PAGE1永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真研究摘要本課題重點(diǎn)研究了永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)的基本原理，探討了id=0控制方式機(jī)理，選用MATLAB/SIMULINK仿真軟件，并建立雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)仿真模型，將兩種控制方式結(jié)合進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。最后，通過對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證了其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和速度控制特性。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；SVPWM；id=0；矢量控制目 錄緒論 1永磁同步電機(jī)控制方式 1建立不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 2在三相靜止坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型 2在兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型 4永磁同步電機(jī)矢量控制方法介紹與研究方向 6 7轉(zhuǎn)速環(huán)模塊設(shè)計(jì) 7電流環(huán)模塊設(shè)計(jì) 7Clark模塊設(shè)計(jì) 8Park模塊設(shè)計(jì) 9AntiPark模塊設(shè)計(jì) 9SVPWM模塊 94.6.1扇區(qū)判斷 94.6.2非零矢量和零矢量作用時(shí)間 104.6.3扇區(qū)矢量切換點(diǎn)的確定及PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊 13測(cè)量模塊 15永磁同步電機(jī)矢量控制模型的建立與仿真結(jié)果 16仿真模型建立 15電機(jī)的參數(shù)設(shè)定和計(jì)算 15仿真條件與結(jié)果 15轉(zhuǎn)速波形 18 18三相電流波形 17簡(jiǎn)要分析 18結(jié)論 19參考文獻(xiàn) 20緒論永磁同步電機(jī)作為一種極具發(fā)展前景的節(jié)能環(huán)保型電機(jī)，在生活日常中無處不在，，其最初主要運(yùn)用于船舶的自動(dòng)駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到更多的領(lǐng)域，例如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，尤其在交通運(yùn)輸工具中運(yùn)用最為廣泛，例如新能源汽車、地下鐵路還有鐵路等。PMSM作為一種電能轉(zhuǎn)換裝置，已成為各個(gè)領(lǐng)域和人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕M成部分，為國(guó)家發(fā)展也有著巨大的貢獻(xiàn)。近些年來科學(xué)技術(shù)在不斷的發(fā)展與進(jìn)步，國(guó)內(nèi)的相關(guān)科研院及各大高校紛紛投入時(shí)間和精力開始研究電機(jī)控制系統(tǒng)，高性能的永磁體也被不斷發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，并且廣泛應(yīng)用，使得新型的電機(jī)控制技術(shù)理論方面取得就較為豐碩的成果，電機(jī)的控制性能得到了極大的提升，但是與國(guó)外相比較，在一些主要的指標(biāo)如：怎樣解決惡劣環(huán)境對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的影響等關(guān)鍵技術(shù)還是缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。各種電機(jī)中發(fā)展最快最迅速的就是永磁同步電機(jī)了。它與傳統(tǒng)的交流同步電機(jī)相比較，具有體積小、輕便、操作十分簡(jiǎn)單等等的特點(diǎn)，所以在各個(gè)領(lǐng)域得以越來越多的應(yīng)用和推廣，因此對(duì)永磁同步電機(jī)的研究有著重要的意義和價(jià)值。本文針對(duì)這樣的一個(gè)背景情況下，研究并驗(yàn)證了PMSM矢量控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，并通過建立數(shù)學(xué)模型和矢量控制模式，確定設(shè)計(jì)思想，搭建仿真模型，并且根據(jù)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果，證明矢量控制系統(tǒng)在PMSM各種控制系統(tǒng)中具有超越其他控制方式的優(yōu)良的性能。1．永磁同步電機(jī)控制方式目前PMSM控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越的性能一般都采用較復(fù)雜的控制方式進(jìn)行控制，控制的方式大致可分為兩種，第一種方式是對(duì)電機(jī)使用變壓變頻控制，第二種方式是對(duì)電機(jī)使用自動(dòng)式變頻控制。在兩種控制方式中更為常用的是第二種控制方式。自動(dòng)式變頻控制中包含著兩種不同的控制方式，分別是直接轉(zhuǎn)矩控制方式和矢量控制方式。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是調(diào)速系統(tǒng)中比較成熟的控制技術(shù)，在PMSM調(diào)速系統(tǒng)中，矢量控制是一種相對(duì)更好的控制技術(shù)，在近些年得到飛速的發(fā)展，本課題采用矢量控制方案，此方案能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)的解耦控制，控制簡(jiǎn)單、獲得類似直流電機(jī)的調(diào)速性能 。相對(duì)于其它控制系統(tǒng)的電機(jī)，永磁同步電機(jī)采用矢量控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、寬范圍運(yùn)行，還可以使電磁力矩變得平穩(wěn)，比其他控制方式相更為優(yōu)秀，所以才會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。矢量控制方式也有好幾種，最常見的有id=0控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是與其它控制方法相比簡(jiǎn)單，并且也能擁有良好的性能而且可以適用于高性能的場(chǎng)合當(dāng)中。用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制方法可以有效地減少電機(jī)的銅耗，但其操作非常復(fù)雜，而且控制的時(shí)候計(jì)算量太大了，超出現(xiàn)階段能夠達(dá)到的水平，所以在這里不做研究。cosφ本課題選用id=0控制和雙閉環(huán)控制的矢量控制方式理論，首先需要建立不同數(shù)學(xué)模型，然后探討兩者控制方式的控制機(jī)理，并建立SVPWM逆變器功率開關(guān)管通斷控制模塊，再兩者相結(jié)合進(jìn)行仿真，最后得出結(jié)論。2．建立不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.1．在三相靜止坐標(biāo)系下建立數(shù)學(xué)模型圖1是永磁同步電機(jī)的物理模型，該模型上標(biāo)注一些基本信息，并對(duì)模型加以分析判斷后。為了能使之后的研究順利的進(jìn)行，需要建立在一些理想條件下。對(duì)實(shí)驗(yàn)所需的理想條件進(jìn)行幾點(diǎn)假設(shè)，假設(shè)條件如下：（1）磁飽和對(duì)電機(jī)沒有影響；（2）忽略電機(jī)的阻尼；（3）磁場(chǎng)均為正弦；（4）電機(jī)的齒槽的影響忽略不計(jì)；（5）沒有高次諧波。圖1永磁同步電機(jī)物理模型在假設(shè)的五個(gè)假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行分析和判斷，然后得出三相靜止坐標(biāo)系方程的表達(dá)式：（1）電壓方程為：（1.1）ua，ub，uia，ib，ic，，代表三相磁鏈?zhǔn)请姌欣@組的電阻(2)磁鏈方程為：（1.2）各個(gè)代數(shù)意義如下：，，代表自感；，，，，，代表互感，=====；代表轉(zhuǎn)子磁鏈；θ代表轉(zhuǎn)子磁極位置。通過CLARK變換就能得出在坐標(biāo)系下的方程，如下：（1）電壓方程(1.3)（2）磁鏈方程（1.4）（3）轉(zhuǎn)矩方程（1.5），是定子電壓、電流；是電阻和電感；是轉(zhuǎn)子角速度；是極對(duì)數(shù)。2.2建立兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型圖2為和兩個(gè)坐標(biāo)變換的示意圖，是旋轉(zhuǎn)和靜止坐標(biāo)系在空間上的相位關(guān)系。圖22s/2r坐標(biāo)變換圖從圖2可得出到的變換公式如下：（1.6）其中：為坐標(biāo)系中軸和坐標(biāo)系中軸之間的夾角；為坐標(biāo)系相對(duì)于以旋轉(zhuǎn)角速度同理，可得Park逆變換公式：（1.7）同樣可得從到變化的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如(1.8)所示。（1.8）其逆變換公式如式(1.9)。(1.9)圖3d-q坐標(biāo)系圖旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程：：(2.12)磁鏈方程：(2.13)轉(zhuǎn)矩方程為：(2.14)是實(shí)際定子的角速度；，是定子電感，，是定子電壓；，是轉(zhuǎn)子電流；，是定子磁鏈；是負(fù)載轉(zhuǎn)矩；是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。3.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框架(1)系統(tǒng)框圖由拓?fù)?組成的是調(diào)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器，拓?fù)?組成的是電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器；其余部分如圖中標(biāo)注所示，各個(gè)不同模塊共同構(gòu)成系統(tǒng)框架。圖4系統(tǒng)框圖(2)采用雙閉環(huán)控制；(3)穩(wěn)定性高，具有比較好的抗負(fù)載應(yīng)變性能，可以迅速恢復(fù)，抗干擾的能力強(qiáng)。4仿真設(shè)計(jì)4.1轉(zhuǎn)速環(huán)模塊設(shè)計(jì)工作原理為：根據(jù)電機(jī)實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速的差值，采用PI控制器產(chǎn)生iq命令。積分器是采用梯形法得到的離散時(shí)間積分器，圖中Saturation元件是對(duì)輸出限幅。PI控制算法如下：圖5理想PI控制器圖5為理想的PI控制器，實(shí)際仿真時(shí)一般會(huì)進(jìn)行離散化，增加零階保持器模塊來模擬現(xiàn)實(shí)控制器離散控制的情況，如下圖所示：圖6實(shí)際PI控制器4.2電流環(huán)模塊設(shè)計(jì)工作原理與轉(zhuǎn)速環(huán)大致相同，唯一不同的地方在于PI控制器產(chǎn)生vd、vq命令，而不是 iq命令，其他一樣。PI控制算法如下：圖7理想PI控制器圖7為理想的PI控制器，原理同上，實(shí)際如下圖所示：圖8實(shí)際PI控制器4.3Clark模塊設(shè)計(jì)由上面的數(shù)學(xué)模型所得到的坐標(biāo)變換公式（1.8）通過上面的數(shù)學(xué)公式設(shè)計(jì)模塊內(nèi)的計(jì)算公式方程，然后封裝得到Clark模塊。圖9Clark模塊仿真設(shè)計(jì)模型4.4Park模塊設(shè)計(jì)由上面的數(shù)學(xué)模型所得到的坐標(biāo)變換公式（1.7）通過上面的數(shù)學(xué)公式設(shè)計(jì)模塊里的計(jì)算公式方程，然后封裝得到Park模塊。圖10Park模塊仿真設(shè)計(jì)模塊4.5Anti_Park模塊設(shè)計(jì)由上面的數(shù)學(xué)模型所得到的坐標(biāo)變換公式（1.6）設(shè)計(jì)模塊內(nèi)的計(jì)算公式方程然后封裝得到Park模塊。圖11AntiPark模塊仿真設(shè)計(jì)模塊4.6SVPWM模塊設(shè)計(jì)4.6.1扇區(qū)判斷確定該時(shí)刻的基本電壓矢量。????????在α、β軸上的分量用????、????來分別表示，然后再分別定義三個(gè)變量????????1、????????2、????????3，得到下面方程組：假定有三種不同的變數(shù)A,B,C：若????????1>0,則A=1，否則A=0；若????????2>0,則B=1，否則B=0；若????????3>0C=1，C=0；使N=4C+2B+A,1??????所位于的扇區(qū)。N315462扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ如圖12所示為扇區(qū)選擇的仿真模型圖12扇形選擇4.6.2非零矢量和零矢量作用時(shí)間圖13電壓空間矢量圖平均值等效是SVPWM算法的基本原理。這意味著，基本電壓矢量在一個(gè)開關(guān)周期????中被合并，而且合并的結(jié)果必須使它的平均值與給定電壓矢量大小相等。從圖13中可以看出，在其中任意時(shí)刻，????????停在某一區(qū)域內(nèi)的相鄰的兩個(gè)非零矢量與零矢量在時(shí)間上有不同的組合。比如扇區(qū)Ⅰ。=UU圖14電壓空間矢量合成圖通過上式的計(jì)算可以得出：由圖14可以得出同樣，也可以通過上面的原理，剩余的扇區(qū)矢量的作用時(shí)間如下所示；2各矢量作用時(shí)間若??4??6>????,則需進(jìn)行調(diào)制處理，令TT圖15相鄰矢量作用時(shí)間仿真模型圖16X.Y.Z仿真模型4.6.3扇區(qū)矢量切換點(diǎn)的確定及PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊首先定義：????=(???????4???6)/43扇區(qū)矢量切換點(diǎn)N123456??????1??????????????????????????????2??????????????????????????????3????????????????????????圖174.7測(cè)量模塊可以對(duì)系統(tǒng)中的所有轉(zhuǎn)矩、電角度、三相電流、轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和反饋。圖18測(cè)量模塊仿真設(shè)計(jì)5永磁同步電機(jī)矢量控制模型的建立與仿真結(jié)果5.1仿真模型建立PMSM在MATLAB軟件中的仿真模型設(shè)計(jì)如圖19所示。圖19PMSM仿真模型5.2電機(jī)的參數(shù)設(shè)定和計(jì)算設(shè)定電樞電感為5.25mH，定子電阻為0.96歐，Lq=12mH，Pn=4，，，。 仿真模型各個(gè)參數(shù)的設(shè)定：額定電壓，，，t=0.4s。時(shí)間常數(shù)為：帶寬：選取轉(zhuǎn)速環(huán)帶寬為：電流環(huán)參數(shù)計(jì)算：轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)計(jì)算：5.3仿真條件設(shè)定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速Nref=1000r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩分別設(shè)置兩個(gè)值，其中一個(gè)是空載即t=0s時(shí)刻負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0N·m,一直保持到t=0.2s時(shí)刻；另一個(gè)是突加負(fù)載，即在t=0.2s時(shí)刻突然加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=10N·m，完成突加實(shí)驗(yàn)，觀察波形圖。5.3.1轉(zhuǎn)速波形5.3.2轉(zhuǎn)矩波形5.3.3三相電流波形5.4簡(jiǎn)要分析仿真完成，得到三個(gè)仿真圖，先分析轉(zhuǎn)速波形圖和轉(zhuǎn)矩波形圖，可以看到電機(jī)在啟動(dòng)的過程中出現(xiàn)了波動(dòng)，仿真圖不平滑，電機(jī)從0s到0.02s的時(shí)段出現(xiàn)了超調(diào)現(xiàn)象，但是超調(diào)量比較小，從0.02s到0.1s的時(shí)間段里超調(diào)迅速恢復(fù)。當(dāng)t=0.2時(shí)刻，加入負(fù)載轉(zhuǎn)矩10N·m,，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)受到影響，但在很短的時(shí)間內(nèi)又回到給定的額定轉(zhuǎn)速，而且三相電流可以平穩(wěn)運(yùn)行，可以看出該種控制系統(tǒng)方式系統(tǒng)的反應(yīng)速度快，具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。參考文獻(xiàn)[1]譚天樂,尹俊雄.永磁同步電機(jī)的模型預(yù)測(cè)與反演控制[J].計(jì)算機(jī)仿真,2021,38(04):213-217.[2]王國(guó)強(qiáng),張碩,叢培城.永磁同步電機(jī)的核心控制算法仿真研究[J].電子技術(shù),2021,50(03):88-89.[3]鄒云飛,吳傳貴,王洪濤,王緯國(guó).基于永磁同步電機(jī)的空間矢量控制研究[J].中國(guó)設(shè)備工程,2021,(04):109-110.[4]豐飛,邵瑛.永磁同步電機(jī)新型模糊PI算法的研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2020,39(10):5-10.[5]張旭,晏佳勝.基于永磁同步電機(jī)的交流伺服系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2020,56(08):94-97.[6]胡長(zhǎng)嶺