基于SimuIink的永磁同步電機矢量控制系統研究

摘要：根據永磁同步電機(PMSM)在d-q坐標系下的數學(xué)模型，在Matlab／Simulink環(huán)境下，構建了永磁同步電機磁場(chǎng)定向矢量控制的仿真模型，并對PMSM控制系統進(jìn)行了仿真研究，同時(shí)用仿真結果表明了該仿真模型的有效性以及控制算法的正確性，為永磁同步電機控制系統設計和調試提供了理論基礎。
關(guān)鍵詞：Simulink；PMSM；矢量控制；仿真模型

0 引言
永磁同步電機作為一種新型的電機，在結構上去掉了電刷和換向器，運行可靠性較高；而且結構簡(jiǎn)單、體積小、運行時(shí)轉子無(wú)損耗。轉子磁場(chǎng)定向的矢量控制是交流伺服系統中使用較為廣泛的一種控制方式。其基本原理是通過(guò)坐標變換，在轉子磁場(chǎng)定向的同步坐標軸系上將電機定子的電樞電流分解為磁場(chǎng)電流和轉矩電流并分別控制，使交流電機具有和傳統直流電機同樣優(yōu)良的運行性能。本文對基于轉子磁場(chǎng)定向的矢量控制進(jìn)行了理論分析與研究，運用Matlab／Simulink對其調速運行進(jìn)行了建模與仿真。

1 永磁同步電機的數學(xué)模型
為了實(shí)現永磁同步電機數學(xué)模型的解耦，通常采用dq0坐標下的數學(xué)模型，這樣便于分析永磁同步電機的穩態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。本文是根據Matlab7．0版本中的永磁同步電機數學(xué)模型來(lái)進(jìn)行研究的。

式中，id、iq分別為定子電流的直軸分量和交軸分量，Ld、Lq分別為定子電感的直軸分量和交軸分量，p為極對數，R為定子電阻，ωr為轉子角速度，λ為電機磁鏈。
在dq0坐標系下，永磁同步電機的轉矩方程為：

式中，第一項稱(chēng)為永磁同步電機的永磁轉矩，第二項稱(chēng)為磁阻轉矩。
永磁同步電機運動(dòng)學(xué)方程：

式中，J為電機轉動(dòng)慣量，F為摩擦系數，θ為轉子的角度，Tm為電機的負載轉矩。

2 矢量控制原理
矢量控制又稱(chēng)轉子磁場(chǎng)定向控制，磁場(chǎng)定向控制按同步旋轉參考坐標系定向方式可分為轉子磁場(chǎng)定向、氣隙磁場(chǎng)定向和定子磁場(chǎng)定向。轉子磁場(chǎng)定向可以得到自然的解耦控制，在實(shí)際系統中得到廣泛應用。永磁同步電動(dòng)機矢量控制框圖如圖1所示。

圖1是一個(gè)雙閉環(huán)調速系統，主要由轉子磁極位置檢測及速度檢測模塊、坐標變換模塊、位置速度電流控制器、SPWM模塊、整流和逆變模塊等組成。
控制過(guò)程為：給定速度信號ω*與通過(guò)位置傳感器檢測計算得到的速度信號ω比較，經(jīng)速度控制器調節，輸出指令信號，作為q軸電流控制器給定信號；d軸電流控制器的給定信號為0。電流采樣得到的三相定子電流ia、ib、ic，通過(guò)Clark坐標變換化為αβ坐標系兩相電流iα和iβ，再通過(guò)Park坐標變換后得到d-q旋轉坐標系下電流值id、iq，分別作為d軸和q軸電流調節器的反饋輸入，通過(guò)比較元件得到兩者的偏差，分別輸入到d軸和q軸的電流控制器，經(jīng)調節后輸出電壓ud、uq，再經(jīng)過(guò)Park坐標逆變換和Clark坐標系逆變換得到ua、ub、uc，經(jīng)SPWM模塊輸出六路PWM，驅動(dòng)IGBT產(chǎn)生頻率和幅值可變的三相正弦電壓輸入永磁同步電機。