永磁同步電機矢量控制仿真

1、永磁同步電動機矢量控制仿真1前言隨著微電子和電力電子技術的飛速發(fā)展, 越來越多的交流伺服系統(tǒng)采用了數字信號處理器(DSP) 和智能功率模塊( IPM ) , 從而實現了從模擬控制到數字控制的轉變。空間矢量PWM 調制, 它具有線性范圍寬, 高次諧波少, 易于數字實現等優(yōu)點, 在新型的驅動器中得到了普遍應用。永磁同步電機(PM SM ) 具有較高的運行效率、較高的轉矩密度、轉動慣量小、轉矩脈動小、可高速運行等特點, 在諸如高性能機床進給控制、位置控制、機器人等領域PMSM得到了廣泛的應用。近幾年來, 國內外學者將空間矢量脈寬調制算法應用于永磁同步電機控制中, 并取得了一定的成就。同時, 永磁同步

2、電機交流變頻調速系統(tǒng)發(fā)展也很快, 已成為調速系統(tǒng)的主要研究和發(fā)展對象。數字仿真技術一直是交流調速系統(tǒng)分析計算的有用工具。但隨著對PM SM 控制技術要求的提高, 空間矢量PWM 控制系統(tǒng)成為首選方案。本文對其進行MA TLAB S IMUL IN K下仿真, 并給出了仿真結果。2永磁同步電動機矢量控制原理矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施仍然是落實到對定子電流（交流量）的控制上。由于在定子側的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等等，都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉速旋轉，調節(jié)、控制和計算都不是很方便。因此，需要借助于坐標變換，使得各個物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐

3、標系，然后，站在同步旋轉坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各個空間矢量就都變成了直流量，可以根據轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量的各個分量之間的關系，實時的計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。按照這些給定量進行實時控制，就可以達到直流電動機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。下面進行詳細介紹。2. 1坐標變換理論矢量變換控制中涉及到的坐標變換有

4、靜止三相- 靜止二相, 以及靜止二相- 旋轉二相的變換及其逆變換。抽象成坐標系間的關系就是從靜止as -b s - cs 坐標系向靜止A- B坐標系的變換, 以及變量從靜止A- B坐標系向同步速旋轉d - q 坐標系變換?，F對各坐標軸之間的電流轉換公式總結如下：坐標與坐標轉換關系 （1）坐標與坐標的轉換關系 （2）坐標與坐標轉換關系 （3） （4）上述幾式是電流的轉換，電壓的轉換與電流的轉換相同。（1）（4）是恒功率變換，恒功率變換中三相坐標和兩相坐標中計算得到的功率是相等的。實際中還有一種恒幅值變換，即電流電壓的幅值在三相坐標和兩相坐標中相等，但功率在兩相坐標中需要乘以1.5才是實際功率，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）實際對稱三相系統(tǒng)中式（6）使用較多。2.2永磁同步電動機控制理論根據永磁同步電動機控制理論，永磁同步電動機具有正弦形的反電動勢波形，其定子電壓、定子電流也應該為正弦波。假設電動機是線性的，參數不隨溫度等變化，忽略磁滯、渦流損耗，轉子無阻尼繞組，那么基于旋轉坐標系d，q中的永磁同步電動機定子磁鏈方程為：（7）其中：r為轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈；Ld、Lq為永磁同步電動機的d，q軸主電感，Id、Iq為定子電流矢量的d，q軸主電流。根據在兩相繞組中，旋轉坐標系下的永

6、磁同步電機定子電壓矢量方程式，整理出永磁同步電動機在d，q軸上兩個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為轉子旋轉角速度。與前面的從兩相靜止坐標、變換到兩相旋轉坐標d，q一樣，直接寫出電壓回路方程式也要有一定的條件。在認為旋轉坐標系的旋轉角頻率與轉子旋轉角頻率一致，并且當d軸與轉子主磁通方向一致時，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轉子磁通定向的電壓回路方程式：（9）電磁轉矩方程為：（10）其中：P為電機的極對數。在永磁同步電動機中，由于轉子磁鏈恒定不變，所以都是采用轉子磁鏈定向方式來控制永磁同步電動機的。在基速以下恒轉

7、矩運行區(qū)中，采用轉子磁鏈定向的永磁同步電動機定子電流矢量位于q軸，無d軸分量，即IqI，Id0，定子電流全部用來產生轉矩，而對于面貼式永磁電機而言，氣隙均勻，LdLq，此時永磁同步電動機的電壓方程可寫為：（11）電磁轉矩方程可簡化為：（12）圖1 永磁同步電機位置交流伺服系統(tǒng)矢量控制原理框圖由上述永磁同步電機的數學模型的分析可知：定子電流在軸上的分量決定電磁轉矩的大小。永磁同步電機矢量控制的實質就是通過對定子電流的控制來實現交流永磁同步電動的的轉矩控制。轉速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制，可以更有效的產生轉矩，這時電磁轉矩，電磁轉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、轉速，實現矢量控制。永磁同步電機矢量控制很容易實現，只要使實際的與給定的相等，也就滿足了實際控制的要求。在實際控制中，向電機定子注入的和從定子檢測的電流都不是、而是三相電流，所以必須進行坐標變化。又因為d,q坐標系是定在電機轉子上的旋轉坐標系，所以要實現坐標變化必須在控制中實時檢測電機轉子的位置。圖2是永磁同步電機的矢量控制原理圖。由圖可知，永磁同步電機位置交流伺服系統(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、坐標變換模塊、SVPWM模塊、整流和逆變模塊。本文只作相關仿真，不設位置速度檢測模塊?？刂七^程為：位置信號指令與檢測到的轉子位置相比較，經過位置控制器的調

9、整，輸出速度指令信號，速度指令信號與檢測到轉子速度信號相比較，經速度控制器的調節(jié)，輸出指令信號（電流控制器得給定信號）。同時經過坐標變換，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坐標變化變?yōu)殡妷海ㄟ^SVPWM模塊輸出六路PWM驅動IGBT，產生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子。實現矢量控制，需要進行坐標變換，各坐標軸之間的關系如上圖2。圖2 各坐標軸之間的關系0baUUWqdq3.仿真模型的建立根據上述原理，構建永磁同步電機模型如圖3所示，其中電機參數和圖4，其它仿真參數如表1，給電機轉矩TL=5。表1 仿真參數n-PIId-PIIq-P

10、IKp0.53030Ki530003000output-limits-18+18-310+310-310+310Ud320n*2000Ts1e-4Id*0圖3永磁同步電動機矢量控制仿真模型圖4永磁同步電機參數4、仿真結果及分析圖4定子三相電流，轉速及電磁轉矩波形圖5SVPWM輸入圖7電機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, 在額定轉速n =2000r/ min 的參考轉速下, 系統(tǒng)起動響應快速,轉速能很好地控制在給定, 定子三相電流和轉矩在電機轉動開始波動只有穩(wěn)定時的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)運行穩(wěn)