基于Simulink的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究

引言

永磁同步電機(jī)作為一種新型的電機(jī)，在結(jié)構(gòu)上去掉了電刷和換向器，運(yùn)行可靠性較高；而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子無(wú)損耗E。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制是交流伺服系統(tǒng)中使用較為廣泛的一種控制方式。其基本原理是通過(guò)坐標(biāo)變換，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步坐標(biāo)軸系上將電機(jī)定子的電樞電流分解為磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流并分別控制，使交流電機(jī)具有和傳統(tǒng)直流電機(jī)同樣優(yōu)良的運(yùn)行性能。本文對(duì)基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制進(jìn)行了理論分析與研究，運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)其調(diào)速運(yùn)行進(jìn)行了建模與仿真。

1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的解耦,通常采用dqO坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型，這樣便于分析永磁同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。本文是根據(jù)Matlab7.0版本中的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行研究的。

式中，id.iq分別為定子電流的直軸分量和交軸分量，切、丄分別為定子電感的直軸分量和交軸分量瑚為極對(duì)數(shù),R為定子電阻，叫為轉(zhuǎn)子角速度，入為電機(jī)磁鏈。

在dqO坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，第一項(xiàng)稱(chēng)為永磁同步電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)矩,第二項(xiàng)稱(chēng)為磁阻轉(zhuǎn)矩。

永磁同步電機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

式中，J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)為摩擦系數(shù)，。為轉(zhuǎn)子的角度，T.為電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

2矢量控制原理

矢量控制又稱(chēng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制,磁場(chǎng)定向控制按同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系定向方式可分為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向、氣隙磁場(chǎng)定向和定子磁場(chǎng)定向。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向可以得到自然的解耦控制，在實(shí)際系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用口:。永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制框圖如圖1所示。

圖1是一個(gè)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，主要由轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)及速度檢測(cè)模塊、坐標(biāo)變換模塊、位置速度電流控制器、SPWM模塊、整流和逆變模塊等組成。

控制過(guò)程為：給定速度信號(hào)與通過(guò)位置傳感器檢測(cè)計(jì)算得到的速度信號(hào)3比較，經(jīng)速度控制器調(diào)節(jié)，輸出諾指令信號(hào)，作為q軸電流控制器給定信號(hào)；d軸電流控制器的給定信號(hào)為0。電流采樣得到的三相定子電流毎、布、毎,通過(guò)Clark坐標(biāo)變換化為的坐標(biāo)系兩相電流ia和*,再通過(guò)Park坐標(biāo)變換后得到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流值姦、諾，分別作為d軸和q軸電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入,通過(guò)比較元件得到兩者的偏差，分別輸入到d軸和q軸的電流控制器，經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出電壓Md'Ug,再經(jīng)過(guò)Park坐標(biāo)逆變換和Clark坐標(biāo)系逆變換得到&、啊、經(jīng)SPWM模塊輸出六路PWM,驅(qū)動(dòng)IGBT產(chǎn)生頻率和幅值可變的三相正弦電壓輸入永磁同步電機(jī)。

3仿真模型的建立

Matlab下的Simulink和SimpowerSystems包括各種功能模塊,容易實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真建模，直觀而且無(wú)需編程，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)從方案論證到硬件設(shè)計(jì)更為便捷，大大縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)間。在Matlab7.0的Simulink環(huán)境下，搭建了采用id=0的矢量控制雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型。PMSM系統(tǒng)建模仿真的整體結(jié)構(gòu)包括PMSM本體和三相電壓型逆變器模塊(Simulink的SimpowerSystems庫(kù)中已提供)、坐標(biāo)變換模塊以及SPWM生成模塊，按照轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向原理搭建的PMSM控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

4仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)所建立的永磁同步電機(jī)矢量控制的仿真模型，在Matlab7.O/Simulink環(huán)境下運(yùn)行，采用的力矩電機(jī)參數(shù)如下:直流側(cè)電壓Udc=200V,定子繞組電阻Rs=0.85Q,d軸電感Ld=3.3mH,q軸電感L9=3.3mH,電機(jī)磁鏈A=0.068Wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.8X10一"kg?m2，極對(duì)數(shù)會(huì)=12。

設(shè)定仿真總時(shí)間t=0.4s,負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5N?m,初始速度為200rad/s,在t=0.2s時(shí)的速度將變?yōu)?00rad/so調(diào)節(jié)PI參數(shù)，得到電機(jī)的相電流、角速度、電角度、轉(zhuǎn)矩等波形如圖3所示。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)出一種基于Simulink工具箱的PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真建模，采用雙閉環(huán)調(diào)速方法，通過(guò)仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)能平穩(wěn)運(yùn)行,具有良好的靜、動(dòng)態(tài)特性，可達(dá)到與直流電機(jī)近似的控制效果。采用該P(yáng)MSM仿真模型可以便捷地實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證id=0控制算法，同時(shí)也為實(shí)際PMSM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試提供了有效途徑。

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