工程項目：永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、綜合訓(xùn)練項目三題 目：永磁同步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真 學(xué) 期：2014-2015學(xué)年第1學(xué)期專 業(yè)：自動化班 級：2011級1班姓 名：官均濤學(xué) 號：1105010105指導(dǎo)教師：侯利民遼寧工程技術(shù)大學(xué)成 績 評 定 表評定標(biāo)準評定指標(biāo)標(biāo)準評定合格不合格矢量控制系統(tǒng)原理分析充分性仿真模型搭建合理仿真結(jié)果分析分析充分性設(shè)計報告答辯內(nèi)容充實答辯效果總成績?nèi)掌谀?月 日綜合訓(xùn)練項目三題目：永磁同步電機矢量控制調(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，消化知識單元六中矢量控制的理論知識，達到良好的教學(xué)效果。要求: 利用MATLAB/simulink中的電力系統(tǒng)工

2、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)，得到良好的動靜態(tài)性能，觀察系統(tǒng)突加減變負載運行工況下的速度、電流及轉(zhuǎn)矩變化情況。任務(wù)：1、學(xué)習(xí)永磁同步電機矢量控制技術(shù)；2、搭建永磁同步電機矢量控制系統(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、針對仿真模型進行演示答辯，考查其掌握程度。成果形式：現(xiàn)場演示+書面報告目 錄1 永磁同步電動機的矢量控制原理11.1 永磁同步電動機的矢量控制原理11.2 永磁同步電動機矢量控制運行時的基本電磁關(guān)系11.3 永磁同步電動機的矢量控制策略22 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)id=0控制的simulink仿真42.1 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的建

3、模42.2 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的simulink仿真52.2.1 空載啟動仿真52.2.2轉(zhuǎn)速突變仿真62.2.3 負載突變仿真83 仿真結(jié)果分析111 永磁同步電動機的矢量控制原理1.1 永磁同步電動機的矢量控制原理近二十多年來電動機矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)的問世和計算機人工智能技術(shù)的進步，使得電動機的控制理論和實際控制技術(shù)上升到了一個新的高度。目前，永磁同步電動機調(diào)速傳動系統(tǒng)仍以采用矢量控制技術(shù)為主。 矢量控制實際上是對電動機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)可以看出，當(dāng)永磁體的勵磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動機的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電

4、流的空間矢量，而的大小和相位又取決于和也就是說控制和；便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對應(yīng)于一定的和，通過這兩個電流的控制，使實際和；跟蹤指令值和，便實現(xiàn)了電動機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。由于實際饋入電動機電樞繞組的電流是三相交流電流、和，因此，三相電流的指令、和必須由下面的變換從和得到： （1）式中，電動機轉(zhuǎn)子位置信號由位于電動機非負載端軸伸上的速度、位置傳感器提供。通過電流控制環(huán)，可以使電動機實際輸入三相電流、和與給定的指令、和一致，從而實現(xiàn)了對電動機轉(zhuǎn)矩的控制。上述電流矢量控制對電動機穩(wěn)態(tài)運行和瞬態(tài)運行都適用。而且和是各自獨立的；因此，便于實現(xiàn)各種先進的控制策略。1.2 永磁同步電動機矢

5、量控制運行時的基本電磁關(guān)系 永磁同步電動機的控制運行是與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動機的運行性能受到逆變器的制約。最為明顯的是電動機的相電壓有效值的極限值和相電流有效值的極限值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)電壓最大值為時，Y接的電動機可達到的最大基波相電壓有效值： （2）而在d-q軸系統(tǒng)中的電壓極限值為:(1)電壓極限圓 電動機穩(wěn)態(tài)運行時，電壓矢量的幅值： （3）將式（24）代入式（29）得： （4） 由于電動機一般運行于較高轉(zhuǎn)速，電阻遠小于電抗，電阻上的壓降可以忽略不計，上式可簡化為 （31）以代替上式中的，有 （5） 當(dāng)時，式（32）是一個橢圓方程，當(dāng)

6、時（即電動機為表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時），式（32）是一個以（, 0）為圓心的圓方程，下面以為例，將式（32）表示在的平面上，即可得到電動機運行時的電壓極限軌跡電壓極限圓。對某一給定轉(zhuǎn)速，電動機穩(wěn)態(tài)運行時，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。隨著電動機轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓的長軸和短軸與轉(zhuǎn)速成反比地相應(yīng)縮小，從而形成了一族橢圓曲線。(2)電流極限圓電動機的電流極限方程為： （6）上式中，為電動機可以達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平面上坐標(biāo)原點為圓心的圓。電動機運行時，定子電流空間矢量既不能超出電動機的電壓極限圓，也不能超出電流極限圓。1

7、.3 永磁同步電動機的矢量控制策略 時，從電動機端口看，相當(dāng)于一臺它勵直流電動機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，等于90°，電動機轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為 （7）控制時的相量圖如圖8所示：圖8 矢量控制相量圖從圖中可以看出，反電動勢相量與定子電流相量同相。對表面凸出示轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機來說，此時單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩。或者說，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)的永磁同步電動機通常采用控制的原因。從電動機的電壓方程(忽略定子電阻)和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用控制

8、時在逆變器極限電壓下電動機的最高轉(zhuǎn)速為式（35）。從式（35）可以看出，采用控制時，電動機的最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓、也取決于電動機的輸出轉(zhuǎn)矩。電動機可達的最高電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小，則最高轉(zhuǎn)速越高。 （8）按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使的控制方式，對于隱極永磁同步電動機控制系統(tǒng)，定子電流和轉(zhuǎn)子磁通是互相獨立的，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)控機床、機器人等場合。 2 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)id=0控制的simulink仿真2.1 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的建模 圖9為控制系統(tǒng)原理圖。圖中，和為檢測出的電動機轉(zhuǎn)速和角度空間位移，和為檢測出的實際

9、定子三相電流值。在圖11中采用了三個串聯(lián)的閉環(huán)分別實現(xiàn)電動機的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)子位置實際值與指令值的差值作為位置控制器的輸入，其輸出信號作為速度的指令值，并與實際速度比較后，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)矩的實際值可根據(jù)給定的勵磁磁鏈和經(jīng)矢量變換后得到的、由轉(zhuǎn)矩公式求出。實際轉(zhuǎn)矩信號與轉(zhuǎn)矩指令值的差值經(jīng)轉(zhuǎn)矩控制器和矢量變換后，即可得到電動機三相電流的指令值，再經(jīng)電流控制器便可實現(xiàn)電動機的控制。 圖9 控制系統(tǒng)框圖根據(jù)圖9利用Matlab7.6.0中的simulink工具建立永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)控制的仿真模型，如圖10所示： 圖10 永磁同步電動機矢量控

10、制系統(tǒng)控制的仿真圖2.2 永磁同步電動機矢量控制系統(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。本章分析了永磁同步電動機矢量控制的原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，在Matlab/simulink環(huán)境下對系統(tǒng)進行了仿真試驗。2.2.1 空載啟動仿真 指令轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，空載，啟動過程的仿真波形如以下各圖所示：圖20 轉(zhuǎn)速波形圖圖21 轉(zhuǎn)矩波形圖圖22 定子三相電流波形圖仿真中，電動機空載啟動，t=0.025s前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流均大幅震蕩，在t=0.07s時轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定值1000轉(zhuǎn)/分，穩(wěn)態(tài)誤差為2%。2.2.2轉(zhuǎn)速突變仿真指令轉(zhuǎn)速由1000轉(zhuǎn)/

11、分突變?yōu)?00轉(zhuǎn)/分，負載轉(zhuǎn)矩Tm=2N.m，啟動過程的仿真波形如以下各圖所示：圖23 轉(zhuǎn)速波形圖 圖24 轉(zhuǎn)矩波形圖圖25 三相電流波形圖電動機負載啟動，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，由于此間電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，所以該時間段轉(zhuǎn)速下降。t=0.08s時轉(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)?00轉(zhuǎn)/分，此時轉(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。伴隨轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)速做出了相應(yīng)的下降變化，電流突然變?。籺=0.11s后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定波動于2N.m，轉(zhuǎn)速回升，于t=0.16s穩(wěn)定在指令值800轉(zhuǎn)/分。2.2.3 負載突變仿真永磁同步電機的負載突變時,電機的電流、速度、推力等參數(shù)都會發(fā)生很大的變化，負載突變特性可為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計、控制策略實施、安全運行等提供理論基礎(chǔ)。這里的負載突變指在轉(zhuǎn)速一定的情況下，負載轉(zhuǎn)矩由一個數(shù)據(jù)突變到另一個數(shù)據(jù)。指令轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，負載轉(zhuǎn)矩由2N.m突變?yōu)?N.m，啟動過程的仿真波形如以下各圖所示：圖26 轉(zhuǎn)速波形圖圖27 轉(zhuǎn)矩波形圖圖28 三相電流波形圖t=0.1s前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流變化與4.2.1同，當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩在t=0.1s突升到5N