A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相電流的瞬時值； s R 是永磁同步電機定子的每相繞組電阻； A ψ 、B ψ 、C ψ 是永磁體的磁鏈在各相繞組的投影。在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

　　3.SIMULINK仿真

　　永磁同步電機無傳感器矢量控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，在MATLAB/Simulink下建立PMSM驅(qū)動仿真分析，用id=0時的無傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示，各個模塊介紹如下：給定的參考轉(zhuǎn)速是700rpm;速度通過PI調(diào)節(jié)模塊，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制策略，該調(diào)節(jié)采用了輸出限幅；接著是電流PI調(diào)節(jié)器模塊構(gòu)成電流的閉環(huán)控制，輸出了定子的電壓dq軸分量ud和uq;I-park逆變器模塊將兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系（dq）下的值向兩相靜止坐標系（αβ）下變化，它的輸出是αβ軸的定子電壓分量參考值Ualfa,Ubeta;SVPWM和逆變模塊用于實現(xiàn)參考電壓逆變及其調(diào)制，從而可以直接通給電機；PMSM是永磁同步電機模塊，負載轉(zhuǎn)矩是模塊Tm.反饋通道模塊有：

　　Clark變換模塊：實現(xiàn)三相坐標系（ABC）向兩相直接坐標系（αβ）的轉(zhuǎn)換，輸出的αβ坐標系下的電流值和電壓值作為觀測器的輸入，其中SMO模塊是反電動勢估算模塊，SMO1是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角估算模塊，這兩點是討論的關(guān)鍵問題所在。

　　3.1 滑膜觀測器模塊

　　由滑膜觀測器的理論可以構(gòu)造滑膜觀測器：由觀測器和控制驅(qū)動器構(gòu)成的物理模型如下：

　　控制系數(shù)z的目標是使電流的估計誤差接近0.通過合適的選擇系數(shù)k和正確的估算反電動勢。在這里標志？ 表示變量是估算的。標志*表示這個量可以獲得。

　　離散化后的公式：

　　這里Ts是采樣周期。

　　電機的角度估算值和反電動勢之間的關(guān)系是：

　　轉(zhuǎn)子角度的計算步驟為：電流觀測器（圖4示意圖），滑?？刂疲▓D5到圖7示意圖），以及反電動勢的計算圖。

　　滑膜觀測器構(gòu)成原理圖和框圖分別是：

　　計算步驟是：電流觀測器，滑?？刂疲约胺措妱觿莸挠嬎銏D。

　　3.2 空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）

　　主要包括通過逆變器確定矢量所在的扇區(qū)，合成矢量分解到相鄰扇區(qū)的作用時間，計算電壓空間矢量的切換點。

　?。?）判斷矢量所在的扇區(qū)：

　　如果Va>0,則A=1否則A=0;如果Vb>0,則B=1否則B=0;如果Vc>0,則C=1否則C=0.

　　扇區(qū)計算公式為：

　　4.實驗結(jié)果

　　永磁同步電機的定子相電阻是0.195684ohm,轉(zhuǎn)動慣量是0.704905kg.m2,極對數(shù)是12對極，額定轉(zhuǎn)矩是160N.m,額定轉(zhuǎn)速是700rpm,以下是永磁同步電機滑?？刂葡到y(tǒng)的仿真結(jié)果。

　　負載突變時對調(diào)速系統(tǒng)的影響，結(jié)果分析：在仿真模型中，負載轉(zhuǎn)矩給定值是100N.m,在0.1s秒時增加到160N.m,通過以下仿真圖來分析變化的負載轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)影響。圖4.22是永磁同步電機在負載突變情況下的轉(zhuǎn)速波動圖，從仿真圖形可以看出電機控制經(jīng)過短時間的振動，進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在700rad/s,轉(zhuǎn)速沒受到負載轉(zhuǎn)矩波動的影響。

　　5.實驗結(jié)果與分析

　　本文析了永磁同步電機狀態(tài)方程，設(shè)計了滑模仿真器，并進行了坐標變換，通過MATLAB/Simulink進行了模型的仿真和調(diào)速，仿真的結(jié)果表明該種控制方式是有效的，能夠估算出轉(zhuǎn)子位置信息極該種滑?？刂剖欠€(wěn)定而且有效的，分析了負載轉(zhuǎn)矩擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化對滑模控制性能的影響。結(jié)果說明基于滑?？刂频挠来磐诫姍C無傳感器控制系統(tǒng)具有很強的魯棒性，并且使用場合廣泛。（作者：黃斌，潘云蛟）