MATLAB/SIMULINK的永磁同步電機矢量控制系統仿真研究

1.引言

隨著(zhù)高性能永磁材料、大規模集成電路和電力電子技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機因為其功率密度高，體積小，功率因數和高效率而得到發(fā)展，且引起了國內外研究學(xué)者的關(guān)注。傳統的控制方式由于引入了位置傳感器而給當前的調速系統帶來(lái)了一系列的問(wèn)題：占據了比較大的有效空間，使系統編程復雜。因此無(wú)位置傳感器控制系統的研究變得越發(fā)的重要。

2.PMSM的坐標系和數學(xué)模型

永磁同步電機在定子三相(ABC)靜止坐標系下的電壓方程：

式中，三相繞組的相電壓瞬時(shí)值分別為A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相電流的瞬時(shí)值; s R 是永磁同步電機定子的每相繞組電阻; A ψ 、B ψ 、C ψ 是永磁體的磁鏈在各相繞組的投影。在d-q旋轉坐標系下的電磁轉矩方程為：

3.SIMULINK仿真

永磁同步電機無(wú)傳感器矢量控制的系統結構框圖，在MATLAB/Simulink下建立PMSM驅動(dòng)仿真分析，用id=0時(shí)的無(wú)傳感器矢量控制系統的仿真模型如圖2所示，各個(gè)模塊介紹如下：給定的參考轉速是700rpm;速度通過(guò)PI調節模塊，實(shí)現轉速的閉環(huán)控制策略，該調節采用了輸出限幅;接著(zhù)是電流PI調節器模塊構成電流的閉環(huán)控制，輸出了定子的電壓dq軸分量ud和uq;I-park逆變器模塊將兩相旋轉直角坐標系(dq)下的值向兩相靜止坐標系(αβ)下變化，它的輸出是αβ軸的定子電壓分量參考值Ualfa,Ubeta;SVPWM和逆變模塊用于實(shí)現參考電壓逆變及其調制，從而可以直接通給電機;PMSM是永磁同步電機模塊，負載轉矩是模塊Tm.反饋通道模塊有：

Clark變換模塊：實(shí)現三相坐標系(ABC)向兩相直接坐標系(αβ)的轉換，輸出的αβ坐標系下的電流值和電壓值作為觀(guān)測器的輸入，其中SMO模塊是反電動(dòng)勢估算模塊，SMO1是轉速和轉角估算模塊，這兩點(diǎn)是討論的關(guān)鍵問(wèn)題所在。

3.1 滑膜觀(guān)測器模塊

由滑膜觀(guān)測器的理論可以構造滑膜觀(guān)測器：由觀(guān)測器和控制驅動(dòng)器構成的物理模型如下：

控制系數z的目標是使電流的估計誤差接近0.通過(guò)合適的選擇系數k和正確的估算反電動(dòng)勢。在這里標志? 表示變量是估算的。標志*表示這個(gè)量可以獲得。

離散化后的公式：

這里Ts是采樣周期。

電機的角度估算值和反電動(dòng)勢之間的關(guān)系是：

轉子角度的計算步驟為：電流觀(guān)測器(圖4示意圖)，滑?？刂?圖5到圖7示意圖)，以及反電動(dòng)勢的計算圖。

滑膜觀(guān)測器構成原理圖和框圖分別是：

計算步驟是：電流觀(guān)測器，滑?？刂?，以及反電動(dòng)勢的計算圖。

3.2 空間矢量脈寬調制(SVPWM)

主要包括通過(guò)逆變器確定矢量所在的扇區，合成矢量分解到相鄰扇區的作用時(shí)間，計算電壓空間矢量的切換點(diǎn)。

(1)判斷矢量所在的扇區：

如果Va>0,則A=1否則A=0;如果Vb>0,則B=1否則B=0;如果Vc>0,則C=1否則C=0.扇區計算公式為：

4.實(shí)驗結果

永磁同步電機的定子相電阻是0.195684ohm,轉動(dòng)慣量是0.704905kg.m2,極對數是12對極，額定轉矩是160N.m,額定轉速是700rpm,以下是永磁同步電機滑?？刂葡到y的仿真結果。

負載突變時(shí)對調速系統的影響，結果分析：在仿真模型中，負載轉矩給定值是100N.m,在0.1s秒時(shí)增加到160N.m,通過(guò)以下仿真圖來(lái)分析變化的負載轉矩對系統影響。圖4.22是永磁同步電機在負載突變情況下的轉速波動(dòng)圖，從仿真圖形可以看出電機控制經(jīng)過(guò)短時(shí)間的振動(dòng)，進(jìn)入穩定的運行狀態(tài)且轉速穩定在700rad/s,轉速沒(méi)受到負載轉矩波動(dòng)的影響。

5.實(shí)驗結果與分析

本文析了永磁同步電機狀態(tài)方程，設計了滑模仿真器，并進(jìn)行了坐標變換，通過(guò)MATLAB/Simulink進(jìn)行了模型的仿真和調速，仿真的結果表明該種控制方式是有效的，能夠估算出轉子位置信息極該種滑?？刂剖欠€定而且有效的，最后分析了負載轉矩擾動(dòng)和系統參數變化對滑?？刂菩阅艿挠绊?。結果說(shuō)明基于滑?？刂频挠来磐诫姍C無(wú)傳感器控制系統具有很強的魯棒性，并且使用場(chǎng)合廣泛。