基于SVPWM的永磁同步電機矢量控制系統設計

引言
基于正弦波的永磁同步電動(dòng)機(簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM)具有功率密度大、效率高、轉子損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在運動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應用。矢量控制主要采用脈寬調制(PWM)技術(shù)來(lái)控制輸出電壓并減小諧波。其中，SVPWM具有系統直流母線(xiàn)電壓利用率高、開(kāi)關(guān)損耗小、電動(dòng)機轉矩波動(dòng)小等優(yōu)越性能，因此，PMSM的矢量控制已被證明是一種高性能的控制策略。
本文借助PMSM數學(xué)模型，分析了同步電動(dòng)機的矢量控制原理和SVPWM調制方法，同時(shí)借助Matlab強大的仿真建模能力，構建了SVPWM同步電動(dòng)機矢量控制系統的仿真模型，并通過(guò)仿真實(shí)驗予以驗證。

1 PMSM數學(xué)模型
永磁同步電機的矢量控制基于電機的dqO坐標系統。在建立數學(xué)模型前，可先作以下幾點(diǎn)假設：即忽略鐵心飽和，不計渦流及磁滯損耗，轉子上沒(méi)有阻尼繞組，永磁材料的電導率為零，電機電流為對稱(chēng)的三相正弦電流。在上述假設的基礎上，運用坐標變換理論，便可得到dqO軸下PMSM數學(xué)模型。
該模型的電壓、磁鏈、電磁轉矩和功率方程(即派克方程)如下：


2 矢量控制系統
2．1 矢量控制基本原理
矢量控制的基本思想是在磁場(chǎng)定向坐標上，將電流矢量分解成兩個(gè)相互垂直，彼此獨立的矢量id(產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量)和iq(產(chǎn)生轉矩的轉矩電流分量)，也就是說(shuō)，控制id和iq便可以控制電動(dòng)機的轉矩。
按轉子磁鏈定向的控制方法(id=0)就是使定子電流矢量位于q軸，而無(wú)d軸分量。此時(shí)轉矩Te和iq呈線(xiàn)性關(guān)系(由上轉矩方程)，因此，只要對iq進(jìn)行控制，就可以達到控制轉矩的目的。既定子電流全部用來(lái)產(chǎn)生轉矩，此時(shí)，PMSM的電壓方程可寫(xiě)為：

通過(guò)上面的簡(jiǎn)化過(guò)程可以看出，只要準確地檢測出轉子空間位置的θ角，并通過(guò)控制逆變器使三相定子的合成電流(磁動(dòng)勢)位于q軸上，那么，通過(guò)控制定子電流的幅值，就能很好地控制電磁轉矩。此時(shí)對PMSM的控制，就類(lèi)似于對直流電機的控制。
2．2 矢量控制調速系統的控制組成
在電機起動(dòng)時(shí)，就應當通過(guò)軟件進(jìn)行系統初始定位，以獲得轉子的實(shí)際位置，這是永磁同步電機實(shí)現矢量控制的必要條件。首先，應通過(guò)轉子位置傳感器檢測出轉子角位置ωr，同時(shí)計算出轉子的速度n，然后檢測定子(任兩相)電流并經(jīng)矢量變換，以得到檢測值id和iq，然后分別經(jīng)PI調節器輸出交直流軸電壓值ud和uq，再經(jīng)過(guò)坐標變換后生成電壓值uα和uβ，最后利用SVPWM方法輸出6脈沖逆變器驅動(dòng)控制信號。圖l所示是PMSM矢量控制原理圖。