同步电机模型的MATLAB仿真

同步电机模型的MATLAB仿真

摘要

采用电力电子变频装置实现电压频率协调控制，改变了同步电机历来的恒速运行不能调速的面貌，使它和异步电机一样成为调速电机大家庭的一员。本文针对同步电机中具有代表性的凸极机，在忽略了一部分对误差影响较小而使算法复杂度大大增加的因素（如谐波磁势等），对其内部电流、电压、磁通、磁链及转矩的相互关系进行了一系列定量分析，建立了简化的基于abc三相变量上的数学模型，并将其进行派克变换，转换成易于计算机控制的d/q坐标下的模型。再使用MATLAB中用于仿真模拟系统的SIMULINK对系统的各个部分进行封装及连接，系统总体分为电源、abc/dq转换器、电机内部模拟、控制反馈四个主要部分，并为其设计了专用的模块，同时对其中的一系列参数进行了配置。系统启动仿真后，在经历了一开始的振荡后，各输出相对于输出时间的响应较稳定。

关键词：同步电机 d/q模型 MATLAB SIMULINK 仿真。

The Simulation Platform of Synchronous Machine by MATLAB

Abstract:

The utilization of transducer realizes the con

永磁同步电机的仿真模型

1、永磁同步电机介绍

永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波\定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩\旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等\而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等\凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法

目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（ field orientation control,FO

永磁同步电机的仿真模型

1、永磁同步电机介绍

永磁同步电动机(permanent Magnets synchronous Motor, PMSM),转子采用永磁材料,定子为短距分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波\定子绕组通过控制功率管(如IGBT)的不同开关组合,产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间夹角,以产生最大的电机转矩\旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定,PMSM具有直流电动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服系统和高性能的调速系统。

永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数不相等\而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的,直轴和交轴电感参数相等\凸极式转子具有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。

2、永磁同步电机的控制方法

目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量控制技术（ field orientation control,FO

摘 要

本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

I

ABSTRACT

In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)

摘 要

本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

ABSTRACT

In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), gives a explanati

摘 要

本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

I

ABSTRACT

In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)

摘 要

本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。

永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。

关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。

I

ABSTRACT

In the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)

同步电机的基本方程式及数学模型

派克方程

1.1理想电机假设

（1）电机磁铁部分的磁导率为常数，因此可以忽略掉磁滞、磁饱和的影响，也不计涡流及集肤效应作用等的影响；

（2）定子的三个绕组的位置在空间互相相差120°电角度，3个绕组在结构上完全相同。同时，他们均在气隙中产生正弦分布的磁动势；

（3）定子及转子的槽及通风沟等不影响电机定子及转子的电感，因此认为电机的定子及转子具有光滑的表面；

为了分析计算，还需要设定绕组电流、磁链正方向。

1.2abc坐标下的有名值方程

同步电机共有6个绕组分别为：定子绕组a,b,c，转子励磁绕组f，转子d轴阻尼绕组D以及转子q轴阻尼绕组Q。需要求出每个绕组的电压、电流和磁链未知数，因此一共需要18个方程才能求解。 电压方程：

?ua?p?a?raia??ub?p?b?rbib?u?p??riccc?c?uf?p?f?rfif??uD?p?D?rDiD?0?u?p??ri?0QQQ?Q

D绕组与Q绕组均为无外接电源闭合绕组，因此电压均为0，从而上式中一共有8个方

程。

磁链方程：

??a??LaaLabLacLaf?????b??LbaLbbLbcLbf??c??LcaLcbLccLcf??????f??LfaL

Ansoft Maxwell 14 永磁同步电机仿真步骤总结

首先是建立一个RMxprt文件，选择电机类型为下图的 Permanent-MagnetSynchronous Motor

只要按照下面的参数输入即可

磁钢材料NTP264H要自己定义

Danper是怎么出来的?要右键”Rotor’ ,选择 Insert Danper，就可以了

一键导入到maxwell14 2D瞬态场 里去分析即可，右键Analysis setup 的creat Maxwell design ，auto setup 要打勾

导入模型如图，是1/4模型（导入整个模型的方法？ 加注fragnet 1）

因为是1/4模型 ，所以要设置一个 Symmetry Multiplier ，右键”model”,就可以看到，设置如

PMSM电机在旋转dq坐标系中定子电压和定子磁链方程为

ud

Rsid d d q

dt

uq

Rsiq d q d

dt

d Ldid f q

Lqi

qud,uq为d、q轴的定子电压；

Ld，Lq为d、q轴的电枢电感，对于隐极电机来说Ld=Lq=L； id，iq为d、q轴的电枢电流；

d， q为d、q轴的定子磁链；

Rs为电枢绕组电阻；

f为永磁铁产生的磁链，为常量；

为电机电角速度，有 p r，p为电机的极对数， r为电机转子角速度；由式（1）推出：

did1

dt Rs

Lid p riq L

ud diq p i Rs fp1 dt

rdLiq L r LuqPMSM电机在旋转dq坐标系中电磁转矩方程为

Te 1.5p diq qid

1.5p Ld Lq idiq fiq 1.5p fiq

PMSM电机的转子动力学方程为

T r

e Tm b r J

ddt

Te为电机的电磁转矩； Tm为电机的负载扭矩；

b为电机的阻尼系数； J为电机的转动惯量；

(1)

(2)

(3)

(4)

由式（3）式（4）可以推出

Td r1.5p f b

iq r m dtJJJ

(5)

状态方程为

X

AX Bu C

id选取X