永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速

1、永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制文獻(xiàn)閱讀報(bào)告專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號(hào): 學(xué)生班號(hào): 摘 要本篇論文是從閱讀文獻(xiàn)報(bào)告的角度來(lái)解讀論文的。稀土永磁同步電機(jī)早在上世紀(jì)七十年代就開始出現(xiàn)，現(xiàn)在已被廣泛使用，其具有重量輕、體積小、效率高、弱磁擴(kuò)速能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為航空、航天、武器裝備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域重要發(fā)展方向。由于永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得計(jì)算準(zhǔn)確度差，磁極形狀與尺寸的優(yōu)化，調(diào)速性能等都是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。這些年來(lái)，如何提高永磁同步電機(jī)恒功率調(diào)速比的問題是研究的重點(diǎn)，永磁電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)成了電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題。本文主要研究?jī)?nèi)容是對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)及弱磁性能的研究。

2、分析永磁同步電機(jī)(PMSM)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過闡述弱磁調(diào)速的控制原理，提出了一種基于電流調(diào)節(jié)的PMSM定子磁鏈弱磁控制算法，有效地拓寬了恒功率調(diào)速比。并在Matlab/Simulink環(huán)境下，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型。仿真結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)模型的有效性，恒功率調(diào)速比達(dá)到了4： 1，為永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了理論基礎(chǔ)，有一定的實(shí)際工程價(jià)值。 關(guān)鍵詞：內(nèi)置式；永磁電機(jī)；弱磁控制；電流跟蹤算法；仿真建模 目 錄目錄永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制文獻(xiàn)閱讀報(bào)告1一、研究的問題4二、研究方法52.1 永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型52.2弱磁調(diào)速原理62.3 基于

3、Matlab的PMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型建立72.4 仿真結(jié)果11三、解決效果123.1 結(jié)論123.2感悟與體會(huì)12前 言本次閱讀文獻(xiàn)報(bào)告的主要課題是研究對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制的研究，報(bào)告內(nèi)容主要來(lái)自等，在寫作過程中也參考了一些關(guān)于永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制方法設(shè)計(jì)以及弱磁性能研究等方面的資料現(xiàn)在從關(guān)注的問題、所用的研究方法及關(guān)注問題解決的效果三個(gè)方面來(lái)闡述報(bào)告內(nèi)容。一、 研究的問題近年來(lái)，隨著稀土永磁材料和電子功率器件的發(fā)展，永磁同步電機(jī)獲得了廣泛研究。永磁同步電機(jī)較異步電機(jī)具有功率密度大、轉(zhuǎn)子發(fā)熱量小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，用永磁同步電機(jī)做主軸傳動(dòng)正在成為一個(gè)新的研究方向。普通永磁同

4、步電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)力矩隨電流線性可控，一般將勵(lì)磁電流設(shè)為零，這種控制策略將導(dǎo)致電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不能超過額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩輸出能力也不能滿足主軸電機(jī)的要求。為了充分挖掘永磁同步電機(jī)的潛能，總是需要并希望在額定功率下輸出的轉(zhuǎn)速盡可能高些，然而，在基速（注意：在直流母線電壓達(dá)到最大值，也就是電機(jī)輸入電壓最大且在額定轉(zhuǎn)矩的情況下，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速被稱為基速）以上時(shí)，如果磁通保持不變，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)必將大于電機(jī)的最大輸入電壓，造成電機(jī)繞組電流的反向流動(dòng)，這在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)是不允許的，而弱磁時(shí)，磁通反比于定子頻率，使感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)保持常值而不隨轉(zhuǎn)速上升而增加，所以采用弱磁控制方可解決此類問題，且永磁調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、節(jié)能、

5、控制性能好，系統(tǒng)運(yùn)行噪低、平滑度和舒適性好等優(yōu)點(diǎn)。所以，此背景下，研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的弱磁調(diào)速系統(tǒng)具有重大意義。二、 研究方法2.1 永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以二相導(dǎo)通星形三相狀態(tài)為例，分析PMSM的數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)矩特性。為建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸（dq軸）數(shù)學(xué)模型，作如下假定：（1） 三相繞組完全對(duì)稱，氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布對(duì)稱；（2） 忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響；（3） 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；（4） 磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為式中，為定子繞組的相電壓；為定子每相繞組電阻；為定子繞組相電流；為定子每相繞組的自感；M為定

6、子每相繞組的互感；p為微分算子p=d/dt；為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子q軸與a相軸線的夾角。 因?yàn)槿嗬@組為星型連接，有 ，則式(1)可簡(jiǎn)化為： 式(2)為永磁同步電機(jī)在abc靜止坐標(biāo)系下電壓方程。利用坐標(biāo)變換，把a(bǔ)bc靜止坐標(biāo)系變換到dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，得到相應(yīng)的動(dòng)態(tài)電壓方程： 式中，為轉(zhuǎn)子電角速度；為直、交軸同步電感。在d、q坐標(biāo)系下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： 式中，表示電機(jī)極對(duì)數(shù)。2.2弱磁調(diào)速原理 永磁同步電機(jī)中，感應(yīng)電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)電機(jī)的端電壓達(dá)到控制器直流側(cè)電壓時(shí)， PWM控制器將失去追蹤電流的能力。因此定子端電壓Us和相電流Is，受到逆變器輸出電壓和輸出電流極限(Us

7、max和Ismax)的限制。由此可得電流極限圓 電壓極限橢圓又因?yàn)樗噪妷簶O限橢圓方程可以改寫為 永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行范圍是受以滿足電流極限圓和電壓極限橢圓為條件限制的，即電機(jī)的電流矢量 Is (其分量為 Id 與 Iq)應(yīng)處于兩曲線共同包圍的面積內(nèi)，如圖 1 中陰影部分所示。由圖 1可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速 升高， Id 分量趨于增大，相應(yīng)的 Iq 分量必須減小，因此，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速升高而下降，顯示出恒功率的特性。 圖1 PMSM電壓電流限制曲線2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型建立 在 Matlab6. 5的Simulink環(huán)境，利用SimPower2 System

8、Toolbox2. 3豐富的模塊庫(kù),在分析PMSM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出了建立PMSM弱磁控制控制系統(tǒng)仿真模型的方法，弱磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見圖2。 PMSM 弱磁控制建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：速度環(huán)為控制外環(huán)，它使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速值保持一致，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速、減速和勻速運(yùn)行，并且及時(shí)消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。電流環(huán)為控制內(nèi)環(huán)，它的作用是控制逆變器在定子繞組上產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖 2 中的控制系統(tǒng)分割為各個(gè)功能獨(dú)立的子模塊， 其中主要包括：PMSM 本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、弱磁控制模塊等，通過這些功能模塊的有機(jī)整

9、合，就可在 Matlab/Simulink中搭建出 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型， 并實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。 圖2 PMSM弱磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.3.1 PMSM本體模塊 在整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型，PMSM本體模塊是最重要的部分。Matlab/ Simulink 的工具箱提供了按交直軸磁鏈理論建立的定子繞組按 Y 型連接的 PMSM 模塊。 PMSM 模塊共有四個(gè)輸入端，其中前三個(gè)輸入端，分別為 A 相、 B 相、 C相輸入端， 第四個(gè)輸入端為轉(zhuǎn)矩輸入端 T1 (Nm)。當(dāng) T1 0 時(shí)，為電動(dòng)機(jī)模式；當(dāng) T1 0 時(shí)為發(fā)電機(jī)模式。PMSM 的主要設(shè)置參數(shù)包括:定子電阻R()；交直軸定子

10、電感 (H)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁(Wb)；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J(kgm2) ； 粘 滯 摩 擦 系 數(shù)B(Nms)；電機(jī)的極對(duì)數(shù) p 等。 2.3.2 矢量控制模塊dq向abc轉(zhuǎn)換模塊主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置即圖2中的，按照dq變換的反變換公式產(chǎn)生三路基準(zhǔn)信號(hào)，dq變換的反變換公式如下： 式(8)中包含了零序分量，在對(duì)稱三相條件下，沒有零序分量dq向abc轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。dq向abc轉(zhuǎn)換模塊輸出三路基準(zhǔn)信號(hào)，該曲線的橫坐標(biāo)按轉(zhuǎn)子位置標(biāo)注， 縱坐標(biāo)按電流標(biāo)注。三根曲線分別代表對(duì)應(yīng)與轉(zhuǎn)子的某一位置的三個(gè)繞組各自驅(qū)動(dòng)電流瞬時(shí)值，通過矢量合成可知此刻的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量的角度。圖3 dq到abc轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖2.3.3 電

11、流滯環(huán)控制模塊三相電流源型逆變器模塊是按照矢量控制理論，利用滯環(huán)電流控制方法，實(shí)現(xiàn)電流逆變控制。輸入為三相參考電流和三相實(shí)際電流，輸出為變器電壓信號(hào)，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。當(dāng)實(shí)際電流is經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)低于參考電流且偏差大于滯環(huán)比較器的環(huán)寬時(shí)，電機(jī)對(duì)應(yīng)相正向?qū)?，?fù)向關(guān)斷；當(dāng)實(shí)際電流經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)超過參考電流且偏差大于滯比較器的環(huán)寬時(shí)，對(duì)應(yīng)相正向關(guān)斷，負(fù)向?qū)ㄟx擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可以實(shí)際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。 圖4 三相電流源型逆變器模塊結(jié)構(gòu)框圖2.3.4 速度控制模塊速度控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，如圖5所示，參考轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值為單輸入項(xiàng)，三相考相電流的幅值為單輸出項(xiàng)

12、。其中， Ki為PI控制器中P(比例)的參數(shù)，為PI控制器中I(積分的參數(shù)，飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。圖5 速度控制模塊2.3.5 弱磁控制模塊電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行時(shí)， 直軸電流的計(jì)算公式如下 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過基速時(shí)，恒功率運(yùn)行， 切換為下面公式計(jì)算 式中，為永磁同步電機(jī)直軸電感；為永磁同步電機(jī)交軸電感；為定子繞組的電阻； 為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的電角度。2.4 仿真結(jié)果在前面理論分析的前提下，本文基于Matlab/Simulink建立PMSM弱磁控制系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真。 PMSM電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置：相繞組電阻R為2.87 ，極限電壓值

13、為240 V，d軸電感分量為388.5 mH，極限電流值為1.6 A，q軸電感分量為475.5 mH，起始機(jī)械轉(zhuǎn)矩為5 Nm，永磁磁鏈為447， 機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化時(shí)刻t為0.015 s，極對(duì)數(shù)p為4，最終機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tend為3 Nm。通過仿真試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)速達(dá)到基本轉(zhuǎn)速以后，若不加該電流弱磁控制算法，繼續(xù)升速的空間很小。采取了本文提出的電流調(diào)節(jié)算法以后，永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速區(qū)域明顯擴(kuò)大，恒功率運(yùn)行區(qū)域調(diào)速比達(dá)到了4： 1；最高轉(zhuǎn)速達(dá)到2200 rad/s，轉(zhuǎn)速為1600 rad/s時(shí)的仿真波形如圖6到圖8所示。 圖6 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖8 三相電流仿真波形由仿真波形可以看出：在轉(zhuǎn)速為1

14、600 rad/s時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速且平穩(wěn)，三相電流波形較為理想，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快且穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無(wú)靜差，具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。 三、 解決效果3.1 結(jié)論本文在分析 PMSM 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電流調(diào)節(jié)的 PMSM 定子磁鏈弱磁控制算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方拓寬了電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速范圍，有效地提高了恒功率運(yùn)行區(qū)域的調(diào)速比，轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)矩變平穩(wěn)，系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。采用該 PMSM 仿真模型, 以便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證電流調(diào)節(jié)的弱磁控制算法也可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單修改或替換，完成控制策略的改進(jìn)，通用性較強(qiáng)。 3.2感悟與體會(huì)從這次閱讀文獻(xiàn)的過程中，我擴(kuò)寬

15、自己的視野，基于課本基礎(chǔ)知識(shí)，然后上網(wǎng)閱讀資料，了解永磁同步電機(jī)的研究課題以及發(fā)展趨勢(shì)，增強(qiáng)自己的能力。此外，在本次閱讀永磁同步電機(jī)文獻(xiàn)的過程之中，我體會(huì)到了任何一個(gè)新的仿真思路或者一種算法都要建立在實(shí)際問題上去考慮、去探討解決辦法，再在合理的實(shí)際情況的前提下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最終驗(yàn)證研究報(bào)告結(jié)論的有效性和準(zhǔn)確性。通過此次文獻(xiàn)閱讀，增強(qiáng)了自己查找資料篩選有效信息的能力，了解了本專業(yè)課程的相關(guān)知識(shí)，解決的實(shí)際的問題，開拓了自己的視野，收獲頗豐。參考文獻(xiàn)1白玉成，唐小琦，吳功平.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制.電工技術(shù)學(xué)報(bào).2011（09）2張樹團(tuán)，李偉林，魯芳，張海鷹.永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)建模及仿真研究 .船電技術(shù).2010（0