永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真

I摘要本文首先简要介绍了正弦波永磁同步电动机（PMSM）的结构特点和数学模型，在此基础上阐述了永磁同步电动机矢量控制的思想和自控变频调速方法。着重介绍了正弦波脉冲宽度调制（SPWM），电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）和电压空间矢量PWM（SVPWM）三种控制技术，并分别给出了基于这三种变频控制技术的永磁同步电动机矢量控制双闭环调速系统的Simulink仿真模型。应用PID控制器设计方法进行系统参数整定，并进行动态仿真分析校正，最终达到了较为理想的稳、动态性能指标。其中着重分析了转速微分负反馈在双闭环调速系统中抑制超调、改善动态性能和增强抗扰性能的作用。关键词：永磁同步电动机矢量控制SPWMCHBPWMSVPWM仿真AbstractFirstly,thispaperbrieflydescribesthestructuralfeaturesofSinusoidalPermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)andit’smathematicalmodel.ThenelaboratingthetheoryoftheVectorcontrolandthemethodofControlledfrequency.ItpresentsthreecontroltechnologyofSPWM,CHBPWMandSVPWM.Italsogivesthesimulationmodelofdoubleclosed-loopcontrolsystemofPMSM.WedesigntheparametersofPIDwhilesimulating.Finally,weachievetheidealperformancesofthesystem.Itmainlyanalysisesfuntionofcontrollingovershootandimprovingperformancesofthedifferentialnegativefeedbackofspeed.Keywords:PMSMVectorControlSPWMCHBPWMSVPWMSimulation目录摘要...................................................................I1引言................................................................12永磁同步电动机的数学模型............................................12.1永磁同步电动机的简介............................................12.2矢量控制原理....................................................22.2.1矢量控制的基本原理........................................22.2.2矢量控制中的坐标变换......................................22.2.3矢量控制的磁链定向方式....................................32.3永磁同步电动机在dq0坐标系下的数学模型..........................33同步电动机变压变频(VVVF)调速系统....................................43.1同步电动机变压变频调速的特点及基本类型..........................43.2永磁同步电动机自控变频调速系统..................................54永磁同步电动机矢量控制调速系统Matlab/Simulink仿真..................64.1基于SPWM技术的PMSM矢量控制调速系统............................64.2基于CHBPWM技术的PMSM矢量控制调速系统..........................64.2.1电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术.........................64.2.2CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型.......................74.2.3CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析.......................94.3基于SVPWM技术的PMSM矢量控制调速系统..........................154.3.1电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术.........................154.3.2SVPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型.......................204.3.3SVPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析.......................214.4本章小结.......................................................225总结与展望.........................................................23参考文献...........................................................24综合课程设计报告第1页共24页永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真1引言随着技术的飞速发展，人们的生活水平提高，各种自动化调速系统在人们生产生活中的应用不断增多，且使用环境也日益复杂，直流调速系统由于其结构复杂、制造困难、成本高等缺点日渐难以满足各种生产生活的要求。特别是20世纪80年代以后，基于先进控制理论、电力电子器件和微处理器的发展，交流伺服控制技术日趋成熟，以其体积小、耐高速、过载能力强，可频繁起制动，运行可靠等特点广泛应用于工业机器人领域。而其中的永磁同步电动机以其体积小、重量轻、响应速度快、控制精度高等优势，在小容量的伺服电动机中占据了重要地位，被广泛应用于小功率，要求良好的静态性能和高动态响应的伺服驱动中，如柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床等领域。目前正向着智能化、高精度化德方向发展。2永磁同步电动机的数学模型2.1永磁同步电动机的简介永磁同步电动机（PMSM,PermanentMagnetSynchronousMachine）的转子采用永久磁钢励磁，目前多采用钐钴合金等稀土永磁材料。由于无需电流励磁，不要电刷和滑环，因此体积小、结构简单、使用方便、可靠性高，同时具备同步电动机功率因素高、无转差损耗等特点。永磁同步电动机转子结构灵活多样，不用的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据需要使用不同的转子结构形式，其在一定的功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机的分类也多种多样，按工作主磁场的方向不同分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式；按供电频率控制方式的不同可分为他控式和自控式；按反电动势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。本为主要研究正弦波永磁同步电动机矢量控制调速系统，因此以下的永磁同步电动机均指正弦波永磁同步电动机。综合课程设计报告第2页共24页2.2矢量控制原理2.2.1矢量控制的基本原理1971年，德国Blaschke等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制（Transvectorcontrol）理论，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。其基本思想是在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍为对电流矢量的幅值和空间位置（频率和相位）的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制的性能，最终仍然落实到对定子电流的控制上。由于定子侧各物理量为交流量，在矢量空间上以同步速旋转，计算、调节和控制均不方便。因此，需借助坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步坐标系上观察，则电动机的各物理量就变成了直流量。此时交流电动机便等效为了直流电动机，那么模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电动机了。2.2.2矢量控制中的坐标变换矢量控制主要涉及到两种坐标系，静止坐标系和旋转坐标系。1.三相静止坐标系（A-B-C轴）三相定子里三相绕组的轴线分别为A、B、C，彼此互差120°空间电角度，构成A-B-C三相坐标系。2.两相静止坐标系（轴）两相对称绕组，通过两相对称电流也产生旋转磁场。定义轴将其固定在A轴上，逆势针超前轴90°。3.两相旋转坐标系（d-q轴）d轴位于转子轴线上，q轴逆时针超前d轴90°电角度，该坐标系以和转子相同的角速度旋转。根据在电动机在不同的坐标系下所产生的磁动势完全一致则彼此等效的原则，再考虑到变换前后电动机总功率不变，则由三相静止坐标系ABC到两相旋转坐标系dq0的变换式为综合课程设计报告第3页共24页其反变换由两相旋转坐标系dq0到三相静止坐标系ABC的变换式为：2.2.3矢量控制的磁链定向方式矢量控制的磁链定向方式主要有转子磁链定向、气隙磁链定向、定子磁链定向和阻尼磁链定向四种不同的控制方式，其中按转子磁链定向的控制方式特别适合小容量交流伺服系统等驱动场合，是一种比较常见的矢量控制磁链定向方式。本文所讨论的便是按转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制调速系统，即将两相旋转坐标系中的d轴固定在转子磁链方向上，q轴逆时针旋转90°，即垂直于转子总磁矢量。2.3永磁同步电动机在dq0坐标系下的数学模型正弦波永磁同步电动机的反电动势波形为正弦波，其定子电压、电流也应为正弦波。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转子无阻尼磁阻，则按转子磁链定向的永磁同步电动机在dq坐标系上的磁链方程为：式中，——转子磁钢在定子上的耦合磁链；——永磁同步电动机的直、交轴主电感；——定子电流矢量的直、交轴分量。电压方程为：综合课程设计报告第4页共24页转矩方程为：由上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子交、直轴电流分量，在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，故采用转子磁链定向的方式来控制永磁同步电动机。在基频以下的恒转矩工作区中，控制定子矢量使之落在q轴上，即令,此时磁链、电压和转矩方程为此种控制方式较为简单，只要准确检测出转子空间位置，通过控制逆变器使三相定子合成电流位于q轴上，那么，永磁同步电动机的电磁转矩与定子电流幅值成正比，控制定子电流幅值就能很好的控制转矩，和直流电动机完全一样。图2-1给出了按转子磁链定向并使时PMSM的矢量图。3同步电动机变压变频(VVVF)调速系统3.1同步电动机变压变频调速的特点及基本类型同步电动机以转速与电源频率保持严格同步著称，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变，即。自从电力电子变压变频技术获得广泛应用图2-1PMSM矢量图qdOA综合课程设计报告第5页共24页后，采用电压-频率协调控制，同步电动机成为了调速电机家族的一员，并逐渐克服了启动费事、重载时有震荡乃至失步等问题。同步电动机的转子旋转速度与旋转磁场同步，转差恒为0，其变压变频调速自然属于转差功率不变型的调速。根据频率控制方法的不同，同步电动机VVVF调速系统可分为他控变频和自控变频两大类。用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统称作他控变频调速系统。用电机本身轴上所带转子位置检测器或电动机反电动势波形提供的转子位置信号，来控制变压变频装置换向时刻的系统是自控变频系统。3.2永磁同步电动机自控变频调速系统永磁同步电