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1、基于MATLAB/SIMULINK永磁同步电动机调速系统的建模与仿真,电自07102 邱华静 指导教师：薛继汉 马俊涛,1内容简介：,在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能。永磁同步电机（PMSM）是一个复杂耦合的非线性系统。本文在Matlab/Simulink环境下，通过对PMSM本体、d/q坐标系向a/b/c坐标系转换等模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统仿真模型。仿真结果证明了该系统模型的有效性。,永磁同步电动机的优缺点：,功率密度高 转子的转动惯量小 运行效率高 转轴上无滑环和电刷,转子励磁无法灵活
2、控制 永磁体存在失磁现象 转子磁势受环境温度影响 滞后定子功率因数,1.1永磁同步电动机在现代工业中的应用,定速驱动 调速驱动 精密控制驱动 高精度的伺服控制系统 最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统 。 信息技术中的永磁同步电动机 信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机 。,1.2永磁同步电动机的应用前景,由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的永磁同步电动机大大扩展。可以毫不夸张地说，
3、永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。 由于稀土永磁材料具有很高的剩磁密度和很大的矫顽力，由此做成的永磁转子在电动机内所需空间小，且它的导磁系数与与空气导磁系数相近，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻均较大，可大大减少电枢反应。因此，永久磁铁励磁的同步电动机具有体积小、重量轻、效率高、转子无发热问题、控制系统较异步电动机简单等特点。永磁同步电动机广泛用于千瓦级以下的伺服传动系统中。,1.3本课题的研究现状及前景 ：,高性能永磁材料的发展 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开
4、发应用 大规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制,自70年代以来，科学技术的发展极大地推动 了同步电动机的发展和应用：,70年代人们对交流电机提出了矢量控制的概念。这种理论的主要思想是将交流电机电枢绕组的三相电流通过坐标变换分解成励磁电流分量和转矩电流分量，从而将交流电动机模拟成直流电动机来控制，可获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。这种控制方法已经成熟，并已成功地在交流伺服系统中得到应用。 近年来各种集成化的数字信号处理器(DSP)发展很快，性能不断改善，软件和开发工具越来越多，出现了专门用于电机控制的高性能、低价位的DSP。集成电路和计算技术的发展对永磁同步电
5、动机控制技术起到了重要的推动作用。,2正弦波永磁同步电动机,图2.1 正弦波永磁同步电动机的基本组成框图,2.1正弦波PMSM的基本运行原理,定子三相绕组采用正弦绕组; 由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转; 定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速; 转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;,正弦波PMSM属于自控式、无刷结构同步电动机,2.2正弦波永磁同步电动机的调速原理,由于转子磁通恒定，永磁同步电动机调速系统常采用转子磁场定向的矢量控制技术，即将两相旋转坐标系的d轴定在转子磁链r 方向上，其矢量图如图2.2。
6、,图2.2 永磁同步电动机id1=0时的矢量图,在转子d-q坐标系下， 永磁同步电动机的定子电压方为 ud1=Rs id1+pd1-rq1 (2-1) uq1=Rs iq1+pq1-rd1 式中，ud1、uq1为定子电压矢量us的d、q轴分量，r为转子角频率，p为微分因子。 永磁同步电动机定子磁链方程 d1=Ld id1+r (2-2) q1=Lqiq1 式中，Ld、Lq为永磁同步电动机的直轴、交轴主电感，id1、iq1为定子电流矢量is的直轴、交轴分量。,转矩方程为 Te=pm(d1iq1-q1id1）=pmr iq1 +（Ld - Lq ）id1 iq1 （3-3） 在基速以下恒转矩运行区
7、中，常采用定子电流矢量位于q轴且全部位于产生转矩的控制方式，即id1=0， iq1= is 。此时转矩方程变为 Te=pmr is （3-4） 由于转子为永磁结构，r为常数，转矩仅与定子电流的幅值成正比，类似于直流电动机，实现了解耦控制。只要控制好定子电流的幅值，就会得到满意的转矩控制特性。,图2.3 永磁同步电动机控制系统的结构原理图 如图2.3所示，正弦波永磁同步电动机调速系统的主回路由脉宽调制（PWM）逆变器、永磁同步电动机、转子位置检测器、电流传感器以及速度传感器组成。 控制回路由速度调节器、矢量变换器、PWM生成器及驱动电路、转速反馈变换回路组成。,图2.4（a）滞环电流跟踪型PWM
8、逆变器单相结构示意图,滞环跟踪型PWM逆变器的单相结构示意图如图2.4（a）所示。其工作原理是：当反馈电压的瞬时值i与给定电流i*之差达到滞环的上限时，i-i*HB(HB为滞环宽度)时，逆变器的VT1关断，VT4导通，电动机接电压-U,i下降；相反，i-i*HB时，VT1导通，VT4关断，电动机接电压+U,i上升。这样，通过VT1、VT4的交替通断，使i-i*HB，达到跟踪目的。,图2.4(b) 滞环电流跟踪型PWM逆变器输出电压、电流波形,图2.4（b）为电动机稳态运行时，逆变器输出的电流与电压的PWM的波形。,3正弦波永磁同步电动机调速系统的建模与仿真,系统的仿真模型如图3.所示，系统主电
9、路由模块直流电源DC、逆变（Universal Bridge）和永磁同步电动(Permanent Magnet Synchronous Machine)组成，永磁同步电动机的励磁类型选择正弦波Sinousoidal。电动机模块参数、转速调节器ASR和电流调节器q-ACR参数见表3.1，电动机转速、电流和转角信号都取自同步永磁电动机的检测模块。模型中放大器Gain1用于调整dq0-abc模块输出三相调制信号幅值，Gain2用于调整定子三相电流反馈信号幅值，Gain2用于设定电动机极对数，图中设定极对数p=1。,表3.1 正弦永磁同步电动机调速系统模型参数,图3.1永磁同步电动机仿真模型,PMSM
10、的参数设置:所选电机模型已为正弦波永磁同步电动（sinusoidal flux distribution），Resistance（即定子电阻）设为2.875，Inductances(即定子电感)LD和LQ均设为0.0085，其他为默认值。,图3.2 全控桥逆变器模型,逆变器（如图3.2Universal Bridge）参数设置:桥臂选为3，电力电子器件选IGBT,其他数据为默认值。,脉冲发生器、电流调节器、转速调节器的建模及相关设置如图3.3至图3.5所示。,图3.3 脉冲发生器模型,图3.4 电流调节器仿真模型及子系统符号,图3.5 转速调节器仿真模型及子系统符号,仿真时所设负载为4Nm，在
11、0.1s时加入负载，即step time:0.1，initial value:0,final value:4。模型及设置如图3.6所示。,图3.6 负载模型,图3.7 正弦永磁同步电动机调速系统模型,图3.8（a） 转速,3.8(b) 电磁转矩分量和励磁分量,图3.8（a）为转速响应，电动机以空载起动，0.1s时加载4Nm，在0.14s时转速略有波动，分析是所加负载引起转速抖动并伴有延迟。,图3.8（b）为定子电流的转矩分量isq和励磁电流isd,图3.8（c）电磁转矩和负载转矩,图3.8（c）为电动机转矩，其中黄线为Te为电磁转矩响应，紫线为TL为给定的负载转矩。,图3.8(d) A、B、C
12、相电流,图3.8（d）黄线为a相定子电流波形，紫线为b相定子电流波形，绿线为c相定子电流波形。,图3.8（e）转子角,图3.8（e）为转子角变化。,致 谢 本论文在马俊涛老师的指导下得以顺利完成，马老师在论文选题、设计思路方面给予精心指导，向我提高了丰富的参考资料，在设计期间出现的疑难也进行引导，使我在运用已学知识解决设计中出现的问题的能力有所提高。通过这次设计使我在word、MATLAB等软件的应用方面有所进步，在出现问题时周围同学的指点也大大帮助我提高了设计进度。 值此完成之际，谨向马老师致以最真挚的谢意！同时向大学四年来教授我知识的教授老师表示衷心感谢！,Thanks for your attention,
