永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的建立與實(shí)現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)電機(jī)的控制本文設(shè)計(jì)的電機(jī)效率特性如圖 異步電機(jī)效率特性 PMSM電機(jī)效率特性本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車電機(jī)采用SVPWM 控制技術(shù)是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它是以“磁鏈跟蹤控制”為目標(biāo)，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成份及電機(jī)的諧波損耗，能有效降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于各種交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，有替代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì)2。基于上述原因，本文結(jié)合和SVPWM 控制技術(shù)設(shè)計(jì)PMSM雙閉環(huán)PI調(diào)速控制。其中，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)3，外環(huán)為速度環(huán)，根據(jù)經(jīng)典的PID控制設(shè)計(jì)理論，將內(nèi)環(huán)按典型系統(tǒng)，外環(huán)按典型系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)4。1. PMSM控制系統(tǒng)總模型首先給出PMSM的交流伺服系統(tǒng)矢量控制框圖。忽略粘性阻尼系數(shù)的影響， PMSM 的狀態(tài)方程可表示為 (1)將帶入上式，有 (2)式(1)、 (2)中，是直軸電流，是交軸電流，是轉(zhuǎn)速。由式(1)、 (2)可以看出，實(shí)際是對(duì)電流和控制，將它們轉(zhuǎn)化為和，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)PMSM的SVPWM 控制。畫出PMSM的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。注意電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器可以同時(shí)控制兩個(gè)量，在matlab中建模時(shí)將其分開，但參數(shù)是一樣的。圖1 時(shí)PMSM的SVPWM控制系統(tǒng)框圖2. 坐標(biāo)變換SVPWM矢量控制最重要的是接收坐標(biāo)變換后的信號(hào)，上述控制系統(tǒng)的Ipark變

3、換為 (3)圖2 Ipark變換Clarke和park變換是將abc三相電流變?yōu)閐軸電流和q軸電流，該公式和matlab自帶模型幅值和角度有差別，matlab選取的參考角度與本文相差，以轉(zhuǎn)矩最大值為參考，其幅值為，本文的公式和仿真模型將Clarke和park變換結(jié)合求解為 (4)圖3 abc三相電流變?yōu)閐軸q軸電流模型其中， (4)式Clarke將abc三相電流變?yōu)閮上嚯娏鞯墓綖?(5)(4)式的Park變換將兩相電流變換為d軸和q軸，電流公式與電壓公式一致 (6)3. SVPWM算法圖4 PMSM逆變器結(jié)構(gòu)對(duì)于PMSM逆變器上橋與下橋動(dòng)作相反，PWM有三個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂在任一時(shí)刻均可以有2

4、個(gè)狀態(tài)，規(guī)定上橋臂開啟為狀態(tài)1，斷開為狀態(tài)0，則PWM對(duì)應(yīng)8個(gè)工作狀態(tài)，對(duì)應(yīng)8個(gè)基本空間矢量。表1 空間矢量電壓輸入電壓橋臂狀態(tài)（ABC）usu00000u1100u2110u3010u4011u5001u6101u71110電壓空間矢量 PWM（SVPWM）基本思想是按空間矢量的平行四邊形合成法則， 用相鄰的兩個(gè)有效的工作矢量合成期望的輸出矢量。表1中有兩個(gè)電壓為0，無效，按 6 個(gè)有效電壓矢量空間分成對(duì)稱的 6 個(gè)扇區(qū)，當(dāng)期望的輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用該扇區(qū)的兩邊的有效電壓矢量與零矢量等效合成，如圖 5 所示。圖 5 對(duì)應(yīng)扇區(qū)和空間電壓矢量合成確定us所在的扇區(qū)，定義Ipark變

5、換的和不同值對(duì)應(yīng)的扇區(qū)： (7)則上述定義對(duì)應(yīng)的扇區(qū)為，不同取值正好依次對(duì)應(yīng)6個(gè)扇區(qū)。圖 6 扇區(qū)判斷仿真模型每個(gè)扇區(qū)相鄰的電壓矢量有特定的作用時(shí)間，SVPWM控制同樣根據(jù)和計(jì)算扇區(qū)相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間，定義： (8)圖7 電壓矢量合成周期相關(guān)變量的定義仿真模型根據(jù)式（8），不同扇區(qū)的相鄰電壓矢量T1和T2在整個(gè)PWM中斷周期為表2 各扇區(qū)T1和T2合成取值 N=1（） N=2（）N=3（）N=4（）N=5（）N=6（）Z,YY,Y-Z,X-X,ZX,-Y-Y,-Z圖 8相鄰電壓矢量T1和T2的計(jì)算不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)電壓合成T1和T2不一致，所以不同扇區(qū)的逆變器3個(gè)橋臂上的開關(guān)切換時(shí)間與

6、上述T1和T2逆變器自由頻率密切相關(guān)，令 (9)扇區(qū)N=1（1） N=2（）N=3（）N=4（）N=5（）N=6（）PWM1(TCOM1)PWM2(TCOM2)PWM3(TCOM3)圖9 開關(guān)切換時(shí)間和PWM波形的調(diào)制4. PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)完成PWM波形調(diào)制后整個(gè)SVPWM控制算法即可實(shí)現(xiàn)，仿真模型建立完畢。整個(gè)PMSM控制系統(tǒng)仿真模型如圖10。逆變器和PMSM本體模型參考matlab自帶模型，本文研究控制算法，且PMSM的d軸和q軸變換和的狀態(tài)方程已給出，本文不再詳細(xì)討論。下面將進(jìn)一步設(shè)計(jì)兩個(gè)PI控制器參數(shù)5,6。圖10 PMSM控制系統(tǒng)仿真模型4.1 內(nèi)環(huán)PI參數(shù)由于PMSM采用雙閉環(huán)控

7、制，首先需要確定內(nèi)環(huán)參數(shù)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。在PI控制器設(shè)計(jì)時(shí)，它時(shí)一個(gè)典型系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖11。圖11 PMSM電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖定義為電流PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，是比例系數(shù)，為積分系數(shù)。在工程設(shè)計(jì)中，由和積分時(shí)間常數(shù)決定，。根據(jù)PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法 , 選擇電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消被控對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)。所以。根據(jù)上述分析，代入的值，得電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù) (10) 式中，為PWM工作周期，本文PWM頻率設(shè)置為2.5kHz，周期為0.0004s，為電流環(huán)濾波常數(shù)，周期為40us。由于和都很小，可以用可用一個(gè)時(shí)間常數(shù) 的一階環(huán)節(jié)代替這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)，。于是電流環(huán)開環(huán)函數(shù)變

8、為一個(gè)典型型系統(tǒng)。 (11)式中，。根據(jù)式(11)，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (12)由二階系統(tǒng)最優(yōu)指標(biāo)，求出PI調(diào)節(jié)器各參數(shù)為 (13)式中，為直軸或d軸電感，為8.5mH，為定子電阻，為2.875。求出，。4.2 外環(huán)PI參數(shù)在設(shè)計(jì)速度環(huán)時(shí)， 可以把電流環(huán)作為速度控制系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)， 電流環(huán)是一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，由于速度環(huán)的截止頻率較低，因此可以忽略電流環(huán)高次項(xiàng)，對(duì)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行降階處理，降階后電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為： (14)所以速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖等效如下：圖12 PMSM速度環(huán)等效傳遞函數(shù)框圖同樣定義為速度 PI 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為速度環(huán)PI控制器比例系數(shù)，為速度環(huán)PI控制

9、器積分系數(shù)。由于圖12中和（轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間，為2ms）很小，同樣可以將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，此時(shí)有，由此可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （15）式中， 是額定轉(zhuǎn)矩與額定電流的比值。本文中，。令,則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （16）按照典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI控制器，對(duì)于典型型系統(tǒng)的參數(shù)按照閉環(huán)系統(tǒng)的最小幅頻特性峰值來確定，中頻帶寬 h一般取 5為最佳的選擇。此時(shí)有 （17） 根據(jù)上述分析和推導(dǎo)，有 （18）式中，。代入數(shù)據(jù)得 ，。仿真時(shí)，電機(jī)直流側(cè)的電壓設(shè)置為220V，其它參數(shù)為上面文章所述，本文的主要仿真結(jié)果如下：(a)定子磁鏈軌跡 (b)輸出轉(zhuǎn)矩 (c)輸出轉(zhuǎn)速 (d)三相電流(e)三相電壓參考文獻(xiàn)：1 徐衍亮. 電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究D. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2001, 40: 13-17.2 張春喜, 孫立軍, 朱建良, 等. 永磁電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)J. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2005, 9(1).3 楊立永, 張?jiān)讫? 陳智剛, 等. 基于參數(shù)辨識(shí)的 PMSM 電流環(huán)在線自適應(yīng)控制方法J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(3): 86-91.4 楊明, 牛里, 王宏佳, 等. PMSM 矢量控制系統(tǒng)的精確仿真研究J. 電氣傳