工程項(xiàng)目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、.綜合訓(xùn)練項(xiàng)目三題目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真學(xué)期： 2014-2015 學(xué)年第 1 學(xué)期專業(yè)：自動(dòng)化資料 .班級(jí)：2011 級(jí) 1 班姓名：官均濤學(xué)號(hào)： 1105010105指導(dǎo)教師：侯利民資料 .遼寧工程技術(shù)大學(xué)成績評(píng)定表評(píng)定評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)合格不合格矢量控制系統(tǒng)原理分析充分性評(píng)仿真模型搭建合理定標(biāo)準(zhǔn)仿真結(jié)果分析分析充分性內(nèi)容充實(shí)設(shè)計(jì)報(bào)告答辯答辯效果總成績資料 .日期年月日資料 .題目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真目的：通過搭建仿真模型，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中枯燥、抽象、難于理解等弊端，消化知識(shí)單元六中矢量控制的理論知識(shí)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。要求 :利用 MATLAB/simulink中

2、的電力系統(tǒng)工具箱搭建PMSM 矢量控制系統(tǒng)仿真模型，通過調(diào)節(jié)PI 參數(shù)，得到良好的動(dòng)靜態(tài)性能，觀察系統(tǒng)突加減變負(fù)載運(yùn)行工況下的速度、電流及轉(zhuǎn)矩變化情況。任務(wù)： 1、學(xué)習(xí)永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)；2、搭建永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型；3、調(diào)試 PI 調(diào)節(jié)器參數(shù)滿足各種工況；4、針對(duì)仿真模型進(jìn)行演示答辯，考查其掌握程度。成果形式：現(xiàn)場演示 +書面報(bào)告資料 .資料 .目錄1永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理.11.1永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理.11.2永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系. 11.3永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略.32永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)id=0 控制的 simulink

3、仿真. 42.1永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模.42.2永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的simulink 仿真 .52.2.1空載啟動(dòng)仿真 .62.2.2轉(zhuǎn)速突變仿真 .72.2.3負(fù)載突變仿真 .93仿真結(jié)果分析.12資料 .資料 .1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理近二十多年來電動(dòng)機(jī)矢量控制、 直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)的問世和計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的進(jìn)步， 使得電動(dòng)機(jī)的控制理論和實(shí)際控制技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)仍以采用矢量控制技術(shù)為主。矢量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。本論文采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式。由式(16

4、) 可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量is ，而 is 的大小和相位又取決于 id 和 iq 也就是說控制 id 和 iq ；便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的 i d 和 iq ，通過這兩個(gè)電流的控制， 使實(shí)際 id 和 iq ；跟蹤指令值 i d 和 iq ，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。由于實(shí)際饋入電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電流是三相交流電流i A 、 iB 和 iC ，因此，三相電流的指令 i A 、 i B 和 iC 必須由下面的變換從 i d 和 iq 得到：iAc o ss i n22id（1）2c o s ()iB

5、3si n (iq33i Ccos(2sin(2)33式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)由位于電動(dòng)機(jī)非負(fù)載端軸伸上的速度、位置傳感器提供。通過電流控制環(huán)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入三相電流iA 、i B 和 iC 與給定的指令i A 、 i B 和 iC 一致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。上述電流矢量控制對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和瞬態(tài)運(yùn)行都適用。而且 i d 和 iq 是各自獨(dú)立的；因此，便于實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制策略。1.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行是與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行資料 .性能受到逆變器的制約。 最為明顯的是電動(dòng)機(jī)的相電壓有效值的極限值U lim 和

6、相電流有效值的極限值I lim 要受到逆變器直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓最大值為U c 時(shí)，Y接的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大基波相電壓有效值：U l i mU cU c（2）326而在 d-q 軸系統(tǒng)中的電壓極限值為 ulim3U lim:(1)電壓極限圓電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值：uud2uq2（ 3）將式（ 24）代入式（ 29）得：u( Lqi qR1id )2( Ld i dfR1i q ) 2（4 ）( Xq iqR1id )2( X d id e0R1iq ) 2由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高轉(zhuǎn)速， 電阻遠(yuǎn)小于電抗， 電阻上的壓降可以忽略不計(jì)，上式可簡化為u(

7、Lq iq )2(Ld idf2)(Xq i2q)( X d i0d2e)（ 31）以 ulim 代替上式中的 u ，有( L i2(L i2(u/2)df)（5）q qdl i m當(dāng) LdLq 時(shí)，式（ 32）是一個(gè)橢圓方程，當(dāng)LdLq 時(shí)（即電動(dòng)機(jī)為表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)），式（ 32）是一個(gè)以（f / Ld , 0）為圓心的圓方程，下面以 LdLq 為例，將式（ 32）表示在 idi q 的平面上，即可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓極限軌跡電壓極限圓。對(duì)某一給定轉(zhuǎn)速， 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)， 定子電流矢量不能超過該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡， 最多只能落在橢圓上。 隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓的長軸和

8、短軸與轉(zhuǎn)速成反比地相應(yīng)縮小，從而形成了一族橢圓曲線。資料 .(2)電流極限圓電動(dòng)機(jī)的電流極限方程為：id2iq2 il i 2m（6）上式中 ilim3I lim ， I lim 為電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大相電流基波有效值，式（ 33）表示的電流矢量軌跡為一以id iq 平面上坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)， 定子電流空間矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限圓，也不能超出電流極限圓。1.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略id0 時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，等于 90°，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為T

9、epfis（7）id0 控制時(shí)的相量圖如圖8 所示：圖 8id0 矢量控制相量圖從圖中可以看出，反電動(dòng)勢相量E0 與定子電流相量I 0 同相。對(duì)表面凸出示轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)來說，此時(shí)單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩?；蛘哒f，在生產(chǎn)所需要轉(zhuǎn)矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率有所提高。這也是表面凸出示轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用id0控制的原因。從電動(dòng)機(jī)的電壓方程(忽略定子電阻 )和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用id0 控制時(shí)在逆變器極限電壓下電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為式（35 ）。從式（ 35）可以看出，采用id0 控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓、也取決于資

10、料 .電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。 電動(dòng)機(jī)可達(dá)的最高電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小， 則最高轉(zhuǎn)速越高。bul i m（8）(Tem Lq )2( f )2pf按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使id0 的控制方式，對(duì)于隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，定子電流和轉(zhuǎn)子磁通是互相獨(dú)立的，控制系統(tǒng)簡單， 轉(zhuǎn)矩恒定性好， 可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適合于需要高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場合。2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)id=0 控制的 simulink 仿真2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模圖9為 i d0 控制系統(tǒng)原理圖。圖中，和為檢測出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和角度空間位移， iA ， i B 和 iC 為檢測出的實(shí)際定子三相電流值。在圖 11中

11、采用了三個(gè)串聯(lián)的閉環(huán)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值與指令值的差值作為位置控制器的輸入，其輸出信號(hào)作為速度的指令值，并與實(shí)際速度比較后， 作為速度控制器的輸入。 速度控制器的輸出即為轉(zhuǎn)矩的指令值，轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值可根據(jù)給定的勵(lì)磁磁鏈和經(jīng)矢量變換后得到的id 、資料 .iq 由轉(zhuǎn)矩公式求出。 實(shí)際轉(zhuǎn)矩信號(hào)與轉(zhuǎn)矩指令值的差值經(jīng)轉(zhuǎn)矩控制器和矢量變換 ej 后，即可得到電動(dòng)機(jī)三相電流的指令值，再經(jīng)電流控制器便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制。圖 9 id0 控制系統(tǒng)框圖根據(jù)圖 9 利用中的 simulink 工具建立永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) id0 控制的仿真模型，如圖10所示：圖 10 永磁同步

12、電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)id0 控制的仿真圖2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的simulink 仿真矢量控制是當(dāng)前高性能交流調(diào)速系統(tǒng)一種典型的控制方案。本章分析了永磁資料 .同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，在 Matlab/simulink 環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)?？蛰d啟動(dòng)仿真指令轉(zhuǎn)速 1000 轉(zhuǎn)/分，空載，啟動(dòng)過程的仿真波形如以下各圖所示：圖 20 轉(zhuǎn)速波形圖資料 .圖 21 轉(zhuǎn)矩波形圖圖22 定子三相電流波形圖仿真中，電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，t=0.025s 前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流均大幅震蕩，在t=0.07s 時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值 1000 轉(zhuǎn)/分，穩(wěn)態(tài)誤差為2%

13、。轉(zhuǎn)速突變仿真指令轉(zhuǎn)速由 1000 轉(zhuǎn) /分突變?yōu)?800 轉(zhuǎn)/分，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tm=2N.m ，啟動(dòng)過程的仿真波形如以下各圖所示：資料 .圖 23 轉(zhuǎn)速波形圖圖 24 轉(zhuǎn)矩波形圖資料 .圖 25 三相電流波形圖電動(dòng)機(jī)負(fù)載啟動(dòng)， t=0.02s 前為震蕩過程， t=0.02s 到 0.04s ，轉(zhuǎn)矩 Te 開始攀升，并在 t=0.04s 開始穩(wěn)定波動(dòng)，由于此間電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以該時(shí)間段轉(zhuǎn)速下降。 t=0.08s 時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在指令值 1000 轉(zhuǎn) /分，直到 t=0.1s ，指令轉(zhuǎn)速突變?yōu)?800 轉(zhuǎn)/分，此時(shí)轉(zhuǎn)矩突然下降到 0下，緊接著 t=0.1s 到 0.11s 是轉(zhuǎn)矩提升過程。伴隨

14、轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)速做出了相應(yīng)的下降變化，電流突然變小； t=0.11s 后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定波動(dòng)于 2N.m ，轉(zhuǎn)速回升，于 t=0.16s 穩(wěn)定在指令值 800 轉(zhuǎn) /分。負(fù)載突變仿真永磁同步電機(jī)的負(fù)載突變時(shí),電機(jī)的電流、速度、推力等參數(shù)都會(huì)發(fā)生很大的變化，負(fù)載突變特性可為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制策略實(shí)施、 安全運(yùn)行等提供理論基礎(chǔ)。這里的負(fù)載突變指在轉(zhuǎn)速一定的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由一個(gè)數(shù)據(jù)突變到另一個(gè)數(shù)據(jù)。指令轉(zhuǎn)速 1000 轉(zhuǎn)/分，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 2N.m 突變?yōu)?5N.m ，啟動(dòng)過程的仿真波形如以下各圖所示：資料 .圖 26 轉(zhuǎn)速波形圖圖 27 轉(zhuǎn)矩波形圖資料 .圖 28 三相電流波形圖t=0.1s 前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流變化與