3第2章永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型2.1.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電動(dòng)機(jī)與其他同步電動(dòng)機(jī)相同，包括定子、轉(zhuǎn)子兩部分，電機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖2-1。其中，定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，由定子鐵芯、三相對(duì)稱電樞繞組、機(jī)殼和端蓋組成。電樞繞組一般有三種類型：全節(jié)距繞組、分布短節(jié)距繞組和非常規(guī)繞組。通常，為了最大限度地消除MMF諧波，永磁同步電機(jī)采用短距離分布繞組。采用永磁材料代替永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組，省去了傳統(tǒng)電機(jī)勵(lì)磁線圈、電刷等一系列硬件結(jié)構(gòu)，使運(yùn)行過程更加安全可靠。轉(zhuǎn)子主要負(fù)責(zé)在氣隙中提供強(qiáng)磁場(chǎng)。實(shí)際上，它是通過轉(zhuǎn)軸、鐵芯、永磁鋼等硬件設(shè)施以及定子上的繞組的相互配合和感應(yīng)來完成自身的轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)電機(jī)理論，當(dāng)向定子繞組輸入工作電流時(shí)，便產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的具體速度表達(dá)計(jì)算式n為：式中，n是電機(jī)轉(zhuǎn)速，fs為電流頻率，Pn以為電機(jī)包含的極對(duì)數(shù)3]。2.1.2永磁同步電機(jī)的分類永磁同步電動(dòng)機(jī)按不同的標(biāo)準(zhǔn)可分為多種。主磁場(chǎng)有徑向和軸向兩個(gè)方向；由于永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)子多為多級(jí)轉(zhuǎn)子，有兩種單極子，分別對(duì)應(yīng)于兩種電機(jī)：產(chǎn)生梯形波的無刷直流電機(jī)(BDCM)和產(chǎn)生正弦波的永磁同步電機(jī)(PMSM);由下圖可以看出，根據(jù)永磁體與整個(gè)電機(jī)的相對(duì)位置，可分為表面凸出式、表面埋入式和埋入式三種表面凸出式永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子間磁路分布均勻。永磁材料的磁導(dǎo)率與空氣的磁導(dǎo)率非常接近。因此，這種結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是直軸和交軸上的電感值基本相等，與轉(zhuǎn)子位置無關(guān)。嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，其特點(diǎn)是橫軸電感大。另外，這種電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑小，結(jié)構(gòu)簡單，減小了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，有利于提高電機(jī)的控制性能。嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)由于其磁路氣隙小，應(yīng)用范圍較窄，一般只適用于某些高速場(chǎng)合。4載時(shí)，永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)甚至可以接近1,但異步電機(jī)需要部分無功功率產(chǎn)生磁場(chǎng)，以保證電機(jī)的正常運(yùn)行。也就是說，永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)高于異步電動(dòng)機(jī)。因此，可以降低電動(dòng)機(jī)的供電(變壓器)容量。要比異步電動(dòng)機(jī)高，無論在任何速度點(diǎn)都能夠比異步電動(dòng)機(jī)更節(jié)能，值要高很多，這種高效的性能也就顯得格外明顯，即永磁同步電常節(jié)能。另外就是其高效運(yùn)行范圍也非常寬，在25%-120%范圍內(nèi)效率都能夠達(dá)到大于主要原因是其磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的，因此不產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不會(huì)在繞組上產(chǎn)生能量損失，即銅耗。也是因?yàn)檗D(zhuǎn)子到冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比其他電機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在電機(jī)(4)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)(PMSM)采用全封閉結(jié)構(gòu)損極小，傳動(dòng)齒輪噪聲極小，甚至可以忽略其齒輪磨損和齒輪噪2.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電動(dòng)機(jī)的三相繞組通過三相交流時(shí)，定動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持相對(duì)靜止，通過它們的步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。雖6為Clark變換。由于在三相靜止坐標(biāo)系的A,B,C三相的定子電流iA,ig,ic相加之和為0,因此，在從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過程中，磁動(dòng)勢(shì)和功率不變的情況下，可以將三相靜止坐標(biāo)系(a-b-c坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，其變換的方程為：其反變換的矩陣方程為：(2)將兩相靜止坐標(biāo)系(α-β坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)的坐標(biāo)變換稱為Park變換。雖然永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，但由于永磁同步電機(jī)需要通入交流電才能運(yùn)行，因此變?yōu)閮上囔o止坐標(biāo)系之后，計(jì)算仍然很復(fù)雜。所以要做進(jìn)一步的簡化處理，將兩相靜態(tài)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，二次坐標(biāo)變換，使坐標(biāo)系與觀察者的視角同步旋轉(zhuǎn)，這樣就可以視永磁同步電機(jī)的繞組電流為直流電，最終實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步簡化，永磁同步電動(dòng)機(jī)可按直流電動(dòng)機(jī)控制方式進(jìn)行控制，大大簡化了控制難度。因此，有必要將兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q)坐標(biāo)系，其變換的，其變換的矩陣方程為：(3)通過Clark變換和park變換，將三相靜止坐標(biāo)系(a-b-c坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)換為兩相同步旋其反變換的矩陣方程為：7為定子三相繞組所對(duì)應(yīng)的磁鏈為定子三相繞組所對(duì)應(yīng)的磁鏈??為定子三相繞組所對(duì)應(yīng)的磁鏈LA,LB,Lc為定子三相繞組對(duì)應(yīng)的自感值，且φ為轉(zhuǎn)子磁鏈值0為轉(zhuǎn)子N級(jí)與三相靜止坐標(biāo)系中的A軸之間的夾角，因此也叫做位置角4Ag?為定子三相繞組所對(duì)應(yīng)的磁鏈80為轉(zhuǎn)子N級(jí)與三相靜止坐標(biāo)系中的A軸之間的夾角，因此也叫做位置角運(yùn)動(dòng)方程：為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量w為永磁同步電機(jī)的機(jī)械角速度T為永磁同步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩B為阻尼系數(shù)(2)在兩相靜止坐標(biāo)系(α-β坐標(biāo)系)下所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型uα,ug分別為α-β坐標(biāo)系中α軸的電壓值和β軸的電壓值R?為永磁同步電機(jī)定子電樞電阻i,ig分別為α-β坐標(biāo)系中α軸的電流值和β軸的電流值中，?g分別為α-β坐標(biāo)系中α軸的磁鏈值和β軸的磁鏈值磁鏈方程：Ls為α-β坐標(biāo)系中的電感值i,ig分別為α-β坐標(biāo)系中α軸的電流值和β軸的電流值w為永磁同步電機(jī)的機(jī)械角速度?為轉(zhuǎn)子磁鏈值0為轉(zhuǎn)子N級(jí)與三相靜止坐標(biāo)系中的A軸之間的夾角，因此也叫做位置角Pn為永磁同步電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)ia,ig分別為α-β坐標(biāo)系中α軸的電流值和β軸的電流值運(yùn)動(dòng)方程：為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量t為永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的偏差信號(hào)l?為永磁同步電機(jī)定子磁鏈的給定值△?,為永磁同步電機(jī)定子磁鏈滯環(huán)控制器的定子磁鏈容錯(cuò)值如圖3-6所示，對(duì)復(fù)平面進(jìn)行了劃分，劃成六個(gè)扇區(qū)S=1,S=2…S=6.在每個(gè)扇區(qū)施加相同的空間電壓矢量效果或不同，甚至?xí)厝幌喾?，例如在S=1扇區(qū)內(nèi)施加基本空間電壓因此通過圖3-6對(duì)復(fù)平面的劃分，建立一個(gè)最優(yōu)的開關(guān)表18,如下所示。φ110上文已經(jīng)對(duì)滯環(huán)比較器基礎(chǔ)理論部分進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，其在simulink仿真中模塊如下圖所示圖3-11轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)比較器模塊開關(guān)表選擇模塊：上文已經(jīng)對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的空間電壓矢量選擇及其最優(yōu)開關(guān)表進(jìn)行了詳細(xì)的理論鋪墊，在simulink仿真中該模塊如下圖所示。O32圖3-12開關(guān)表模塊該模塊輸入電磁轉(zhuǎn)矩，永磁同步電機(jī)定子磁鏈幅值大小及其定子磁鏈所在的位置，由三個(gè)變量的變化，通過開關(guān)表的—一對(duì)應(yīng)，輸出最優(yōu)的空間電壓矢量即脈沖信號(hào)，使其對(duì)逆變器進(jìn)一步控制。toiRt座米C圖3-13扇區(qū)判斷模塊扇區(qū)判斷模塊：扇區(qū)判斷模塊主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)已經(jīng)計(jì)算出來的位置角通過該模塊轉(zhuǎn)換成所在的扇區(qū)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速：系統(tǒng)轉(zhuǎn)速如下圖所示圖3-16永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化曲線該系統(tǒng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，大致在0.07秒左右能夠系統(tǒng)會(huì)在開始是超過給定轉(zhuǎn)速，使該系統(tǒng)具有超調(diào)量定轉(zhuǎn)速，說明該系統(tǒng)的快速性能十分優(yōu)越，有很優(yōu)良的相應(yīng)速度。當(dāng)該系統(tǒng)加負(fù)載轉(zhuǎn)矩，該系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)也能在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其給定轉(zhuǎn)速，并且在0.1-0.12,0.25-0.3秒內(nèi)多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)輸出，但是都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，上述這些特征也充分表明了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和優(yōu)良的自我調(diào)節(jié)能力。圖3-17永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩：由圖3-17可以看出，該系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩約為0.05秒，基本穩(wěn)定在Onm左右，也就是說在0.05秒左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)其優(yōu)良的快速性，在0.15秒突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩5N·m,但系律轉(zhuǎn)換為FCS-MPC優(yōu)化問題的相關(guān)約束。改進(jìn)的控制方法具有零穩(wěn)態(tài)誤差，較強(qiáng)的轉(zhuǎn)速跟蹤能力，優(yōu)化了定子電流和降低了開關(guān)頻率。美國路易斯安那州立大學(xué)學(xué)者AmirMasoudBozorgi利用PMSM電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁通可以通過MPCC間接控制的關(guān)系，選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶孔饔糜诙ㄗ佣俗?，在控制期間內(nèi)結(jié)合占空比的概念，應(yīng)用兩個(gè)電壓矢量，優(yōu)化預(yù)定義價(jià)值函數(shù)，可以有效降低電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和減少電流紋波。并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方案的有效性。國內(nèi)學(xué)者開始研究模型預(yù)測(cè)控制的時(shí)間相比于國外較晚。隨著國外模型預(yù)測(cè)控制在工業(yè)中的應(yīng)用越來越多以及在眾多領(lǐng)域取得的成功，國內(nèi)眾多學(xué)者也投入到了該課題的研究中，加快了模型預(yù)測(cè)控制的發(fā)展。華中科技大學(xué)許煒研究小組為提高PMSM的驅(qū)動(dòng)性能，改進(jìn)三相電流和轉(zhuǎn)速的跟蹤精度，發(fā)表了一篇關(guān)于滑?？刂频臒o差拍電流預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化方案。首先，建立了考慮參數(shù)不確定性和外部干擾的永磁同步電機(jī)模型；其次，采用雙閉環(huán)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，以提高永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。采用滑模控制和雙閉環(huán)控制分別對(duì)速度和電流進(jìn)行控制；第三，設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)一的高階滑模觀測(cè)器來估計(jì)速度環(huán)和電流環(huán)中的干擾和不確定性。同時(shí)對(duì)估計(jì)值進(jìn)行補(bǔ)償，提高了速度魯棒性和電流跟蹤精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略對(duì)負(fù)載和電機(jī)參數(shù)的劇烈變化具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和三相電流的跟蹤性能好，誤差小。北方工業(yè)大學(xué)的張永昌教授提出了一種基于多矢量的MPC方法，它消除了傳統(tǒng)MPC方法中基于枚舉的預(yù)測(cè)和復(fù)雜計(jì)算，利用三相占空比在一幀中以較低的復(fù)雜性和計(jì)算負(fù)擔(dān)來統(tǒng)一現(xiàn)有的MPC方法，簡化了計(jì)算量。闡述了無差拍控制與提出的MPC方法之間的河北工業(yè)大學(xué)牛峰教授牛峰針對(duì)MPC價(jià)值函數(shù)中的權(quán)重因子只能憑經(jīng)驗(yàn)得到的問題，通過研究轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈與幅值之間的矢量關(guān)系，提出了一種能夠消除權(quán)重因子的方法，即模型預(yù)測(cè)磁鏈控制。該方法能夠有效降低定子磁鏈脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并且算法的原理簡單，易于操作，計(jì)算時(shí)間短。浙江大學(xué)邱建起教授及其團(tuán)隊(duì)提出了一種新方法，即有限集非參數(shù)模型預(yù)測(cè)控制，它能將影響系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的因素轉(zhuǎn)化為集總勢(shì)，在線更新模型，解決了傳統(tǒng)的參數(shù)有限集模型預(yù)測(cè)控制在參數(shù)失配不減的情況下性能下降的問題，從而，無需任何電機(jī)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)眾多文獻(xiàn)表明，國內(nèi)外專家對(duì)MPC在工業(yè)控制領(lǐng)域的理論和實(shí)際應(yīng)用有著濃厚的興趣，研究的內(nèi)容也越來越深入，控制算法也越來越完善，但算法的預(yù)測(cè)精度等問題，仍需要我們不斷優(yōu)化，因此研究模型預(yù)測(cè)控制的優(yōu)化方法具有重要意義4.2永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制策略模型預(yù)測(cè)控制相比于傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，調(diào)節(jié)更為簡單，它并不是某一種特定的算法，而是一類對(duì)控制對(duì)象建模的雙閉環(huán)控制算法，其核心思想是：利用k時(shí)刻的采樣值和所建立的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)被控系統(tǒng)未來周期內(nèi)的所有工作結(jié)果，在眾多的結(jié)基于模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)果中利用價(jià)值函數(shù)選出最優(yōu)的控制序列。模型預(yù)測(cè)參考軌跡預(yù)測(cè)模型滾動(dòng)優(yōu)化圖4-4模型預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖1.預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)模型建立的是否準(zhǔn)確直接關(guān)系到控制算法的Xi(k+1)=fp(x(k),ui(k)),i=1,2,.….,n2.滾動(dòng)優(yōu)化MPC與傳統(tǒng)算法相比，具有的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行狀態(tài)，而MPC利用滾動(dòng)優(yōu)化是對(duì)一個(gè)時(shí)域的所有預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，它區(qū)別于最優(yōu)控制的一次完成，而是在這個(gè)時(shí)域中進(jìn)行在線優(yōu)化，下一個(gè)時(shí)刻前進(jìn)，這種計(jì)算策略使其優(yōu)化目標(biāo)盡可能的接近參考值，如圖3-2所示。1-參考軌跡2-最優(yōu)預(yù)測(cè)輸出3-最優(yōu)控制圖4-5滾動(dòng)優(yōu)化數(shù)主要是對(duì)開關(guān)序列的優(yōu)化，靈活優(yōu)化價(jià)值函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)MPC對(duì)多目標(biāo)的優(yōu)化控制，對(duì)式(4-1)中，得到x1(k+1)至xn(k+1)的值。MPC有著可以對(duì)多個(gè)非線性目標(biāo)進(jìn)行約束，當(dāng)存在另一個(gè)控制變量y(t)時(shí)，為使預(yù)測(cè)值與參考值之間的誤差達(dá)到最小，價(jià)值函數(shù)如下：上式中，λ是約束條件下的權(quán)重系數(shù)。要同時(shí)對(duì)多個(gè)非線性目標(biāo)進(jìn)行控制，使這兩個(gè)控制變量擁有相同的優(yōu)先級(jí)，則需要加入權(quán)重系數(shù)λ參與調(diào)節(jié)?？梢韵拗谱兞縴的變化，降低對(duì)控制對(duì)象產(chǎn)生的影響，λ值的大小暫時(shí)還沒有具體的理論推導(dǎo)，只能靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到，若λ較大時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較強(qiáng)，但會(huì)減弱對(duì)輸出的調(diào)節(jié)作用，較小時(shí)會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩。3.反饋校正在控制系統(tǒng)中，要使系統(tǒng)的誤差達(dá)到最小，必須要有反饋環(huán)節(jié)，這樣構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過反饋校正，使系統(tǒng)的控制性能更加準(zhǔn)確，抗擾動(dòng)能力更強(qiáng)，減少不確定因素的影響。MPC算法的原理如4-6圖所示。從圖中可以看出，在tk-1到tk時(shí)間內(nèi)，選擇u2對(duì)應(yīng)序列作為控制動(dòng)作時(shí)，預(yù)測(cè)值與參考值之間誤差最小，同樣，在tk至tk+1時(shí)間內(nèi)，選擇u3對(duì)應(yīng)序列作為控制動(dòng)作時(shí)，預(yù)測(cè)值與參考值之間誤差最小。4.2.2模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的基本原理單矢量模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制與直接轉(zhuǎn)矩控制幾分相似，其控制框圖如圖3.2所示，速度外環(huán)采用PI控制器，其輸出轉(zhuǎn)矩作為參考轉(zhuǎn)矩，磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)矩環(huán)作為內(nèi)環(huán)采用模型預(yù)測(cè)控制，將采樣到的電流進(jìn)行3s/2r轉(zhuǎn)換得到dq軸的電流分量，通過電流預(yù)測(cè)方程得到下一個(gè)時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)值，計(jì)算了轉(zhuǎn)矩和磁鏈的預(yù)測(cè)值，并與給定的參考值進(jìn)行了比較。最后，選擇開關(guān)狀態(tài)輸入逆變器，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。其中電流預(yù)測(cè)方程和轉(zhuǎn)矩、磁鏈預(yù)測(cè)方程推導(dǎo)如下，將式(2-14)變形得到：通過前向歐拉逼近代替負(fù)載電流導(dǎo)數(shù)di/dt,即通過式(4-5)逼近導(dǎo)數(shù)：結(jié)合式(4-4)和式(4-5)可以得到：其中λ為權(quán)重系數(shù)。通過前面推導(dǎo)可知，兩電平三相逆變器擁有8個(gè)基本電壓矢量，包括6個(gè)有效電壓矢量，2個(gè)零電壓矢量，因此帶入預(yù)測(cè)模型中計(jì)算可以得到8組預(yù)測(cè)值，因?yàn)閮蓚€(gè)零電壓矢量效果相同，計(jì)算得到的預(yù)測(cè)值也相同，所以只需將7組預(yù)測(cè)值帶入到目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行比較即可，選擇使電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈最小的開關(guān)狀態(tài)輸入逆變器進(jìn)行控制，模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制流程圖如圖4.8所示。wNo4.3永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)4.3.1永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和永磁同步電動(dòng)機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，進(jìn)行了永磁同步電動(dòng)機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)?；谀K化、裝配化的思想，通過對(duì)永磁同步電機(jī)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖的描述，建立了系統(tǒng)的各個(gè)模塊，完成了裝配工作，其仿真模型如下圖所示：Te_refN四四四Ap 日psi品BT永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速：系統(tǒng)轉(zhuǎn)速如下圖所示：由圖4-10可知，該系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.1秒并且給定的轉(zhuǎn)速為500r/min,當(dāng)突加給定時(shí)，該系統(tǒng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升，大致在0.15秒左右能夠達(dá)到維持此給定轉(zhuǎn)速。盡管該系統(tǒng)會(huì)在開始是超過給定轉(zhuǎn)速，使該系統(tǒng)具有超調(diào)量，但是其能夠在其相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到維持給定轉(zhuǎn)速，說明該系統(tǒng)的快速性能十分優(yōu)越，有很優(yōu)良的相應(yīng)速度。當(dāng)該系統(tǒng)在0.1秒時(shí)加速，該系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)也能夠在較短短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其給定轉(zhuǎn)速，并且在0.1秒內(nèi)多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)輸出，但是都會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，上述這些特征也充分表明了模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和優(yōu)良的自我調(diào)節(jié)能力。刪ydnnai刪ydnnai對(duì)模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制的a相電流頻譜進(jìn)行分析，如圖4.11所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速為500r/min,負(fù)載為0.8N.m。從圖中可以看出，模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制電流THD為23.79%,THD不高，穩(wěn)定性比較好。第5章兩種控制方式的比較5.1兩種控制系統(tǒng)的比較直接轉(zhuǎn)矩控制ASR模塊是速度環(huán)控制器，Obser角間隔判斷模塊和開關(guān)電壓矢量選擇表。另一個(gè)模電壓來確定預(yù)測(cè)電壓矢量集合，MPTC模塊包含了預(yù)測(cè)模型、磁鏈轉(zhuǎn)矩略下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電流諧波都較大，控制性能有待改進(jìn)。MPTC策略是在DTC算法的基礎(chǔ)上，引入了模型預(yù)測(cè)控制思想，預(yù)測(cè)了給定電壓矢量下電機(jī)的電脈動(dòng)、逆變器開關(guān)頻率和最大定子電流、以及定子電流諧波等在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上建立兩種控制策略的仿真模型，并進(jìn)行轉(zhuǎn)速突變和負(fù)載突變的仿真實(shí)驗(yàn)來分析這兩個(gè)控制策略的優(yōu)缺性。由于轉(zhuǎn)速突變仿真實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證控制算法應(yīng)對(duì)指令變化的響應(yīng)速度以真時(shí)間設(shè)為0.2s,空載啟動(dòng)，給定初始轉(zhuǎn)速指令為500r/min,0.5s時(shí)刻加載105N.m,0.2s直到仿真結(jié)束。仿真結(jié)果如圖5-1和圖5-2所示 從電機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)果和電磁轉(zhuǎn)矩結(jié)果分析圖5.3和圖5.4,兩種控制系統(tǒng)下的永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線如下：左圖為直接轉(zhuǎn)矩控制下的永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線，右圖為模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制下的永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線。通過比較發(fā)現(xiàn)，直接轉(zhuǎn)矩控制下的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制下的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。因此，這也驗(yàn)證了上述結(jié)論。由于逆變電路的開關(guān)頻率較低，直接轉(zhuǎn)矩控制下的永磁同步電機(jī)電磁噪聲較大，且其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也比模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制方式下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)高，MPTC策略下的電機(jī)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)定性工況下波動(dòng)小于DTC策略，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能兩者大致相同，MPTC策略的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)要小于DTC策略。因此也說明了模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制與直接轉(zhuǎn)矩控制方式相比更適合精度高的場(chǎng)合。從三相電流結(jié)果分析圖5.4和圖5.5,在500r/min穩(wěn)定工況下，MPTC策略的諧波含量較小。綜上所訴，在動(dòng)態(tài)性能上，MPTC策略與DTC策略的性能近似相同，在穩(wěn)態(tài)性能上，MPTC策略的性能優(yōu)于DTC策略的性能。通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，MPTC策略在磁鏈脈動(dòng)上的優(yōu)勢(shì)要大于在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)上的優(yōu)勢(shì)，這主要是由于成本函數(shù)中電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的權(quán)重系數(shù)的選取偏重于定子磁鏈。修改權(quán)重系數(shù)可以改變MPTC策略的控制性能。仿真實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：直接轉(zhuǎn)矩控制(1)直接轉(zhuǎn)矩控制以電機(jī)定子電壓的空間矢量為定向的(2)控制系統(tǒng)只需要電動(dòng)機(jī)的定子電阻一個(gè)參數(shù)，因此定向準(zhǔn)確度精準(zhǔn)(3)不必進(jìn)行等效變換，故動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快(1)MPTC策略相比較于DTC策略，在穩(wěn)態(tài)性能上面有更大的優(yōu)勢(shì)第6章結(jié)論與展望本文以永磁同步發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過建立其數(shù)學(xué)模型動(dòng)機(jī)控制理論，分別建立各自的仿真模型，從系統(tǒng)中獲得其自6.2不足之處及未來展望矩控制，模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制，PID控制等由于在本科階段對(duì)相關(guān)方面的學(xué)習(xí)程度不夠深入，因此對(duì)電機(jī)控制的研究深和仿真兩方面共同結(jié)合的方式來進(jìn)行深入研究，這樣能夠使研[1]趙明亮.基于協(xié)同理論的永磁同步電機(jī)矢量控制算法研究[D].西南交通大學(xué)，2018.[2]李利兵.永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速性能的研究[D].西安工程大學(xué)，2018.[3]吳夢(mèng)皎.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模與仿真研究[D].鄭州大學(xué)，2018.ElectronicsConference(SPEC),Singapore,2018.[5]林金偉.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法研究[D].南京師范大學(xué)，2018.[6]曲亞飛.電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制研究[D].長安大學(xué)，2018[7]YunChangKwak,Jin-WmethodwithPWMapproachofPMSMs[P]