永磁同步电机矢量控制系统仿真研究

永磁同步电机矢量控制系统仿真研究

康海潮,王蒙蒙,杜军星,唐文

河北京车轨道交通车辆装备有限公司  河北省保定市 072150

摘要：随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，永磁交流调速系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统等高科技领域中占据了日益重要的地位。永磁同步电动机具有能量转换效率高、体积小，运行可靠性高、调速范围广，动、静特性好等优点，这使得永磁同步电动机技术得到了迅速发展。PWM控制技术从最早追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，得到了不断创新和完善。本文是在此基础上，参照了众多学者的研究，对永磁同步电机进行了矢量控制的研究，并通过建立仿真模型，对矢量控制下永磁同步电机进行仿真，并对结果进行分析。

关键词：永磁交流调速，PWM控制技术，永磁同步电动机

1 PMSM数学模型介绍

精确的电机数学模型是电机控制理论得以研究与实现的基础，因此首先给出三相永磁同步电动机数学模型。

推导前作如下假设：

1）定子三相绕组对称，Y型连接；

2）反电动势正弦；

3）铁磁部分磁路线性，即不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；

4）转子无阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；

PMSM在a-b-c坐标系统中电压方程用矩阵形式表示为：

                                            （1）

其中定子电枢相电阻；、、定子绕组端电压瞬时值；、、定子绕组相电流瞬时值；、、 磁链瞬时值；微分算子， 。

PMSM定子绕组电感系数是转子位置角的函数，其电压方程、磁链方程都是含有时变系数的微分方程组，在分析PMSM工作过程时用解析法求解时变系数方程组是比较困难的，需要采取数值法求解，不便于工业控制应用。因此采用park变换矩阵，将PMSM数学模型变换到固定在其转子上的两相旋转坐标系d-q坐标系中，将上述含时变系数的微分方程组变换为易于求解的常系数微分方程组，这对于分析PMSM动态过程和稳态过程都是十分有意义的。

从而得到建立在dq旋转坐标中和三相静止坐标中电机模型之间具有如下关系：

                          （2）

                             （3）

PMSM中定子绕组一般为无中线的Y型连接，固。

在dq旋转坐标系中PMSM的电流、电压、磁链和电磁转矩转矩方程为：

                                                    （4）

                                   （5）

PMSM的运动方程为：

                             （6）

其中J为转动惯量，为负载转矩，是输出转矩，B为摩擦系数，为极对数。

2 PMSM伺服控制系统电流环和速度环设计

从上面建立的数学模型可以知道，PMSM矢量控制最终归结为对电机定转子电流的控制。矢量控制的PMSM伺服系统一般由电流环、速度环及位置环构成调节系统，各环节的性能最优化是整个伺服系统高性能的基础，外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。电流环是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证电流对矢量控制的准确跟踪。

速度环同样也是位置伺服系统中的一个极为重要的环节，其控制性能是伺服性能的一个重要组成部分，速度伺服控制应该具有高精度、快响应的特性，具体而言，反映为小的速度脉动率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。

3 PMSM控制系统仿真分析

应用Mtlab/Simulink与电气传动仿真的电气系统模块库Powerlib，建立了基于电流滞环跟踪控制的PMSM伺服系统矢量控制仿真结构图，采用三相Y接PMSM，仿真参数如表1所示。转速调节器为PI型；速度给定值与实际电角速度相比较后经转速调节器，输出为交轴电流参考电流参考值，直轴电流给定值=0。、经dq/abc坐标变换得到三相电流给定值、、，相电流给定信号与相电流反馈信号相比较，经过电流调节器的调节和PWM产生电路产生控制逆变器的PWM信号，从而控制电机的三相电流。

表1 PMSM仿真参数

系统仿真时，空载启动，在0.04s时突加负载转矩3Nm，转速给定700rad/s，由PMSM Measurement Demux模块可以得到三相定子电流、、，dq轴电流、，电磁转矩，转子电角速度。仿真结构如图6所示。

图6 电流滞环控制输出的三相定子电流波形

电机启动时电流迅速达到最大值，然后稳定在正常值，当突加负载转矩时，电流经过一个轻微的振动过程后稳定在一个新值。电磁转矩在电机启动时迅速达到最大值（30Nm）然后快速稳定在正常值（3Nm），在0.04s时突加负载转矩3Nm，电磁转矩同电流值一样经过一个轻微的振荡过程，然后稳定在一个新值（1Nm）。转子电角速度

迅速稳定到给定转速，并且突加负载转矩时几乎不受干扰。

4结论

本文阐述了伺服系统中永磁同步电机的矢量控制模型，确定了以转子磁场定向的矢量控制方案，分析并采用了脉宽调制(PWM)技术，最后在Matlab/Simulink仿真环境下建立了PI调节的永磁同步电机伺服控制系统双闭环仿真模型，仿真结果验证了矢量控制的可行性。

参考文献

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[2]郎宝华，永磁同步电机矢量控制系统仿真[J].计算机与数字工程，2017,329(3):459-463.

[3]郝晓弘，魏祥林，李翠明.VC与DTC在PMSM转矩控制中的比较[J].电气自动化，2008，30（4）：24-27.

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