永磁同步電機(jī)地仿真模型

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1、永磁同步電機(jī)的仿真模型1、永磁同步電機(jī)介紹永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanentMagnetssynchronousMotor,PMSM),轉(zhuǎn)子采用永磁材料,定子為短距分布式繞組,采用三相正弦波交流電驅(qū)動(dòng),且定子感應(yīng)電動(dòng)勢波形呈正弦波"定子繞組通過控制功率管(如IGBT)的不同開關(guān)組合,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場跟蹤永磁轉(zhuǎn)子的位置,自動(dòng)地維持與轉(zhuǎn)子的磁場有900的空間夾角,以產(chǎn)生最大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩"旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速則嚴(yán)格地由永磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速所決定,PMSM具有直流電動(dòng)機(jī)的特性,有穩(wěn)定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,可以自行起動(dòng),并可類似直流電動(dòng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,多用于伺服系統(tǒng)和高性能的調(diào)速系統(tǒng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子形狀可以分

2、為兩類:凸極式永磁同步電機(jī)和隱極式永磁同步電機(jī)。它們的區(qū)別在于轉(zhuǎn)子磁極所在的位置,凸極式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極是突起在軸上的,其直軸和交軸電感參數(shù)不相等"而隱極式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是內(nèi)置在軸內(nèi)的,直軸和交軸電感參數(shù)相等"凸極式轉(zhuǎn)子具有明顯的磁極,定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙是不均勻的,因此其磁路與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)。2、永磁同步電機(jī)的控制方法目前對(duì)永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)主要有磁場定向矢量控制技術(shù)（fieldorientationcontrol,FOC）與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（directtorquecontrol，DTC）。在這里我們使用磁場定向矢量控制技術(shù)來建立永磁同步電機(jī)的仿真模型。磁場定向矢

3、量控制技術(shù)的核心是在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中針對(duì)激磁電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq分別進(jìn)行控制，并且采用的是經(jīng)典的PI線性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性特性，可以按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逆變器控制采用了較成熟的SPWM、SVPWM等技術(shù)。磁場定向矢量控制技術(shù)較成熟，動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較佳，所以得到了廣泛的實(shí)際應(yīng)用。該方法摒棄了矢量控制中轉(zhuǎn)子磁場定向的思想，采用定子磁場定向，分別對(duì)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩直接進(jìn)行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)方法是：計(jì)算得到磁鏈和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值與參考值之間的偏差，通過滯環(huán)比較以及當(dāng)前定子磁鏈的空間位置確定控制信號(hào)，在離線計(jì)算的開關(guān)表中選取合適的空間電壓矢量，再通過離散的ba

4、ng-bang控制方式調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)，以控制逆變器產(chǎn)生合適的電壓和電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。直接轉(zhuǎn)矩控制摒棄了復(fù)雜的空間矢量坐標(biāo)運(yùn)算，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型得到了簡化，控制結(jié)構(gòu)也簡單，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化不敏感，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能得到了極大提高。然而有利也有弊，直接轉(zhuǎn)矩控制逆變器的開關(guān)頻率不固定；轉(zhuǎn)矩、電流脈動(dòng)大；采樣頻率也非常高。下圖為磁場定向矢量控制技術(shù)的原理圖。FOC控制技術(shù)的原理：原理圖中涉及到雙反饋，第一層反饋為轉(zhuǎn)速反饋：設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速初始值作為給定值，然后與反饋的實(shí)際值（位置傳感器采集到的位移微分得到）進(jìn)行比較，得到的差值輸入PI控制器進(jìn)行控制，得到交軸電流iq。同時(shí)三相繞組輸出的電流iA,

5、iB,iC經(jīng)過clarke變換和park變化得到iq和id的實(shí)際值，分別與給定值進(jìn)行比較，將比較后的值再進(jìn)行park轉(zhuǎn)換，得到的結(jié)果經(jīng)過SVPWM技術(shù)調(diào)制之后輸入到逆變器，繼而可以驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)。圖2.1磁場定向矢量控制技術(shù)原理3、基于FOC技術(shù)的永磁同步電機(jī)建模在這里采用的是最簡單的id=0的控制方法。Id=0時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端口看，永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)的直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，而且定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體磁動(dòng)勢空間矢量正交，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量。因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩僅僅依賴交軸電流，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中的交直軸電流解耦。下圖為建立的基于FOC控制技術(shù)的永磁同步電機(jī)

6、SIMULINK仿真模型圖2.2基于FOC技術(shù)的永磁同步電機(jī)SIMULINK模型控制模型主要包括轉(zhuǎn)速給定部分，比例積分（PI）模塊，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊，逆變器控制模塊，以及電動(dòng)機(jī)模塊。下面進(jìn)行一一介紹。3.1轉(zhuǎn)速給定部分轉(zhuǎn)速給定模塊使用SIMULINK中的常數(shù)（constant）模塊，單位為rpm。給定的速度要輸入到電角速度計(jì)算模塊（Gain）中，以得到給定轉(zhuǎn)速的電角速度（單位為rad/s）。設(shè)定電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)為4，則其參數(shù)為2*pi*4/60。圖2.3速度給定部分圖2.4電角速度計(jì)算模塊的參數(shù)設(shè)定3.2比例積分（PI）模塊調(diào)速系統(tǒng)實(shí)施轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速比例積分調(diào)節(jié)器中的比例模塊設(shè)置比例參數(shù)

7、，積分模塊設(shè)置積分參數(shù)。調(diào)節(jié)器內(nèi)同時(shí)設(shè)置了內(nèi)限幅和外限幅模塊（saturation）。設(shè)定的PI參數(shù)如下圖。圖2.5PI模塊的參數(shù)設(shè)定圖2.6PI模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.7Saturation的參數(shù)設(shè)置3.3坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊在三相靜止坐標(biāo)系下分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型存在著許多難以克服的困難，引入空間矢量坐標(biāo)變換理論可以簡化其數(shù)學(xué)模型，并能夠很容易的分析永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，空間坐標(biāo)變換矢量圖如圖2-4所示，圖中fs為空間矢量，可為電壓、電流、磁鏈等空間物理量，