MATLAB_SIMULINK永磁同步电机矢量控制系统仿真_王春民

吉林大学学报(信息科学版)V o l .27　N o .12009年1月J o u r n a l o f J i l i nU n i v e r s i t y (I n f o r m a t i o n S c i e n c e E d i t i o n )J a n .2009文章编号:1671-56(2009)01-0017-06

收稿日期:2008-11-07

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目(2002C B 412600)作者简介:王春民(1948—　),男,内蒙古乌兰浩特人,吉林大学教授,硕士生导师,主要从事现代控制理论、D S P 与运动控制、系统辨识

与建模研究,(T e l )86-135********(E -m a i l )w c m @j l u .e d u .c n ;嵇艳鞠(1973—　),女,黑龙江同江人,吉林大学副教授,博

士,硕士生导师,主要从事电力电子与电力传动研究,(T e l )86-431-88502063(E -m a i l )j i y j @j l u .e d u .c n

M A T L A B /S I M U L I N K 永磁同步电机矢量控制系统仿真

王春民1,嵇艳鞠1,栾　卉1,张智恩2

(1.吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春130061;2.北京环境特性研究所,北京100854)

摘要:永磁同步电机矢量控制系统在工业控制、医疗等众多领域具有广泛的应用前景。基于M A T L A B /S I M U -

L I N K 环境,采用模块式的结构,分别对P I (P r o p o r t i o nI n t e g r a t i o n )调节、速度环调节、d q /αβ变换、S V P WM

(S p a c e V e c t o r P u l s e Wi d t hM o d u l e )波产生、主回路和整个系统模型进行了仿真研究。采用S c o p e 空间对定子

电流、转子转角和转子转速、以及转矩进行观察,及时调整系统模型参数,使系统性能达到最佳化,实现了

永磁同步电机矢量控制和正反转调速。结果表明,该系统具有启动快、过载能力强和调速特性好等特点,为

永磁同步电机矢量控制系统设计与实现提供有效方法,可明显缩短开发周期,在实现永磁同步电机高精度的

控制和节能控制方面具有实际意义。

关键词:永磁同步电机矢量控制;S i m u l i n k ;d q /αβ变换

中图分类号:T N 915.2文献标识码:A

S i m u l a t i o n o f P M S M V e c t o r C o n t r o l S y s t e mB a s e d o n M A T L A B /S I M U L I N K

W A N GC h u n -m i n 1,J I Y a n -j u 1,L U A NH u i 1,Z H A N GZ h i -e n

2

(1.C o l l e g e o f I n s t r u m e n t S c i e n c ea n dE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,J i l i n U n i v e r s i t y ,C h a n g c h u n 130061,C h i n a ;

2.B e i j i n g I n s t i t u t e o f E n v i r o n m e n t a l C h a r a c t e r i s t i c s ,B e i j i n g 100854,C h i n a )A b s t r a c t :T h e v e c t o r c o n t r o l s y s t e mo f P M S M (P e r m a n e n t M a g n e t i c S y n c h r o n i z a t i o n M o t o r )h a s a w i d e a p p l i -c a t i o n p r o s p e c t i nt h e f i e l d s o f i n d u s t r i a l c o n t r o l a n d m e d i c a l t r e a t m e n t e t c .T h e s i m u l a t i o n r e s e a r c ho f v e c t o r c o n t r o l P M S Ms y s t e mc a n p r o v i d e m e t h o d s f o r P M S M v e c t o r c o n t r o l s y s t e md e s i g n a n d r e a l i z a t i o n .T h i s t h e s i s i n -v o l v e s i n s i m u l a t i o n r e s e a r c h o f P I (P r o p o r t i o n I n t e g r a t i o n )a d j u s t m e n t ,s p e e d l o o p m o d u l a t i o n a n d d q /αβt r a n s -f o r m a t i o n ,g a i n i n g S V P W M(S p a c e V e c t o r P u l s e W i d t h M o d u l e )w a v e s a n d m a i n l o o p b a s e d o n m o d u l e s t r u c t u r e u n d e r t h e e n v i r o n m e n t o f M A T L A B /S I M U L I N K .S c o p e s p a c e w a s u s e d t o o b s e r v e t h e s t a t o r c u r r e n t ,r o t a t i n g a n -g l e ,r e v o l u t i o n s p e e d o f r o t a t o r a n d r o t a t i n g o f t o r q u e .T h r o u g ha d j u s t i n g t h e m o d e l p a r a m e t e r s t i m e l y ,v e c t o r c o n t r o l a n d v e l o c i t y m o d u l a t i o n o f P M S M w a s r e a l i z e d .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t t h a t v e c t o r c o n t r o l s y s t e m h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t s p e e d u p ,s t r o n g o v e r l o a d c a p a c i t y a n d i d e a l s p e e d a d j u s t m e n t .

K e y w o r d s :p e r m a n e n t m a g n e t i c s y n c h r o n i z a t i o n m o t o r (P M S M )v e c t o r c o n t r o l ;S i m u l i n k ;d q /αβt r a n s f o r m a -

t i o n

引　言

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小等优点,它没有直流电机的换向器和电刷、没有励磁电流,因而具有效率高、功率因数高,力矩惯量比大,定子电流、电阻损耗小,且转子参数可测和控制性能好等特点[1]。永磁同步电机的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、可进行

大范围调速或定位控制,因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注[2]。笔者在

M A T L A B /S I M U L I N K 环境下,对永磁同步电机矢量控制系统进行仿真,为实际系统的设计与实现提供新思路。

目前,有大量的界面友好、基于P C 机仿真程序可用于电力电子系统的研究,如S I M U L I N K ,P S P I C E ,S A B E R E M T P ,S I M N O N ,A C S L 等,但在电力电子与电力传动中,M a t h W o r k s 公司提供的基于M A T L A B 平台下的S I M U L I K 是最常用的一种,系统仿真使用了M A T L A B 平台下的S i m P o w e r S y s t e m s 和

S i m M e c h a n i c s ,建模及仿真更方便和快捷[3]。

1　永磁同步电机在d ,q ,0坐标系下的数学模型

矢量控制是建立在坐标变换理论下的控制方法,经坐标变换后,永磁同步电机具有像直流电机一样

的调速性能,为此给出永磁同步电机在d ,q ,0坐标系下的数学模型[4],其电路和转矩方程分别为d d t i d =1L d v d -R L d i d +L q L d

w r i q d d t i q =1L q v q -R L q i q +L d L q w r i d -λw d L q (1)

T e =1.5p [λi q +(L d -L q )i d i q

](2)其中L q ,L d 为q ,d 轴的电感量;w r 为转子角速度;R 为定子内阻;i q ,i d 为q

,d 轴方向的电流分量;v q ,v d 分别为q ,d 轴方向的电压分量;λ为电磁转矩系数;p 为定子磁极对数;T e 为电磁转矩。

在永磁同步电机中,i d =

0,因此有T e =1.5p λi q

(3)　　在i d =

0条件下,电磁转矩和q 轴电流成正比,只要对电流进行控制就达到了控制转矩的目的,同时也能保证最大的输出转矩

T e -T L =J d w r d t

(4)其中T L ,

J 分别为电机的阻转矩和转动系统的转动惯量。通过对输出力矩的控制,达到速度调节的目的。2　S I M U L I N K 仿真

在S I M U L I N K 环境下,构建的仿真模型如图1所示。图1中主电路由D CV o l t a g e S o u r c e ,U n i v e r s a l B r i d g e 和P e r m a n e n t M a g n e t S y n c h r o n o u s M a c h i n e 构成,使用S c o p e 空间对定子电流、电磁转矩、转子转角和转子转速进行观察。其中S t e p 控件用于加载负载转矩,由s p e e d c o n t r o l 实现电机矢量控制系统中的速度环调节,用电机速度反馈信号与设定速度的差值作为速度调节器输出q 方向的电流参考量,并设定d 方向的电流参考量为零[5]。

仿真时,将d 、q 两个方向参考量与实际电流相比较,然后通过两个P I 调节器计算出系统的调节电

压U q 和U d ,经d

q /αβ坐标变换,最后送入S V P W M 实现电机的控制[6]。S V P W M 模块可产生S V P W M 波,输入模式有两种:输入α,β轴的电压值和输入A ,B ,C 3相的电压分量。根据空间向量的原理调制出脉宽控制6个不同的开关顺序。

U n i v e r s a l B r i d g e 是S i m P o w e r S y s t e m s 内全桥模型,可仿真由不同电力电子器件搭建的全桥,根据不同器件的特点设定相关模型参数。g 端用于控制内部三对桥路的导通情况,三相输出A ,B ,C 可直接接入电机模型的三相输入,+,-端口为直流电压输入,仿真时设为300V 。

P e r m a n e n t M a g n e t S y n c h r o n o u s M a c h i n e 是依据d ,q ,0坐标系下建立的永磁同步电机和直流无刷电机数学仿真模型,可以处于电动和发电两种状态,提供了转子转角、速度、定子电流和电磁转矩参数,

为实现永磁同步电机的矢量控制仿真实验提供了有利条件[7]。在S I M U L I N K 环境下仿真时,采样周期T s =

5μs ,仿真时间0～0.2s ,T y p e 为F i x e d -s t e p ,S o l v e r 为d i s c r e t (n o c o n t i n u o u s s t a t e s ),P e r i o d e s a m p -18吉林大学学报(信息科学版)

第27卷

i e t i m e c o n s t r a i n t 为U n c o n s t r a i n e d ,F i x e d -s t e p s i z e(f u n d a m e n t a l s a m p i e t i m e s )为T s ,T

a s k i n g m o d e f o r p e -r i o d i c s a m p l e t i m e 为A U T O [8]

。图1　永磁同步电机仿真模型

F i g .1S i m u l a t i o n m o d e l o f P M S M

2.1　调节器

经过多次仿真实验,在速度调节中只单纯采用P I 调节效果并不理想,为此,提出了采用分段P I 速度调节的方法,即根据误差量的大小分段确定K P ,K I 参数。在初期,加大比例调节成分,随着误差减小适当加大积分系数,其速度环调节器仿真模型如图2所示[9]

。

图2　速度环调节器仿真模型

F i g .2S i m u l a t i o n m o d e l o f s p e e d l o o p a d j u s t o r

图2中C P I ,C P I 1,C P I 2为3个不同参数的P I 调节器,对应K P ,K I 参数为C

P I(1,0.1)、C P I 1(0.1,0.2)和C P I 2(0.02,1)。P I 调节器的仿真模型如图3所示,其中c o n s t a n t 和c o n s t a n t 1输入分别为K P 和K I

。2.2　坐标变换

d q /αβ变换采用了S I M U L I N K 环境提供的F u n c t i o n 模块实现,坐标变换仿真模型如图4所示,其中F c n 和F c n 1参数,可以按照d q /αβ变换公式(5)进行设置为[10]

19第1期王春民,等:M A T L A B /S I M U L I N K 永磁同步电机矢量控制系统仿真

iα

iβ

=

c o sθ-s i nθ

s i nθ　c o sθ

i d

i q

(5)

图3　P I调节器仿真模型

F i g.3S i m u l a t i o n m o d e l o f P I a d j u s t o r

2.3　S V P WM波的产生

由于D i s c r e t e S VP W M G e n e r a t o r只能输入0～1的空间矢量,所以需要先对输入量进行归一化处理,产生S V P W M波的仿真模型如图5所示。其中K1和K为1/300,D i s c r e t e S VP W M G e n e r a t o r参数中D a t a t y p e o f i n p u t r e f e r e n c e v e c t o r设为a l p h a-b e t a c o m p o n e n t s,S w i t c h i n g p a t t e m为P a t t e m#2,C h o p p i n g f r e q u e n-c y设为8k H z,S a m p

i e t i m e设为2×106s[11,12]。

图4　d q/αβ变换仿真模型

F i g.4S i m u l a t i o n m o d e l o f d q/αβt r a n s f o r m a t i o n

图5　S V P W M波产生的仿真模型

F i g.5S i m u l a t i o n m o d e l o f S V P W Mw a v e g e n e r a t i o n 3　仿真结果及分析

在某一时刻6路P W M波形如图

6所示,波形P W M1～P W M6分别为逆变桥的6个输入,任意一路

图6　在0.0502～0.052s时间内6路P W M波形

F i g.6S i x c i r c u i t P W M w a v e b e t w e e n0.0502a n d0.052s e c o n d

20吉林大学学报(信息科学版)第27卷

输入信号为1时,表示其对应开关器件处于导通状态,反之处于截止状态。在S V P W M 的周期为1m s ,母线电压为300V ,设定转速为2000r /m i n

。

图7　电磁转矩波形

F i g .7W a v e o f e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e 在调速过程中,其输出电磁转矩如7图所

示,系统的调速过程分为3个过程,在

0～0.02s 内,属于启动过程。在该期间,要抑

制负载转矩做功,应该在整个过程中输出转矩

最大;在系统负载转矩下,进入稳态,此时电

磁转矩较稳定;在系统撤出电磁转矩的情况下,

理论上输出电磁转矩为零,仿真结果与理论相

符[13]。正反向调速波形如图8,图9所示。

从图8和图9可看出,在0.02s 内系统都

能完成速度调节,进入稳态,并在后续的调速

过程中趋于稳定。在0.1s 时,突然撤出负载的

情况下,经过短暂的速度小幅波动后又重新进

入稳态。在进入稳态时,系统速度稳定,说明系统具有正、反向调速能力。在进入稳态时,

系统运行平稳,达到预期效果,从而验证了永磁同步电机调速系统的特点[14]。

仿真结果表明,系统较好地实现了永磁同步电机的调速及其正反转控制,验证了永磁同步电机矢量控制具有启动快、过载能力强和良好的调速特性[15,16]

。

图8　速度设定为2000r /m i n 时的调速曲线

F i g .8T i m i n g c u r v e r a t e a t 2000r /m i n 图9　速度设定为-2000r /m i n 的调速波形F i g .9T i m i n g w a v e r a t e a t 2000r /m i n

4　结　语

笔者在永磁同步电机的数学模型基础上,运用电机矢量控制的思想,在M A T L A B /S I M U L I N K 环境下,采用模块的方法设计、构建了永磁同步电机的仿真模型。对矢量控制方法进行了仿真研究,给出了永磁同步电机矢量控制的可行性和系统实现方法。笔者采用的仿真方法简单、快捷高效、准确可靠,对实际系统的设计与实现起到重要作用。

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