工学]基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真

工学]基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真内容摘要：

静止与同步坐标系 定子静止两相 0 坐标系统到转子 dq0 坐标系统的坐标变换为 00dq pa rkfff T fff     （ ） 其中 park 变换阵为 c os si n 0si n c os 00 0 1eepa rk e eT （ ） 由此 ， 可得三相永磁同步电机在转子 dq0 坐标系统下的磁链方程和电压方程为 0000 0 10 0 10 0 0dddq q q fsiLLiL i                         （ ） 00 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 10 0 0 0 0 0d d d ddqq q q q e d q e fsu i i iLLu r i L p i L iLu i i i                                                               （ ） 11 式中 ， e 一转子机械角速度。 在本系统中 ， 三项永磁同步电机定子绕组采用星形连接 ， 三相定子电流在电枢绕组中性点满足基尔霍夫电流定律 ， 即三相电流相加等于零 ， 因此定子电流的零序分量等于零 ， 可以计算得定子磁链和定子电压的零序分量也等于零 [12]。 因此 ， 三相永磁同步电机在转子 dq0 坐标下的磁链方程和电压方程就可以简化为 000dddfqqqiL L i                  （ ） 0000 0d d d dd qrrqfq q q qdu i i iL Lrp Lu i i iL                                 （ ） 即： d d d fq q qLiLi d d d r qq q q r du ri pu ri p         由此可见 ， 三相永磁同步电机必须建立在转子 dq0 坐标系统下才能实现角度解耦。 永磁同步电机的控制策略 永磁同步发电机 调速系统 常用的矢量控制策略有 [13]： （ 1） d 0I  控制； （ 2）最大转矩电流比控制： （ 3）单位功率因数控制； （ 4） 最小损耗控制等。 每种控制策略都有其优缺点 ， 但 是针对永磁同步电机不同控制目标下的矢量控制策略进行比较分析 ， 目前最常用到的控制策略主要是 d 0I  电流控制。 d 0I  的 12 控制称为磁场定向控制 ， 这种控制方法简单 ， 计算量小 ， 没有电枢反应中电机的去磁问题 ， 因此应用的比较广泛 [14]。 d 0I  电流控制旨在将永磁同步电机 d 轴电流控制为零 ， 是永磁同步电机最常用的控制策略。 将代入永磁同步电机 转矩方程有： sT f sqpi （ ） 因为电机的所有电流都用来产生电磁力矩 ， 控制效率较高。 其缺点是随着输出端转矩的增加 ， 电机的端电压增加较快 ， 功率因此下降 ， 于是对逆变器的容量要求有所提高 ， 无法充分利用电机的磁阻转矩 ， 不能发挥其输出转矩的能力。 假定转子磁场恒定 ， 则电磁转矩 Te 与 q 轴电流 Isq成正比 ， 即电磁转矩与定 子电流呈线性关系 ， 从而使电机的转矩控制环节得到简化 ， 这 是 Isd=0 控制的优点 ，在已知转矩指令 Te* 时 ， 电机 dq 轴电流指令分别如下： ***023sdssqfiTiP   () 于是得到永磁同步电机稳态控制方程： sd s sd sq sqsq s sq fu R i L iu R i   （ ） 要使实际电流跟随给定参考值 ， 上式中还加入反馈控制量。 下面以比例积分PI 调节为例 ， 于是得系统最终控制方程式： ****( ) ( )( ) ( )s d s s d s q s q p s d s d i s d s ds q s s q f p s q s q i s q s qu R i L i k i i k i i dtu R i k i i k i i dt            () 采用控制方法是基于转子磁通定向的矢量控制方法 ， 这种控制方法比较简单 ，其突出的优点是没有电机直轴电枢反应 ， 不会引起电机永磁体的去磁现象 ， 并且可以实现电机最大转矩电流比控制 [15]。 不足之处是没有考虑电机效率和功率因数等问题。 本章小节 本章从永磁同步电机结构 调速系统结构出发 ， 建立了永磁同步电机在三种坐 13 标系下的磁链和电压方程 ， 分别是 ABC 坐标 系 ， 0 坐标 系 ， dq0 坐标系 ， 以及三种坐标系下的坐标变换 ， 并初步简单的介绍了下关于永磁同步电机的控制策略主要常用的是 d 0I  电流控制。 14 第三章 永磁同步电机 矢量控制及 空间矢量脉宽调制 引言 矢量控制是交流电机的一种高性能控制技术 ， 其基本思想是根据坐标变换理论将交流电机两个在时间相位上正交的交流分量转换为空间上正交的两个直流分量 ， 从而把交流电机定子电流分解成励磁分量和转矩分量两个 独立的直流控制量[16]， 分别实现对电机磁通和转矩的控制 ， 然后再通过坐标变换将两个独立的直流控制量还原为交流时变量来控制交流电机 ， 大大提高了调速的动态性能。 根据第 二 章推导的永磁同步电机运动学方程式可以知道 ， 对传动系统的转速进行控制是通过对电机转矩控制与调节实现的 ， 电机转矩控制是交流电气传动系统的控制核心。 在矢量控制系统中 ， 通过对永磁同步电机的直 轴 电流和交流电流控制就能控制电机的转矩 ， 而电机的交直轴电流可以有不同的组合方式 ， 这就有了永磁同步电机的不同 的 矢量控制。 本章对用于永磁同步电机矢量控制 和空间矢量的调制 （ SVPWM） 技术深入研究并 建立 了 SVPWM 模块 [17]。 永磁同步电动机的矢量控制 矢量控制思想是 1971 年由德国 Blaschke 等人提出的 ， 首先是应用在感应电机中。 从那时起人们运用矢量控制理论为改善 IM 的伺服驱动性能做了大量研究。 矢量控制的原理和方法同样可以应用于三相永磁同步电动机 PMSM。 可以说 ， 正是因为运用了矢量控制理论 ， 才使 PMSM 的伺服驱动性能达到直流电动机的水平 ，甚至超过了直流电动机。 众所周知 ， 在他励直流电动 机中，励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度由电刷和机械换向器所固定， 通常情况下 ，两 者正交。 因此，当励磁不变时，电枢电流和电磁转矩间存在线性关系， 通过单独调节电枢电流可以直接控制转矩。 为使电动机在高速区能以恒功率方式运行 ， 还可以单独调节励磁 ，进行弱磁控制。 正是因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩 ， 直流电动机才在电气传动系统中得到了广泛的应用 [18]。 在同步电动机中 ， 励磁磁场与电枢磁动势间的空间角度不是固定的 ， 它随负载而变化 ， 特别在动态情况下 ， 这将会引起磁场间十分复杂的作用关系 ， 因此也就不能简单地通过调节定子电流来控制转矩。 倘若能够利用电动机外部的控制系统 ， 即通过外部条件能对定子磁 动势相对励磁磁动势的空间角度实施定向控制 ，就可以直接控制两者间的空间角度。 我们将此称为“角度控制”。 若对定子电流幅 15 值也能独立地直接控制 ， 就将永磁同步电动机模拟为他励直流电动机。 这实际是对定子电流空间矢量相位和幅值的控制 ， 所以称之为“矢量控制” [19]。 永磁同步电动机的矢量控制与异步电动机、电励磁同步电动机一样 ， 都是一种基于磁场定向的控制策略 ， 只是前者转子永磁体所提供的磁场恒定 ， 加之其结构和参数各异 ， 故控制方法和其 它 电机也有所不同。 同步电动机按照磁链定向控制的方法分类可以分为四种控制方案 ： 转子磁链定向控制 ， 定子磁链定向控制 ，气隙磁链定向控制和阻尼磁链定向控制。 根据  角 (定子电流 si 相对 r 的空间角度 )的控制范围 ， 矢量控制有三种形式。 (l) 90 方式。 在这种方式下 0di  ， qsii ， 转矩表达式变为 ： em qT Ki。 电磁转矩仅仅依靠交轴电流与 qi ， 从而实现了力矩表达式中的交、直轴电流解 耦 ， 达到了矢量控制的目的。 永磁同步电动机的电流磁势与励磁磁势正交 ， 当磁路为线性时 ， 定子电枢电流对转子励磁磁场既无助磁作用也无去磁作用 ， 永磁同步电动机的电磁转矩与电枢电流交轴分量成正比 ， 且电动机的转矩系数最大。 (2) 90 180 方式。 在这种方式下 sin 0dsii ， cos 0qsii ， 定子电枢绕组电流存在直流分量 ， 且该直流分量对永磁体的励磁磁场有去磁作用 ， 永磁同步电动机伺服系统工作在基速以上时 ， 可以在该方式控制下实现弱磁升速控制。 (3) 0 90 方式。 在这种方式下 ， sin 0dsii ， cos 0qsii 电枢绕组电流存在直轴分量 ，且该直轴分量对转子励磁磁场有助磁作用 永磁同步电动机工作在该方式下可在一定程度上提高其输出 转矩 [20]。 凸极永磁同步电机组成的伺服驱动系统中 ， 可以灵活地利用磁阻转矩。 例如 ，在基速以下恒转矩运行区中 ， 控制  角 ， 使其在 90 180 范围内 ， 就可以提高转矩值。 在恒功率运行区 ， 通过调整和控制  角可以提高输出转矩和扩大速度范围。 空间矢量脉宽调制概念 从原理上讲 ， SVPWM 以三相对称正弦波电压供电时交流电机产生的理想圆形磁链轨迹为基准 ， 用逆变器不同的开 关 模式产生的实际 电 机产生的理想圆形磁链 16 轨迹为基准 ， 用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁链圆 ， 从而达到较高的控制性能 [21]。 由于逆变器产生的矢量数目有限 ， 不能产生角度连续变化的空间矢量 ， SVPWM 方法通过 8 个基本空间矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量 ， 并根据各自作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量 outU ， 其原理图如图31 所示。 6U (110)outIIIIII4(100)U5(101)U1U 001（ ）3U 011（ ）2U 010（ ）IVVIV 图 31 SVPWM 向量和扇区 对于任意空间矢量 outU 时 ， 假设位于第 I 扇区 ， 把它沿 4U 、 6U 的方向分解。 设 PWM 的周期为 T， 在 T 内 4U 导通时间为 4T ， 6U 导通时间为 6T ， 0U 或 7U ， 导通时间为 0T ， 可得： 4 4 6 6 00*outU T U T U T T   同时将 outU 分解为  平面上的两个空间矢量 U 和 U ， 并考虑到功率不变条件下坐标变换虽然有变换前后两个系统功率不变的优点 ， 但 由于三相系统与二相系统的绕组匝数不等 ， 应用空间矢量计算时应把它在各相坐标轴上的投影再乘于 23。 从图 31 我们可以得到： 4 4 6 6662 c os 6032 si n 603U T U U U TU T U T   由 上 式就可以求得： 17 4632( ) /222/dcdcT U U T UT U T U  SVPWM 调制模式采用连续开关调制模。