永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究

永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究　林

　海　李　宏　林　洋　李　伟

中图分类号:TM341　　　　　　文献标识码:A　　　　　　文章编号:100126848(2006)0820043203

永磁同步电机矢量控制系统仿真与建模研究

林　海,李　宏,林　洋,李　伟

(西北工业大学,西安　710072)

摘　要:分析了永磁同步电机(PMSM)的数学模型,在此基础上提出了PMSM矢量控制系统仿真建模新方法,在matlab615/simlink环境下,建立了速度控制模块、坐标变换模块、SPWM控制模块,并与PMSM本体模块和电压逆变模块有机组合,建立了PMSM控制系统的速度和电流双环仿真模型。仿真实验结果表明该方法有效,PMSM控制系统的设计和调试提供了新的思路.

关键词:永磁同步电机;;;PMSMVectorControlSystemBasedonMatlab615

LINHai,LIHong,LINYang,LIWei

(NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xiπan,710072,China)

ABSTRACT:Inthispaper,basedonthemathematicalmodelofthepermanent2magnetsychronous2mo2tor(PMSM),anewwayofPMSMvectorcontrolsystemmodelhasbeentakenon.Inmatlab615/sim2link,theisolatedfunctionalblocks,suchasspeedcontrollerblock,vectorcontrollerblock,coordinatetransformblock,SPWMblocketc.hasbeenmodeled.TherearesomeblockssuchasPMSMblock,voltageinverterblockwhichareprovidedbymatlab615/simlink.Bytheorganiccombinationoftheseblocks,adoubleloopofcontrolsystem,thespeedloopandacurrentloopareestablished.Thevalidityhasbeentestifiedbythesimulationresultsandothercontrolstrategiescanbeappliedtothesystemtotestifytheirrationality.ThisnovelmethodoffersanewthoughtwayforPMSMcontrolsystemdesig2ninganddebugginginactualapplication.

KEYWORDS:PMSM;Vectorcontrol;Simulation;Modeling;Doubleloop

1)三相绕组完全对称,气隙磁场为正弦分布,

定子电流、转子磁场分布对称;

2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等影响;3)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;4)磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗;

0　引　言

随着高性能永磁材料、电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的发展,永磁同步电机(PMSM)的应用领域不断扩大。由于对电机控制的要求越来越高,同时对PMSM数字化研究提出了更高的要求,因此,如何建立有效的仿真模型越来越受到人们的关注。

则电机三相绕组的电压平衡方程式可表示为:

UaUb

Uc

r

r

1　永磁同步电机数学模型

以两相导通星形三相六状态为例,分析PMSM的数学模型及转矩特点。为了方便分析,做以下假设。

收稿日期:2006204226修改日期:2006209227

=00

ia0

0ib+i0

L-M

00

iaea00

L-M0

pib+eb

0L-ice(1)

式中,Ua、Ub、Uc为定子相绕组电压(V);ia、

ib、ic为定子相绕组电流(A);ea、eb、ec为定子相绕组电动势(V);L为每相绕组自感(H);M为每两相绕组间的互感(H);p为微分算子,为d/dt。

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微电机　2006年　第39卷　第8期(总第155期)

定子绕组产生的电磁转矩表达式为:

Te=(eaia+ebib+ecic)/ω式中,ω为电机机械角速度。

(2)

运动方程为:

ω(3)Te-TL-Bω=J dω/dt=J np

式中,Te为电磁转距;TL为负载转距;B为阻尼系数;J为电机转动惯量;np为极对数。

为了简化数学模型,引入空间坐标系统的概念。主要有:定子静止坐标系统,包括定子静止三

β相a、b、c坐标系统和定子静止两相α、、0坐标

系统及转子d、q、0坐标系统,如图1和图2

。

图3　PMSM控制系统仿真系统框图

4　图5　速度控制模块结构框图

β坐标系图1　定子三相静止a、b、c和定子两相静止α、

下的两相电流id、iq等效转换为定子静止三相坐

标系a、b、c下的三相电流ia、ib、ic。坐标变换基本原理如图1和图2。d、q、0向a、b、c变换的公式如下:

iaib

β和转子d、q、0坐标系图2　定子两相静止α、ic

θcos

θ-)cos(=3

θ-)cos(

3θ

-sinθ-)-sin(

3θ-)sin(

3

111

idiq

i0

(4)

2　控制系统模型的建立

在分析PMSM数学模型的基础上,提出建立PMSM矢量控制系统仿真模型的方法。系统设计框图如图3所示。

PMSM矢量控制系统仿真建模采用双闭环控制方案。转速环由PI调节器组成,电流环由电流滞环控制器构成。模块有:速度控制模块、坐标变换模块、SPWM模块、电压逆变模块和PMSM本体模块。见图4。211　速度控制模块

式中,θ为转子位置。

公式中包含零序电流分量。坐标变换模块结构可用Matlab函数模块实现。213　SPWM模块

速度控制模块如图5所示。输入为参考转速与实际转速的差值,输出为q相的电流参考值iq2ref。其中,Kp为PI控制器的比例参考参数,Ki为PI控制器的积分参考参数。saturation为饱和限幅模块。它将输出限定在要求的范围之内。212　坐标变换模块

正弦脉宽调制(SPWM)是按照矢量控制原理,

通过电流滞环达到对逆变器控制。输入为三相实际电流ia、ib、ic和三相参考电流iaref、ibref、icref,输出为三相桥臂逆变器功率开关器件的6组控制信号。

当三相实际电流经过惯性环节校正后三相参考电流进行比较,其差值大于滞环比较器所定义的滞环宽度时,逆变器所对应的功率开关器件正向导通,负向关断;反之,差值小于滞环宽度时,功率开关器件状态不变。这样,实际电流不断跟踪参考电流的波形,实现了对电流的闭环控制。其结构框图如图6。

214　电压逆变模块

坐标变换模块实现转子两相旋转坐标系d2q

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电压逆变模块利用Matlab615/Simlink的SimPowerSystemToolbox213所提供的逆变器通用模

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伟

=1N m。得到系统转速、定子三相电流、转矩

仿真曲线如图7。

图6　SPWM逆变器控制模块结构框图

块,输入为SPWM模块给出的6组控制信号,输

出为三相相电压。该逆变器模块,有6个IGBT功率开关器件,反向并联续流二极管,模块给出的6通与关断,215　PMSM图7　系统响应曲线

利用Matlab615/Simlink的SimPowerSystem

Toolbox213所提供的PMSM模块和输出测量模块,PMSM模块输入为三相电压和负载转矩。其参数可以自行设定。具体参数有:定子电阻R(Ω)、交直轴定子电感Ld(H)、Lq(H)、转子磁场磁通λ(Wb)、电机转动惯量J(kg m2)、粘滞摩擦系数B(N m s)、极对数p等。输出测量模块中,具体输出可以自行选择。其输出向量为:

123:定子相电流ia(A)、ib(A)、ic(A)425:定子交直轴电流id(A)、iq(A)627:定子交直轴电压Ud(A)、Uq(A)8:转子速度ωm(rad/s)9:转子位置角θ/rad10:电磁转矩Te(N m)

由仿真波形可以看出,在额定转速nN=

1500r/min的参考转速下,系统带负载起动响应快速,稳态运行时转速无静差,定子三相电流和转矩在电机转动开始波动较大,但很快稳定在设定值。系统稳定运行,具有较好的静态和动态特性。

4　结　论

1)波形符合理论分析,系统运行稳定,具有较

好的静、动态特性。

2)为保证起动过程达到设计要求,既要根据PMSM数学模型选择和设计合适的仿真模型,又要合理设定仿真参数。

3)采用该PMSM矢量控制系统仿真模型,可快捷验证控制算法,也可对其进行简单修改或替换,完成控制策略的改进,通用性较强。

3　仿真结果

根据建立的PMSM矢量控制系统的仿真模型,在Matlab615/Simlink环境下进行仿真。电机参数设定为:电机功率P=2kW,直流电压Udc=800V,定子绕组电阻R=2187Ω,定子d相绕组电感Ld=010085H,q相绕组电感Lq=010085H,转子磁场磁通λ=01175Wb,粘滞摩擦系数B=0N m s,转动惯量J=010008kg m2,额定转速nN=1500r/min,极对数p=4。

为了验证所设计的PMSM仿真模型的静、动态性能,设定仿真总时间为0105s,系统在t=0s时负载转矩TL=3N m起动,在t=0104s时TL

参考文献

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统的仿真建模[J].系统仿真学报,2004,(16):8982901.

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电机,2004,37(4):44247.

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电机,2004,(9).

[4]　董晓鹏,王兆安.永磁交流电机的运动控制[C].CAVDπ97.

海南:中国金属学会,1997,30235.

作者简介:林　海(1978-),男,硕士,主要从事控制理论及应用研究。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3611.html