永磁同步電機(jī)矢量控制仿真

1、永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真1前言隨著微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 越來越多的交流伺服系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 和智能功率模塊( IPM ) , 從而實(shí)現(xiàn)了從模擬控制到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變?？臻g矢量PWM 調(diào)制, 它具有線性范圍寬, 高次諧波少, 易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn), 在新型的驅(qū)動(dòng)器中得到了普遍應(yīng)用。永磁同步電機(jī)(PM SM ) 具有較高的運(yùn)行效率、較高的轉(zhuǎn)矩密度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、可高速運(yùn)行等特點(diǎn), 在諸如高性能機(jī)床進(jìn)給控制、位置控制、機(jī)器人等領(lǐng)域PMSM得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年來, 國內(nèi)外學(xué)者將空間矢量脈寬調(diào)制算法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制中, 并取得了一定的成就。同時(shí), 永磁同步

2、電機(jī)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展也很快, 已成為調(diào)速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展對(duì)象。數(shù)字仿真技術(shù)一直是交流調(diào)速系統(tǒng)分析計(jì)算的有用工具。但隨著對(duì)PM SM 控制技術(shù)要求的提高, 空間矢量PWM 控制系統(tǒng)成為首選方案。本文對(duì)其進(jìn)行MA TLAB S IMUL IN K下仿真, 并給出了仿真結(jié)果。2永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制性能，而最終實(shí)施仍然是落實(shí)到對(duì)定子電流（交流量）的控制上。由于在定子側(cè)的各個(gè)物理量，包括電壓、電流、電動(dòng)勢、磁動(dòng)勢等等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算都不是很方便。因此，需要借助于坐標(biāo)變換，使得各個(gè)物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐

3、標(biāo)系，然后，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上進(jìn)行觀察，電動(dòng)機(jī)的各個(gè)空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個(gè)空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各個(gè)分量之間的關(guān)系，實(shí)時(shí)的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個(gè)分量值，即直流給定量。按照這些給定量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，就可以達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構(gòu)的，因此，還必須再經(jīng)過坐標(biāo)的逆變換過程，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到靜止坐標(biāo)系，把上述的直流給定量變換成實(shí)際的交流給定量，在三相定子坐標(biāo)系上對(duì)交流量進(jìn)行控制，使其實(shí)際值等于給定值。下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。2. 1坐標(biāo)變換理論矢量變換控制中涉及到的坐標(biāo)變換有

4、靜止三相- 靜止二相, 以及靜止二相- 旋轉(zhuǎn)二相的變換及其逆變換。抽象成坐標(biāo)系間的關(guān)系就是從靜止as -b s - cs 坐標(biāo)系向靜止A- B坐標(biāo)系的變換, 以及變量從靜止A- B坐標(biāo)系向同步速旋轉(zhuǎn)d - q 坐標(biāo)系變換。現(xiàn)對(duì)各坐標(biāo)軸之間的電流轉(zhuǎn)換公式總結(jié)如下：坐標(biāo)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系 （1）坐標(biāo)與坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系 （2）坐標(biāo)與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系 （3） （4）上述幾式是電流的轉(zhuǎn)換，電壓的轉(zhuǎn)換與電流的轉(zhuǎn)換相同。（1）（4）是恒功率變換，恒功率變換中三相坐標(biāo)和兩相坐標(biāo)中計(jì)算得到的功率是相等的。實(shí)際中還有一種恒幅值變換，即電流電壓的幅值在三相坐標(biāo)和兩相坐標(biāo)中相等，但功率在兩相坐標(biāo)中需要乘以1.5才是實(shí)際功率，控

5、制中使用恒幅值變換感覺更方便一些。 （5）而且實(shí)際中由于三相平衡，往往只檢測兩相電流，所以還有一種基于恒幅值的U-V=的變換： （6）實(shí)際對(duì)稱三相系統(tǒng)中式（6）使用較多。2.2永磁同步電動(dòng)機(jī)控制理論根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制理論，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有正弦形的反電動(dòng)勢波形，其定子電壓、定子電流也應(yīng)該為正弦波。假設(shè)電動(dòng)機(jī)是線性的，參數(shù)不隨溫度等變化，忽略磁滯、渦流損耗，轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，那么基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q中的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈方程為：（7）其中：r為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈；Ld、Lq為永磁同步電動(dòng)機(jī)的d，q軸主電感，Id、Iq為定子電流矢量的d，q軸主電流。根據(jù)在兩相繞組中，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永

6、磁同步電機(jī)定子電壓矢量方程式，整理出永磁同步電動(dòng)機(jī)在d，q軸上兩個(gè)分量的定子電壓方程式：（8）其中：Vd、Vq為定子電壓矢量V的d，q軸分量，r為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。與前面的從兩相靜止坐標(biāo)、變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)d，q一樣，直接寫出電壓回路方程式也要有一定的條件。在認(rèn)為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率一致，并且當(dāng)d軸與轉(zhuǎn)子主磁通方向一致時(shí)，將（1）的定子磁鏈方程式代入（2）的定子電壓方程式就得到永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通定向的電壓回路方程式：（9）電磁轉(zhuǎn)矩方程為：（10）其中：P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變，所以都是采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向方式來控制永磁同步電動(dòng)機(jī)的。在基速以下恒轉(zhuǎn)

7、矩運(yùn)行區(qū)中，采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向的永磁同步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量位于q軸，無d軸分量，即IqI，Id0，定子電流全部用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而對(duì)于面貼式永磁電機(jī)而言，氣隙均勻，LdLq，此時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程可寫為：（11）電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為：（12）圖1 永磁同步電機(jī)位置交流伺服系統(tǒng)矢量控制原理框圖由上述永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的分析可知：定子電流在軸上的分量決定電磁轉(zhuǎn)矩的大小。永磁同步電機(jī)矢量控制的實(shí)質(zhì)就是通過對(duì)定子電流的控制來實(shí)現(xiàn)交流永磁同步電動(dòng)的的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí)，在定子電流給定的情況下，控制，可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩就隨著的變化而變化。在控制系統(tǒng)只要控制大小就能控制

8、轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)矢量控制。永磁同步電機(jī)矢量控制很容易實(shí)現(xiàn)，只要使實(shí)際的與給定的相等，也就滿足了實(shí)際控制的要求。在實(shí)際控制中，向電機(jī)定子注入的和從定子檢測的電流都不是、而是三相電流，所以必須進(jìn)行坐標(biāo)變化。又因?yàn)閐,q坐標(biāo)系是定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，所以要實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變化必須在控制中實(shí)時(shí)檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。圖2是永磁同步電機(jī)的矢量控制原理圖。由圖可知，永磁同步電機(jī)位置交流伺服系統(tǒng)矢量控制有下面幾部分組成：位置速度檢測模塊、位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制器、坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊、整流和逆變模塊。本文只作相關(guān)仿真，不設(shè)位置速度檢測模塊?？刂七^程為：位置信號(hào)指令與檢測到的轉(zhuǎn)子位置相比較，經(jīng)過位置控制器的調(diào)

9、整，輸出速度指令信號(hào)，速度指令信號(hào)與檢測到轉(zhuǎn)子速度信號(hào)相比較，經(jīng)速度控制器的調(diào)節(jié)，輸出指令信號(hào)（電流控制器得給定信號(hào)）。同時(shí)經(jīng)過坐標(biāo)變換，定子反饋的三相電流變?yōu)?，通過電流控制器使0，與給定的相等，電流控制器的輸出為軸的電壓經(jīng)坐標(biāo)變化變?yōu)殡妷?，通過SVPWM模塊輸出六路PWM驅(qū)動(dòng)IGBT，產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機(jī)定子。實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系如上圖2。圖2 各坐標(biāo)軸之間的關(guān)系0baUUWqdq3.仿真模型的建立根據(jù)上述原理，構(gòu)建永磁同步電機(jī)模型如圖3所示，其中電機(jī)參數(shù)和圖4，其它仿真參數(shù)如表1，給電機(jī)轉(zhuǎn)矩TL=5。表1 仿真參數(shù)n-PIId-PIIq-P

10、IKp0.53030Ki530003000output-limits-18+18-310+310-310+310Ud320n*2000Ts1e-4Id*0圖3永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制仿真模型圖4永磁同步電機(jī)參數(shù)4、仿真結(jié)果及分析圖4定子三相電流，轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩波形圖5SVPWM輸入圖7電機(jī)測量模塊測量的定子D軸和Q軸波形圖6 3S-2r變換得到的定子D軸和Q軸波形由仿真波形可以看出, 在額定轉(zhuǎn)速n =2000r/ min 的參考轉(zhuǎn)速下, 系統(tǒng)起動(dòng)響應(yīng)快速,轉(zhuǎn)速能很好地控制在給定, 定子三相電流和轉(zhuǎn)矩在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開始波動(dòng)只有穩(wěn)定時(shí)的2到.倍, 且很快穩(wěn)定, 具有較好的特性。波形符合理論分析, 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)