林加堃,涂群章,段克軍,陸　凱,鄒　珊

(1.解放軍理工大學　a.野戰(zhàn)工程學院; b.訓練部，南京　210007;

2.南京軍區(qū)浙江省軍區(qū) 73237部隊，寧波　315000)

?

永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真與試驗

林加堃1a,涂群章1a,段克軍1a,陸凱2,鄒珊1b

(1.解放軍理工大學a.野戰(zhàn)工程學院; b.訓練部，南京210007;

2.南京軍區(qū)浙江省軍區(qū) 73237部隊，寧波315000)

摘要：以電傳動工程機械用永磁同步電機為研究對象，運用現(xiàn)代控制理論、永磁同步電機矢量控制和弱磁控制策略實現(xiàn)對電機的控制，建立仿真模型，構建了電機測試臺架，利用該測試臺架進行了試驗。仿真和試驗結果表明，該電機控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性，為研究電傳動工程機械用永磁同步電機高性能控制奠定理論和試驗基礎。

關鍵詞：電傳動工程機械；永磁同步電機；仿真模型；測試臺架；性能測試

Citation format:LIN Jia-kun, TU Qun-zhang, DUAN Ke-jun, et al.Simulation and Experiment of Permanent Magnet Synchronous Motor Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):150-153.

在工程機械領域，隨著對機械結構底盤空間布置、控制精確度、能源利用率以及維修保養(yǎng)等方面的要求越來越高，相比于傳統(tǒng)的機械傳動形式，電傳動技術越來越凸顯其優(yōu)勢，采用高性能的電傳動結構和伺服電機系統(tǒng)成為工程機械發(fā)展的一個必然趨勢[1]。作為電傳動工程機械的核心之一，永磁同步電機具有體積小、質量輕、轉子無發(fā)熱問題的特點，同時電機內含的永磁體提供勵磁，沒有勵磁損耗，具有效率高、功率密度大、控制精度高等優(yōu)點，因此，從當今世界電傳動的研究情況[2]和電機發(fā)展水平[3]來看，永磁同步電機是電傳動工程機械的最佳選擇。

本研究運用PID控制理論[4]和永磁同步電機矢量控制原理[5-6]，構建速度-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)對電機的調速控制。通過在MATLAB中建立永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型，對電機控制系統(tǒng)進行仿真分析，在構建的電機測試臺架上對電機控制系統(tǒng)進行性能測試，以此來檢驗永磁同步電機控制性能，為研究該類電機高性能控制提供了依據。

1控制系統(tǒng)仿真模型的建立

對電傳動工程機械用永磁同步電機控制的要求是：基速以下工作在恒轉矩工作區(qū)，基速以上工作在恒功率工作區(qū)。因此控制方案采用磁場定向矢量控制與弱磁控制[7]，即電機在基速以下運行時，使定子電流的勵磁分量isd=0，通過控制直流量isq來控制轉矩；超過基速時，負向增大isd的電流值，在保持電機的輸出電壓不變的情況下調速。

在Matlab中，利用Simulink和SIMSCAPE的塊圖模型建立永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型。本研究主要以正弦波永磁同步電機為研究對象，電機控制系統(tǒng)主電路由模塊直流電源DC、逆變器和永磁同步電機組成[8]，反饋回路為具有速度調節(jié)和電流調節(jié)的雙閉環(huán)回路，仿真模型如圖1所示。

圖1　永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真模型

PMSM參數(shù)值定子電阻Rs/Ω2.875勵磁磁通/Wb0.175定子d軸電感Ld/H0.0085定子q軸電感Lq/H0.0085轉動慣量J/(kg·m2)0.0008極對數(shù)p1

表2　轉速調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR-q參數(shù)

2電機調速控制仿真分析

模型的仿真分析結果如圖2(a)~圖2(f)所示。其中，圖2(a)為轉速響應，電機空載啟動，經過0.02 s的升速，轉速迅速穩(wěn)定在給定轉速2 000 rad/s，在0.1 s時刻加載到2 N·m，轉速圍繞給定值稍有波動；圖2(b)為轉矩響應，電機剛開始運轉時轉矩波動較大，0.03 s后轉矩在Te=0處趨于穩(wěn)定，在0.1 s時刻加載后，轉矩在2 N·m處出現(xiàn)振蕩；圖2(c)為定子電流勵磁分量id和轉矩分量iq，可以看出，其動態(tài)過程與轉矩響應相類似，加載后轉矩分量iq比勵磁分量id振蕩更明顯；圖2(d)～圖2(f)分別為三相定子電流波形，可以看出，電流波形圖基本符合正弦波理論。仿真分析結果表明，該電機控制系統(tǒng)加速性能良好，運行穩(wěn)定，具有較好的特性[9]。

3電機測試臺架的構建

電機測試臺架的系統(tǒng)原理示意圖如圖3，實物圖如圖4。電機測試臺架主要由交流電力測功機、西門子變頻器、測控儀、轉矩轉速傳感器、永磁同步電機、380V直流電源、電機控制器、功率分析儀以及琴臺式操作臺組成。電力測功機可以作為電機的負載，測量電機軸上的輸出轉矩，也可作為直流發(fā)電機運行，拖動電機運轉，測量其軸上輸入轉矩；測控儀、電力測功機和轉矩轉速傳感器等配套組成整個測控系統(tǒng)，完成電機轉矩和轉速的機械參數(shù)測量；功率分析儀則用于測量電機的電參數(shù)，如電壓、電流等。實驗時，所有的指令均可以從琴臺式操作臺發(fā)出，該操作臺上的控制面板嵌有測控儀，測試臺架嚴格按照操作臺與測控儀、測控儀與變頻器之間CAN總線通訊協(xié)議編寫。

4電機性能測試及結果分析

為了檢驗永磁同步電機控制系統(tǒng)的性能，并驗證測試臺架的實用性，在構建的測試臺架上進行永磁同步電機控制系統(tǒng)試驗研究。結合電傳動工程機械驅動電機參數(shù)匹配情況[10]和實際工況，設定的電機性能參數(shù)見表3所示。

表3　永磁同步電機性能參數(shù)

圖2　正弦波永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真波形

圖3　電機測試臺架系統(tǒng)原理示意圖

模擬工程機械加速工況，進行加速性能測試，當其速度從0升至最高行駛速度時，對應的電機轉速從0升至3 500 rad/s?？紤]到加速工況下電機功率需求[11]以及加速過程中加速阻力等各種實際阻力的影響，假設電機負載為616 N·m[12]，測試步驟如下：

1) 設定電力測功機運行模式為恒轉矩模式，階躍轉速為3 500 rad/s，電機負載轉矩為616 N·m，電機由靜止開始運轉，記錄電機轉速值；

2) 將電機負載改為空載，其他設定保持不變，記錄電機轉速值；

3) 采集兩組試驗數(shù)據，繪制電機加速特性曲線，如圖5所示。

圖4　電機測試臺架實物圖

圖5　PMSM加速特性曲線

從圖5中可以看出，永磁同步電機控制系統(tǒng)在負載條件下和空載條件下，都能快速平穩(wěn)地達到目標轉速?？蛰d運行時，電機約在14.4 s達到穩(wěn)態(tài)；負載運行時，電機約在16.8 s達到穩(wěn)態(tài)，相比較空載條件下的響應，負載條件下的響應稍微滯后?？傮w而言，該電機控制系統(tǒng)加速性能良好，較好地實現(xiàn)了瞬態(tài)調速，轉速控制精度高。

模擬工程機械作業(yè)工況，進行加載性能測試。電機空載啟動，設定轉速為額定轉速950 rad/s，電機運轉穩(wěn)定后，給電機施加一個1 000 N·m的階躍負載，記錄電機轉矩值和轉速值。采集試驗數(shù)據，繪制電機加載特性曲線，如圖6所示。

圖6　PMSM加載特性曲線

從圖6(a)轉矩響應圖可以看出，電機轉矩約在27 ms處達到目標值1 000 N·m，響應時間短，轉矩可控性強；從圖6(b)轉速響應圖可以看出，當電機處于穩(wěn)定運轉狀態(tài)時突然加載，電機轉速值僅在很短時間(約為6 ms)內發(fā)生波動就恢復穩(wěn)定，表明該電機控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾性。

5結束語

驅動電機及其控制技術是電傳動工程機械的關鍵技術之一，永磁同步電機因其優(yōu)勢而廣泛應用于低速大轉矩、高速恒功率、負載波動頻繁的電傳動工程機械已成為必然趨勢，因此，研究永磁同步電機及其控制系統(tǒng)對于研發(fā)電傳動工程機械具有重大意義。本研究運用現(xiàn)代控制理論和永磁同步電機控制策略，建立電機控制系統(tǒng)，依托Matlab軟件和測試臺架進行仿真分析和試驗研究，結果表明，該電機控制系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)特性，為研究電機的高性能控制奠定基礎，仿真和試驗結果為不斷完善和優(yōu)化電機控制算法，實現(xiàn)對電機快速、精確、高效控制提供了依據。

參考文獻：

[1]張德恩,鄒少軍.軍用推土機的發(fā)展分析[J].工兵裝備研究,2013,25(4):6-10.

[2]張欲保,熊為水.軍用工程機械的發(fā)展、分析與未來[J].交通世界,2010(10):40-48.

[3]廖自立,馬曉軍,臧克茂,等.履帶裝甲車輛電傳動用電機系統(tǒng)比較研究[J].微特電機,2012(4):11-13.

[4]王成元,夏加寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2013.

[5]王曉明.電動機的DSP控制—TI公司DSP應用 [M].2版.北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[6]周雅夫,連靜,李駿,等.基于矢量控制的混合動力汽車電機控制器設計[J].汽車電器,2013(7):1-6.

[7]王艾萌.內置式永磁同步電機的優(yōu)化設計及弱磁控制研究[D].河北:華北電力大學,2010.

[8]洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[9]SEOK J K,KIM J S,SUL S K.Overmodulation strategy for high-performance torque control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1998,13(4):786-792.

[10]孫逢春,陳樹勇.履帶車輛感應電動機驅動系統(tǒng)匹配理論[J].機械工程學報,2008(11):260-266.

[11]張興春,張幽彤,黃文卿.車用內置式永磁同步電機過調制弱磁算法[J].北京理工大學學報,2013(9):925-928.

[12]KWON TAE SUK,CHOI GI YOUNG,KWAK MU SHINET,et al.Novel flux-weakening control of an IPMSM for quasi-six-step operation[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2008,44(6):1722-1731.

(責任編輯楊繼森)

Simulation and Experiment of Permanent Magnet Synchronous Motor Control System

LIN Jia-kun1a, TU Qun-zhang1a, DUAN Ke-jun1b, LU Kai2, ZOU Shan1b

(1.a.College of Field Engineering; b.Training Command, PLA University of Science & Technology,Nanjing 210007, China; 2.The No.73237thTroop of Zhejiang Provincial Military Region,Nanjing Military Region, PLA, Ningbo 315000, China;

Abstract:Taking the permanent magnet synchronous motor (PMSM) for electric-drive construction machinery as the research object, the control of PMSM was realized by the use of modern control theory, PMSM vector control and flux-weakening control strategy. The simulation model was established and a test bench of PMSM was built. Finally PMSM control system was tested on the bench. The results of simulation and experiment show that PMSM control system has good dynamic and static characteristics. The research provides the theoretical and experimental basis for the study of PMSM control for electric-drive construction machinery.

Key words:electric-drive construction machinery; permanent magnet synchronous motor; simulation model; test bench; performance testing

文章編號：1006-0707(2016)02-0150-04

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.036

作者簡介：林加堃(1991—)，男，碩士研究生，主要從事機電一體化研究。

收稿日期：2015-06-11；修回日期：2015-06-30

本文引用格式：林加堃,涂群章,段克軍,等.永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真與試驗[J].兵器裝備工程學報，2016(2):150-153.

【信息科學與控制工程】