【導讀】永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

　　

【正文】 表示在空間靜止不動的電機定子三相繞組的軸線，它們在空間互差 120176。，三相定子相電壓 UA、 UB、 UC 分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量 UA、 UB、 UC，它們 的方向始終在各相的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律變化，時間相位互差120176。[16]。 圖 41 三相電壓矢量 將圖 41 的平面看成是一個復平面，則 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 24 ? ?? ?? ?2 / 34 / 3jAjBjCUtUtUtUeUeUe???? ??? ??? ??? （ 41） 三相合成的空間電壓矢量 U1可寫為 （ 42） 由于 錯誤 !未找到引用源。 (t)都是正弦量，利用歐拉公式可得 錯誤 !未找到引用源。 （ 43） 我們可以看到三相電壓空間矢量的合成空間矢量是一個旋轉(zhuǎn)空間矢量，它的幅值是每相電壓值的 倍，其旋轉(zhuǎn)的角速度等于正弦電壓量的角頻率。 磁鏈和電流空間矢量、電壓平衡方程的矢量表示 錯誤 !未找到引用源。 （ 44） 在轉(zhuǎn)速不太低時， RI 較小，故 錯誤 !未找到引用源。 （ 45） 式 （ 45） 表明：電壓矢量的大小等于磁鏈的變化率，而電壓矢量的方向就是磁鏈運動的方向。 在調(diào)速系統(tǒng)中，電機由三相 PWM 逆變器供電，如圖 42 所示。為使電機對稱工作，必須三相同時供電，即在任一時刻一定有處于不同橋臂下的三個器件同時導通，而相應橋臂的另三個功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 25 圖 42 三相 PWM 逆變器 逆變器共有 8 種工作狀態(tài)，即 00 0 01 100、 10 1 11 000。 將其中 6 個非零的開關(guān)狀態(tài)相電 壓值代入式（ 42），可得到 6 個空間電壓矢量，如圖43 所示。 圖 43 基本空間電壓矢量 零矢量的作用 在非零矢量作用的同時，插入零矢量的作用，讓電機的磁鏈端點“走走停?！保@樣可改變磁鏈運行速度，使磁鏈軌跡近似為一個圓形，從而實現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速。改變非零矢量的作用時間與總的作用時間的比值，就改變了輸出電壓的頻率，也改變了輸出電壓的幅值。 空間電壓矢量控制算法 上面我們提到，控制過程包括非零矢量和零矢量的作用，非零矢量用來控制磁通的軌跡，而利用零矢量改變磁通的運行速度 [17]。 現(xiàn)在以 U U2作用區(qū)間為例，根據(jù)電壓和時間乘積平衡原理，可以得到任意一個參考電壓矢量 Ur。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 26 圖 44 U1錯誤 !未找到引用源。 和 U2錯誤 !未找到引用源。 合成矢量 Ur 錯誤 !未找到引用源。 （ 46） 錯誤 !未找到引用源。 （ 47） 錯誤 !未找到引用源。 （ 48） Udc 錯誤 !未找到引用源。 為直流母線， M 為調(diào)制比 ， t0、 t t2錯誤 !未找到引用源。 分別為零矢量 U U2的作用時間，零矢量可以是 錯誤 !未找到引用源。 或 U1。 坐標變換模塊 三相永磁同步電機矢量控制的基本思想是把交流電機當成直流電機來控制，即模擬直流電機的控制特點進行永磁同步電機的控制。為簡化感應電機模型，可將電機三相繞組電流產(chǎn)生的磁動勢按平面矢量的疊加原理進行合成和分解，使得能夠用兩相正永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 27 交繞組來等效實際電動機的三相繞組。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大 大減小。 矢量控制中用到的變換有：將三相平面坐標系向兩相平面直角坐標系的轉(zhuǎn)換（ Clarke 變換）和將兩相靜止直角坐標系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系的變換（ Park 變換）。坐標變換矩陣的 Matlab 實現(xiàn)如圖 45 和圖 46 所示： 圖 45 d、 q— a、 b、 c 變換 圖 46 a、 b、 c－ 錯誤 !未找到引用源。 、 ? 變換 SVPWM 模塊 SVPWM 主要是使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，當電機通以三相對稱的正弦 電壓時，交流電機內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈并以此磁鏈為基準，通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來逼近基準圓，并產(chǎn)生三相互差 ?120 電角度的接近正弦波的電流來驅(qū)動電機 [18]。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 28 扇區(qū)選擇 圖 47 判斷矢量所處扇區(qū) 根據(jù) 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 的關(guān)系，當 ?? ＞ 0 錯誤 !未找到引用源。 ，則， A=1；當 ?????3 ＞ 0 錯誤 !未找到引用源。 ，則 B=1，否則B=0；當 錯誤 !未找到引用源。 ＜ 0，則 C=1； 否則 C=0。取 N=A+2B+4C。 計算 X、 Y、 Z 和 TX 、 TY 定義 定義： X=錯誤 !未找到引用源。 Y=錯誤 !未找到引用源。 Z=錯誤 !未找到引用源。 對于不同的扇區(qū) TX、 TY錯誤 !未找到引用源。 ，按表 41 取值。 錯誤 !未找到引用源。 賦值后，要對其進行飽和判斷。若 TX+TY＞ TS錯誤 !未找到引用源。 ，取TX=TX/(TX+TY)， TY= TYTX/(TX+TY)。 表 41 TX 和 TY賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI TX Z Y Z X X Y TY Y X X Z Y Z 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 29 計算矢量切換點 Tcm1， Tcm2， Tcm3 定義： 則在不同的扇區(qū)內(nèi) Tcm Tcm Tcm3 根據(jù)表 42 進行賦值。 表 42 切換點 Tcm Tcm Tcm3 賦值表 扇區(qū)號 I II III IV V VI Tcm1 Tb Ta Ta Tc Tc Tb Tcm2 Ta Tc Tb Tb Ta Tc Tcm3 Tc Tb Tc Ta Tb Ta 在 Matlab 的 Simulink 環(huán)境下的實現(xiàn)如圖 4圖 4圖 4 圖 411 所示。對于 Tcm Tcm Tcm3 的計算， 可用 multiportswitch 來實現(xiàn) [19]。 圖 48 計算 X、 Y、 Z 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 30 圖 49 計算 Ti、 Tm 錯誤 !未找到引用源。 圖 410 計算 Ta、 Tb、 Tc 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 31 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 圖 411 PMSM 閉環(huán)矢量控制仿真模型 仿真結(jié)果 為了驗證所建模型仿真模型的正確性和有效性，對模型進行了仿真實驗。給定轉(zhuǎn)速 400rad/s，在 t=0 時，電機負載啟動，在 t= 時負載由 2N?m突變?yōu)?8N?m，仿真時間為 [20]。其波形如圖 41圖 41圖 414 所示： 圖 412 定子繞組三相電流波形 圖 413 電磁轉(zhuǎn)矩波形 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 32 圖 414 電機轉(zhuǎn)速波形 從仿真結(jié)果我們可以看出，電機在通電以后，迅速到達最大轉(zhuǎn)矩（ 30N?m），然后很快回到穩(wěn)定值（ 2N?m）。轉(zhuǎn)速以直線上升，迅速達到給定值 400rad/s。在 ，負載轉(zhuǎn)矩由 2N?m突變?yōu)?8N?m，轉(zhuǎn)速有微小的震蕩后回到給定值，定子電流在 發(fā)生變化。 結(jié)束語 本文通過對電壓空間矢 量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步電機的數(shù)學模型，運用 Matlab/Simulink 軟件，構(gòu)建了永磁同步電機控制系統(tǒng)的模型，通過仿真結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 33 5 結(jié)論 研究總結(jié) 在實際應用中，永磁同步電機控制系統(tǒng)具有直流電機和異步電機控制系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點。首先，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)是一種高性能的交流控制系統(tǒng)，由于永磁同步電機的許多優(yōu)點和矢量控制思想，所以由永磁同步電機構(gòu)成 的交流控制系統(tǒng)能夠達到很好的控制性能；其次，我國是世界第一稀土大國，稀土永磁同步電機已經(jīng)在航空航天多種型號中得到成功的應用。因此，研究和發(fā)展高性能永磁同步電機控制系統(tǒng)來滿足現(xiàn)代工業(yè)迅速發(fā)展的要求具有重要的實用價值。 通過分析永磁電機的幾種常用控制策略，本文采用矢量控制的方法對 PMSM 及其控制系統(tǒng)性能進行仿真。首先簡要介紹了 PMSM 矢量控制的原理和三種常用的坐標變換，采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和 Matlab／ Simulink 軟件平臺建立了矢量控制系統(tǒng)合仿真模型，對 PMSM 系統(tǒng)動態(tài)性能進行了仿真分析。通過仿真 結(jié)果可以看到系統(tǒng)能平穩(wěn)運行，具有良好的靜、動態(tài)特性，仿真結(jié)果符合永磁同步電機的運行特性，也為實際伺服系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了新的思路。綜合前面章節(jié)的內(nèi)容，本文的主要成果體現(xiàn)在以下三個方面： (1)通過閱讀大量國內(nèi)外高性能稀土永磁電機相關(guān)文獻，較為全面的介紹了國內(nèi)外永磁電機的應用與研究現(xiàn)狀，并簡要介紹了永磁同步電機控制系統(tǒng)常用的幾種控制技術(shù)，其中重點講述了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)，為本文的研究工作奠定了基礎(chǔ)。 (2)根據(jù)永磁同步電機的控制原理，文章講述了永磁同步電機的數(shù)學模型和交流永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和分類 。 (3) 對矢量控制系統(tǒng)進行了詳細的分析，并采用電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)和Matlab／ Simulink 軟件平臺建立了矢量控制系統(tǒng)合仿真模型，對 PMSM 系統(tǒng)動態(tài)性能進行了仿真分析。 通過本文所做的研究工作，了解了高性能 PMSM 的設(shè)計理論，并針對矢量控制進行了仿真，仿真結(jié)果進一步證實了本論文研究的有效性。雖然這是種基本的控制策永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 34 略，但為永磁同步電機的發(fā)展和應用打下了良好的基礎(chǔ)，為研究更優(yōu)越的控制系統(tǒng)奠定基石。 未來研究方向和展望 21 世紀，科學技術(shù)飛速發(fā)展，高新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，節(jié)電、環(huán)保意識日益增強，使得永磁同步電機發(fā)展的前途一片光明，尤其是高性能稀土永磁同步電機及其伺服系統(tǒng)，隨其技術(shù)的快速發(fā)展和日漸成熟，結(jié)構(gòu)型式將日趨多樣化，也將會贏更為廣泛的發(fā)展空間，獲得更加廣泛的應用。 需要指出的是，對于永磁同步電機系統(tǒng)本身，目前研究了永磁同步電機，由于參數(shù)是測量的，測量存在著一定的誤差，而誤差往往是隨機的，所以參數(shù)隨機的永磁同步電機將是今后研究的重點。對于控制方法，本論文主要矢量控制入手，提出了相應的永磁同步電機的控制穩(wěn)定性理論，提出更好的控制方法將是以后研究的重點。 總之，在永磁同步電機矢量控制中，提出一種高 精度的混合控制方法并利用更先進的理論也是今后研究的一個重點。 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 35 致 謝 本文的完成首先歸功于我的導師 —— X 教授。 XX 教授的博聞強志、追求卓越、孜孜以求的務(wù)實精神以及嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度和科學高效的教育理念深深地影響著我，必將使我受益終生。他的悉心指導和鼓勵使我克服了在研究中遇到的諸多困難，在本文即將付梓之際，我內(nèi)心充滿感激之情，在此我要向我的導師致以最衷心的感謝和深深的敬意。 在兩年的學習生活和工作中，還得到了我們 XX 學院許多領(lǐng)導和老師的熱情關(guān)心和幫助，在此深表感謝。 最后，我愿把最真摯的謝 意送給我的家人，感謝他們自始至終生活上給我的關(guān)心和精神上的理解支持，是他們的無私奉獻讓我順利地完成我的學業(yè)。愿家人平平安安、將健康康。 衷心地感謝在百忙之中評閱論文和參加答辯的 答辯委員會 各位專家、教授！ 2020 年 5 月 25 日 永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 36 參考文獻 [1]. Du Qu Wei,Xiao Shu Luo,Bing Hong Wang,Jin Qing Fang,Robust adaptive dynamic surface control of chaos in permanent mag syn