基于SIMULINK的永磁同步电机控制系统的仿真设计(共59页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上基于SIMULINK 的永磁同步电机控制系统的仿真设计中文摘要在MATLAB/SIMULINK中建立独立的功能模块主要有：PMSM本体模块、矢量控制模块、电流滞环控制模块、速度控制模块等。同时进行功能模块的有机整合，搭建PMSM控制系统的仿真模型采用双臂环控制，速度环采用PI控制，电流环采用滞环电流控制。仿真结果证明了该方法的有效性，同时该模型也适用于验证其他控制算法的合理性，为实际电机控制系统的设计和调试提供的新的思路。为了实现高性能的电流环控制，对比了常规电流滞环控制和三角波载波比较方式的电流滞环控制。在MATLAB中搭建了两种电流滞环控制方式的仿真模型，通过仿真得出采用常规电流滞环控制对系统的整体性能影响比较大，而采用三角载波比较方式的电流滞环控制容易获得良好的控制效果。采用三角载波比较方式的电流滞环控制的仿真结果进一步验证了本文分析的正确性，并且为系统的整体设计提供了理论基础。关键词：永磁同步电动机；SIMULINK；电气系统模型库 Simulation of control system for the Permanent Magent SynchronousAbstractThe paper as the example of the control system of permanent synchronous motor, mainly introduces how to get the simulation of AC driven system under the environment of SIMULINK by using the toolbox of power system, then discusses the effect of adjuster PI on the revolution during suddenly changed load.In MATLAB/SIMULINK it establishes the independent function modules; PMSM body module, vector control module, the current hysteresis control, speed control module, function module and so on. At the same time, it integrates the function module and establishes the simulation module of PMSM control system. this system adopts double closed-loop control system, the PI control the speed loop, the sluggish loop electric current controls electric current loop the simulation result proves the effective method of the indeperdent function modules. This model also applies to test and verify the reasonableness of thought for both design of practical electrical engineering control system and debugging.For the sake of high-performance current-loop in position servo system, we studied general hysteresis-band current-control and triangular carrier wave hysteresis-band current-control. Simulation models of the two mode were build in MATLAB, by the simulation analysis, we can know that general hysteresis-band current-control will seriously influence on performance of system, and triangular carrier wave hysteresis-band current-control can be used for good control performance. When triangular carrier wave hysteresis-band current-control was used, analytical results are good agreement with the feasible simulation results, and the results can provide theoretical basis for the design of servo system.Key words: permanent magnet synchronous motor; SIMULINK; toolbox of power system.专心-专注-专业目 录第一章 前 言1.1 课题研究背景1.1.1 永磁同步电机发展状况永磁同步电机出现于20世纪50年代。其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体替代激磁绕组，使电机结构更为简单，提高了电机运行的可靠性。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20世纪70年代，永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。20世纪80年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性的进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼（Nd Fe B）的出现，极大地促进了永磁同步电机调速系统的发展。尤其值得一提的是我国是一个稀土材料丰富的大国，稀土储量和稀土金属的提炼都是居世界首位。随着稀土材料科技的不断发展，永磁材料的磁能积已做的很高，价格也是就满足工业应用的需要，加上矢量控制水平的不断提高，永磁同步电动机越来越显出效率高、功率密度大、调速范围宽、脉动转矩小等高性能的优势。使我国在稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际先进水平。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，稀土永磁同步电机正向大功率（超高速、大转矩）、微型化、智能化、高性能化的方向发展，成为交流调速领域的一个重要分支。由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同步电机最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上与直流电机类似，但这种电机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上又研制出带有位置传感器、逆变器驱动的正弦波永磁同步电机，这就使得永磁同步电机有了更广阔的前景。1.1.2 永磁同步电机控制系统的发展随着永磁同步电动机的控制技术的不断发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方面都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等，因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。1971年，德国学者相继提出了交流电机的矢量控制的新思想、新理论和新技术，它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义。因为这种通过磁场定向构成的矢量变换交流闭环控制系统，其控制性能完全可以与直流系统相媲美。而后，随着电力电子、微电子、计算机技术和永磁材料科学的发展，矢量控制技术得以迅速应用和推广。矢量控制是在机电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，它首先应用于三相感应电动机，很快扩展到三相永磁同步电机。由于三相感应电动机运行时，转子发热会造成转子参数变化，而转子磁场的观测依赖于转子参数，所以转子磁场难以准确观测，使得实际控制效果难以达到理论分析的结果，这是矢量控制实践上不足之处。而永磁同步电机采用永磁体做转子，参数较固定，所以矢量控制永磁同步电机在小功率和高精度的场合应用广泛。随后，1985年，有德国鲁尔大学Mr.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着又把它推广到弱磁调速范围。与矢量控制技术相比，直接转矩控制很大程度上解决了矢量控制三相感应电动机的特性易受电机参数变化的影响这一问题。直接转矩控制一诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的静动态性能受到了普遍的关注和得到了迅速的发展。目前该技术成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。德国、日本、美国都竞相发展此项技术。20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、可靠性及实用性。近年来，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、神经网络控制可以高速、高精度的完成。非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分控制及模糊智能控制等各种行的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统的重要发展方向之一。1.1.3 计算机仿真技术的发展现代仿真技术的发展与控制工程、系统工程和计算机技术的发展密切相关。控制工程是仿真技术较早应用的领域之一，控制工程技术的发展为现代仿真技术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统建模与仿真的理论体系，同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的研究和预测。计算机仿真技术不论是在理论还是实践上都取得了丰硕的成果，积累了大量的体系仿真模型和行之有效的仿真方法。仿真技术目前仍然存在一些缺陷，例如建模方法尚不完善，研究同一个系统的同一个问题可以建立出不同的模型，而且有些社会经济系统中存在的问题尚无法建立准确的模型进行求解。进入90年代，计算机技术的各个方面都取得了很大的发展。为了获得满意的转矩计算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文利用MATLAB软件下的SIMULINK仿真工具对PMSM系统进行仿真。1.2 MATLAB简介1.2.1 MATLAB软件的简介 MATLAB 是集数值计算、符号运算和图形处理功能于一身的超级科学计算软件；与其它计算语言相比，MATLAB在功能、开放性和易学性等方面独占鳌头；在工程实际中，控制系统的结构往往很复杂，如果不借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析与仿真。 MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文学处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数字，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB 5.3/Simulink 3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包（Toolbox）。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较弱的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主要文件包和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。在70年代中期，Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到70年代后期，身为美国New Mexico 大学计算机系主任的Cleve Moler,在给学生讲授线性代数课程时，想教会学生使用EISPACK 和LINPACK 程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler给这个接口程序取名为MATLAB该名为矩阵（Matrix）和实验室（Laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。 1983年春天Cleve Moler到Standford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师John Little，John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和Cleve Moler，Steve Bangert一起用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能。1984年，Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在当今30多个数学科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算软件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类数学分析型软件，Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精确解，其缺点是处理大量数据时效率较低。Math Works公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算，文字处理，可视化建模拟和实时控制能力，开发了适合多学科，多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB已经占据了数值软件市场的主导地位。在MATLAB进入市场前，国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄，接口简陋，程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。Math Works公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版（for win3.X）1997年推出5.0版。1993年推出5.3版。MATLAB 5.X较MATLAB 4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape 3.0或IE4.0及以上版本，Acrobat Reader中可以方便地浏览。时至今日，经过Math Works公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科，多种工作平台的功能强大的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。在国内，特别是工程界，MATLAB一定会盛行起来。可以说，无论你从事工程方面的哪个学科，都能在MATLAB里找到合适的功能。一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。1） 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。2） 运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。3） MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。4） 程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。5） 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。6） MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。7） MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序解释执行，所以速度较慢。8） 功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱有分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signl processing toolbox、commumnication toolbox等。这些工具箱都是由该领域学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。9） 源程序的开发性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。1990年，Math Works 软件公司命名为SIMULAB,1992年正式将该软件更名为SIMULINK，使得仿真软件进入了模型化图形组态阶段SIMULINK的名称表明了该系统的两个主要功能：Simu(仿真)和Link(连接)，即该软件可以利用鼠标在模型窗口上绘制出所需要的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真和分析。MATLAB语言及其SIMULINK可视化仿真平台在控制系统中的应用日益普遍，使用SIMULINK可以迅速建立各种线形或非线性系统模型，用户可以根据需要任意观察系统在各处参数的动态变化，而且仿真速度比使用MATLAB语言更快。MATLAB的SIMULINK是很有特色的仿真环境，它能够实现动态系统建模与仿真的环境集成，且可以根据设计及使用要求，对系统进行修改和优化，以提高系统工作的性能，实现高效开发系统的目的。在此环境下，用户可以点击拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路，并完成对系统和电路的仿真。SIMULINK与MATLAB语言的主要区别在于使用户把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本的调用，再将它们连接起来就可以构成所需的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。1.2.1 MATLAB仿真工具箱简介MATLAB/SIMULINK是MATHWORKS公司开发的用于数学计算的工具软件。它具有强大的矩阵运算能力、绘图功能、可视化的仿真环境SIMULINK。SIMULINK可以对通信系统、非线性控制、电力系统等进行深入的建模、仿真和研究。它由模块库、模型构造及分析指令、演示程序Demo但部分组成。用户进行仿真时很少需要程序，只需要用鼠标完成拖拉等简单操作，就可以形象地建立起被研究系统的数学模型，并进行仿真和分析研究。下面就本论文工作中使用的仿真工具MATLAB7.0作简单介绍。SIMULINK仿真工具箱包括了专用于电力电子、电气传动学科进行仿真的电气系统模块库（SIMPOWER SYSTEM）。运行SIMULINK以后，打开SIMPOWER SYSTEM，就能调出电气系统模块库的各个子模块。也可以在MATLAB的命令窗口，直接键入POWERLIB以调用电气系统仿真基本模块。电气系统模块库主要包括以下七个子模块：1） 电源模块：包括直流电压源、交流电压源、交流电流源、可控电压源和可控电流源等；2） 基本元件库：包括串联RLC负载、串联RCL支路、并联RCL负载、线性变压器、饱和变压器、互感器、断路器、N相分布参数线路、单相相集中参数传输线路和浪涌放电器等；3） 电力电子模块库：包括二极管、晶闸管、MOSFET、GTO、理想开关和一个多功能桥等。为满足不同的仿真要求并提高仿真速度还设有晶闸管简化模型；4） 电机模块库：包括激磁装置、励磁装置、水轮机及其调节器、异步电动机、同步电机及其简化模型和永磁同步电机等；5） 连接模块库：提供组织电力电子仿真线路的各连接件，包括地、中性线和母线（公共点）等；6） 测量模块库：包括电流测量和电压测量和电抗的测量模块等；7） 附加电气系统模块库：包括均方根测算、有功与无功功率测算、傅立叶分析、可编程定时器、同步触发脉冲发生器以及三相库等； 在以上模块库的基础上，根据需要，可以组合封装成常用的较复杂的模块，添加到所需的模块中去。1.3 本文主要任务本文立题为永磁同步电机控制系统仿真，进行了一系列的工作，主要涉及以下的研究内容：（1） 建模与仿真的关系，及仿真的实际应用意义；（2） 介绍永磁同步电机的分类、结构与应用，给出永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型及运动方程；（3） 介绍永磁同步电机矢量控制的理论基础；（4） 建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型；（5） 对仿真结果的进行分析，得出永磁同步电机的性质特点。第二章 永磁同步电机的结构及其数学模型2.1 永磁同步电机的概述2.1.1 同步电机的基本工作原理 同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子电流频率以及电动势的极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机有定子和转子两大部分组成，电动机定子有定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动机转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气息均匀，而凸极式转子的磁激明显凸出且气息不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁芯上，而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁激的记性呈现N，S极交替排列。 同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁场拉力拖着电动机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组介入三相电流而产生的旋转磁场与电动机转子励磁绕组接入直流而形成的转子磁场相互作用。同步电动机的转速表达式为：，式中为电源频率；为电动机的极对数；为同步转速。2.1.2 永磁同步电机的基本结构及其分类（一）基本结构：与传统电机一致，永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。与传统同步电机定子结构基本相同，永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三相Y型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成。三相永磁同步电机的基本结构如图2-1所示。如果在三相空间对称的定子绕组中通入三相时间上也对称的正弦电流，那么在三相永磁同步电机的气隙中会产生一个在空间旋转的圆形磁场，其转速为，式中为电源频率；为电动机的极对数；为同步转速。 永磁同步电机的转子通常由转子铁芯、永磁体磁钢和转子转轴组成。日前，永磁同步电机常用的永磁材料是钕铁硼合金（Nd Fe B）和钐钴合金（SmCo5，SmCo17）。从永磁体安装方式上，转子分为表面粘贴式、表面插入式和内置式，如图2-1所示。图2-1 永磁电机的转子结构 其中图2-1(a)为表面粘贴式，图2-1(b)为表面插入式，图2-1(c)为内置式。由于永磁体特别是稀土永磁体的磁导率近似等于真空磁导率，对于图2-1(a)所示的转子结构，直轴磁阻与交轴磁阻相等，因此交轴、直轴电感相等，即=,表现出隐极性质。而对其他结构，直轴磁阻大于交轴磁阻，因此<，表现出凸极电机的性质。前两种转子结构的永磁体通常呈现瓦片形，并位于转子铁芯的表面上，提供径向的磁通，可减小转子直径，从而降低了转动惯量。若将永磁体直接粘在转轴上还可以获得低电感，有利于电机动态性能的改善。内置式转子结构的永磁体通常为条状，位于转子铁芯内部，机械强度高，磁路气隙小，提供的磁通方向与转子的具体结构有关。由于此种转子磁路结构具有不对称性，产生的磁阻转矩有利于提高电机的过载能力和功率密度，适用于弱磁控制的高速运行场合。 对于永磁同步电机，其定子绕组电流为正弦波。为了使电机具有恒力矩输出，电机应具有正弦波反电势，以保持电磁转矩恒定。通过合理的设计，表面式、插入式和内置式转子均可以使电机实现正弦波反电势。（二）分 类： 永磁同步电机的分类方法很多。按转子上有无起动绕组，可分为异步起动永磁同步电动机和永磁同步电动机（无起动绕组的电动机）；根据永磁铁的形状的不同，可分为表面式和嵌入式；根据感应电动势的不同，将永磁同步电机氛围正弦波永磁同步电机和梯形波永磁同步电机，正弦波永磁同步电机称为永磁同步电机；按工作磁场方向不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电驱绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；根据极对数的不同，可分为单极永磁同步电机和多机永磁同步电机；因为在控制上更接近于直流电机的控制，梯形波永磁同步电机称为直流无刷电机。 由于永磁同步电机中不含高次谐波，涡流以及其磁滞损耗较小，所以电机效率会增加。永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流，所以永磁同步电动机的转矩脉动远低于永磁无刷直流电动机。2.1.3 永磁同步电机的特点与应用 现在永磁同步电机的输出功率从几毫瓦到几千瓦，覆盖了微、小及中型电机 功率范围，且延伸至大功率领域。在永磁同步电机中，用于励磁的永磁铁取代了转子的直流励磁绕组，从而励磁铜耗得以消除，转子惯性也相应的降低，并且转子结构更加坚固。与此同时，永磁同步发动机与传统的发电机相比不再需要集电环和电刷装置，结构更加简单，且故障率也得到了减少；采用稀土永磁体后还可以增大气隙磁密，电机转速被提高到最佳值，提高了功率质量比。这些原因使其具有了普通电机所不具备的显著特点，即：轻型化、小尺寸、高性能化和高效节能。虽然永磁同步电动机转子结构差别较大，但由于永磁材料的使用，永磁同步电机具有如下共同的特点：(1)体积小、质量轻。近些年来，随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大的提高，与同容量的异步电机相比，体积和质量都有明显的减小，使其适合应用在许多特殊场合。(2)功率因数高、效率高、节约能源。永磁同步电机与感应电机相比，不需要励磁电流，可以显著提高功率因数，减小定子铜耗。而且永磁同步电机在25%-120%额定负载范围内均可保持较高的效率和功率因数，使轻载运行时节能效果更为显著。(3)磁通密度高、动态响应快。高永磁磁通密度、轻转子质量，带来高转矩惯量比，有效提高了永磁同步电机的动态响应能力。(4)可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，由于取消了集电环和电刷等机械换向装置，成为无刷电机，这不但减少了机械和电气损耗，而且还不会产生电刷火花所引起的电磁干扰，永磁电机机械结构简单牢固、运行可靠。(5)具有严格的转速同步性和比较宽的调速范围。对于要求多台电动机同步运行的调速系统具有突出的优点，变频电源可实现开环控制，且调速控制方便，并在所有频率范围内均能稳定运行。(6)永磁同步电动机的缺点是失去了励磁调节的灵活性；可能会出现退磁效应；钕铁硼永磁材料温度系数较高，造成其磁性能和热稳定性较差；由于材料中含有大量的钕和铁，容易锈蚀等。正是由于永磁同步电机这些优点，国内许多领域用的特殊电机、高性能电机都采用永磁同步电机方案目前节能降耗已成为我国的基本国策，推广应用永磁同步电机可以促进电机系统节能工作发展，促进节能降耗目标实现。永磁同步电机在电梯领域的应用。传统的电梯拽引技术应用了齿轮间接驱动系统，由于有齿轮驱动系统存在，使得整个驱动系统材料消耗较大、运行效率低以及维护复杂、噪声大等缺点。因此相比有齿轮驱动系统，采用永磁同步电机直接无齿轮驱动的电梯系统在节能、环保方面有着突出的优点。国内外纷纷开始研究开发无齿轮永磁同步电梯拽引机，日本三菱公司首先在高速电梯上使用永磁同步拽引机，采取了有效措施抑制高次谐波以降低低频转矩脉动。提高了其运行性能，通力公司开发了ECODISO永磁盘式无齿拽引机，应用于机房电梯。永磁同步电机在船舶电力推进；领域的应用。由于永磁同步电机效率高，轻量化和高性能化等特点，因此得到了船舶综合电力推进系统供应商青睐，比如船舶电力推进系统三大供应商之一的西门子就开发出了以永磁同步电机为SPP推进系统。效率较高的永磁同步电机是SPP系统的效率得到明显提高。永磁同步电机在混合动力汽车领域的应用。永磁同步电动机是各种电动车驱动电机的发展方向之一。日本1965年就开始研制电动车，于1967年成立了日本电动车协会。1996年，丰田汽车公司研制的电动车RAV4就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，其下属的日本富士电子研究所研制的永磁同步电机可以达到最大功率50KW，最高转速1300r/min。欧洲许多发达国家很早就开始了对电动车的研究。在电动车驱动电机的选择上，不同国家各有侧重，英国、法国偏重于永磁无刷直流电机，德国偏重于开关磁阻电机。综上，永磁电机得到了非常广泛的应用，遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活等各个领域。永磁同步电机已成为电机工业技术的主要发展方向之一，在未来也必将发挥更为重要的作用。2.2 永磁同步电机的数学模型数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能，是被描述系统的近似模拟。永磁同步电机的数学模型认识、分析电机的运动规律和各变量间的因果或定量关系，是对永磁同步电机进行控制的理论基础。永磁同步电机的定子与普通励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组。通常按照电动机惯例规定各物理量的正方向。以三相星形180°的通电模式为例来分析PMSM的数学模型及电磁转矩等特性。为了便于分析，假定：(1)磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；(2)忽略齿槽、换向过程和电枢反映的影响；(3)三相绕组对称，永久磁铜的磁场沿气隙周围正弦分布；(4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件；(6)转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子磁链在各相绕组中的磁链分别为： （2-1）2.2.1 电压平衡方程三相永磁同步电机的定子绕组和普通三相交流感应电机或同步电机的定子绕组很相似的，三相绕组空间分布，轴线互差120°电角度，每相绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡。有所不同的是定子每相绕组内部的磁链，普通三相交流感应电机由定子三相电流和转子电流共同产生；普通同步电机由定子三相绕组与转子励磁电流和阻尼绕组电流共同产生；永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体产生。定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关，其中转子永磁磁链在每相绕组中产生反电动势。由此得到定子电压方程式： （2-2） （2-3） （2-4）其中：，-三相绕组电压； -每相绕组电阻； ，-三相绕组相电流； ,-三相绕组匝链的磁链； -微分算子。2.2.2 磁链方程及感应电动势方程（一） 磁链方程 定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，因此磁链方程可以表示为： （2-5） （2-6） （2-7）其中：- 每相绕组互感； - 两相绕组互感； - 三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链。 并且定子电枢绕组最大时可能匝链的转子每极永磁磁链： （2-8） （2-9） （2-10）（二） 感应电动势方程转子永磁在气隙中产生的正弦分布磁场，正弦分布磁场的幅值是恒定的，空间位置就是转子永磁磁极的直轴位置，它相对于定子A相绕组轴线等于转子位置角，在空间的分布可以表示为： （2-11）或者 （2-12）当永磁磁极旋转，转子位置角随时间变化时，由式（2-12）可知，转子永磁场是一个幅值恒定不变，幅值位置随转子永磁磁极位置变化的圆形旋转磁场，旋转磁场的幅值在空间的转速等于转子转速。对每一相定子电枢绕组来说，旋转的圆形旋转磁场会在绕组中感应电势，称为运动电势。由于圆形旋转磁场对于空间任意一点确定的位置仍然表现为脉动的磁场，而且任意时刻圆形旋转磁场的空间分布仍然具有正弦规律，因此由式（2-13）可以看出，对于每一相定子电枢来说，绕组轴线的空间位置角是确定的，转子圆形旋转磁场相当于是两个正交的脉振磁场的叠加，如图所示：该圆形旋转磁场从定子上观测，相当于一个同A相绕组垂直按照正弦波规律变化的脉振磁场的叠加，即有： （2-13） （2-14）与A相绕组轴线正交的脉振磁场在A相绕组中匝链等于0，因此在A相绕组中产生的感应电势也是等于0。而与绕组轴线重合的脉振磁场则产生感应电势。根据电磁感应定律，可以得到A相绕组由转子永磁磁场引起的感应电势为： （2-15）图 2-2 圆形磁场与脉振磁场其中转子旋转的电角速度等于转子位置角的微分：