曹少泳

(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海 519085 )

基于Matlab/Simulink永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

曹少泳

(北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 珠海 519085 )

永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)作為一種新型的交流同步電機(jī)，其在各行各業(yè)與日常生活中應(yīng)用非常廣泛；PMSM較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，較高的功率密度和運(yùn)行效率等優(yōu)點(diǎn)，使得其發(fā)展和應(yīng)用空間很廣泛；通過Scope模塊對(duì)定子三相電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩以及dq軸電流進(jìn)行觀察，并對(duì)系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)地修改；最后的結(jié)果表明，該調(diào)速系統(tǒng)具有啟動(dòng)快、調(diào)速特性好、響應(yīng)速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，為電動(dòng)機(jī)在實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了可靠的理論依據(jù)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)；坐標(biāo)變換；矢量控制；仿真建模

0 引言

PMSM在現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的控制下，使其功率因數(shù)變高，可以檢測(cè)轉(zhuǎn)子參數(shù)和效率更高的特點(diǎn)，近幾年來，國(guó)內(nèi)外的研究人員越來越重視研究永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)[1]。

PMSM是一個(gè)多變量、非線性、高耦合的系統(tǒng)。其輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流之間有著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，想要得到良好的控制性能，就必須對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行解耦；再加上PMSM沒有轉(zhuǎn)差頻率電流，轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)其影響不大，因此PMSM非常適合實(shí)現(xiàn)矢量控制[2]。

利用Matlab/Simulink軟件，建立一個(gè)PMSM的調(diào)速系統(tǒng)，通過仿真和調(diào)試對(duì)此調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析以達(dá)到更深一層的研究。

1 調(diào)速系統(tǒng)的模型建立

首先是確定PMSM整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的整體框圖，根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型以及永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制和空間矢量脈寬調(diào)制的研究(由于篇幅限制，此文不再闡述，可以參考文獻(xiàn)[3-10])，在Simulink中建立各個(gè)模塊，再把各模塊連在一起構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的整體模型。圖1為永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的整體模型框圖。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖

將三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的ABC坐標(biāo)系變換到αβ0坐標(biāo)系，再變換到dq0坐標(biāo)系，這樣使得d軸與轉(zhuǎn)子永磁體的N極同方向，因此可以像直流電動(dòng)機(jī)那樣,直接調(diào)節(jié)iq來控制轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到永磁同步電動(dòng)機(jī)解耦的目的。坐標(biāo)變換模塊如圖2-4所示，SVPWM模塊如圖5所示。

圖2 dq/αβ坐標(biāo)變換

圖3 abc/αβ坐標(biāo)變換 圖坐標(biāo)變換

圖5 SVPWM模塊圖

2 參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

2.1 模塊設(shè)置

2.1.1 dq/αβ坐標(biāo)變換

dq/αβ坐標(biāo)變換中Fcn1和Fcn的設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6 dq/αβ坐標(biāo)變換Fcn1設(shè)置 圖7 dq/αβ坐標(biāo)變換Fcn設(shè)置

2.1.2 abc/αβ坐標(biāo)變換

abc/αβ坐標(biāo)變換中Fcn1和Fcn的設(shè)置如圖8、圖9所示。

圖8 abc/αβ坐標(biāo)變換Fcn1設(shè)置 圖9 abc/αβ坐標(biāo)變換Fcn設(shè)置

坐標(biāo)變換

2.1.4 PMSM參數(shù)

永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)的參數(shù)設(shè)置如圖12所示。

圖12 PMSM參數(shù)設(shè)置

其中：R(Ω)是定子電阻，Ld(H)d相繞組自感，Lq(H)為q相繞組自感，Wb為轉(zhuǎn)子磁通，J(kg·m^2)為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，F(xiàn)(N·m·s)為摩擦系數(shù)，P為極對(duì)數(shù)。

2.2 仿真結(jié)果及分析

該系統(tǒng)逆變器的供電電壓設(shè)定為300 V，仿真總時(shí)間為t=0.5 s，在t=0.1 s時(shí)加入5 N·m的負(fù)載。剛開始T=0 s時(shí)輸入轉(zhuǎn)速信號(hào)為300 r/min,在t=0.3 s時(shí)轉(zhuǎn)速變?yōu)?00 r/min。

由圖13可以看出，定子三相電流的波形在開始時(shí)有波動(dòng)，隨后波形基本是呈正弦波，有微小的波動(dòng)。在0.1秒時(shí)突然加入負(fù)載后，波形發(fā)生畸變，有一個(gè)躍升，但很快就穩(wěn)定下來，0.3秒時(shí)給定轉(zhuǎn)速升高，波形發(fā)生畸變，隨后又再次穩(wěn)定，穩(wěn)定后的波形繼續(xù)呈正弦波。比較一下給定轉(zhuǎn)速為300 r/min和800 r/min，不難看出其電流的最大值在兩個(gè)給定轉(zhuǎn)速下是不變的，而頻率有明顯的不同，給定轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)的頻率較800 r/min時(shí)的頻率低。綜上，仿真符合PMSM調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)三相電流的波形。

圖13 定子三相電流 圖14 轉(zhuǎn)矩圖

圖14為PMSM的輸出轉(zhuǎn)矩圖。由圖可以看出，在0.1秒時(shí)突然加入5 N·m負(fù)載時(shí)，轉(zhuǎn)矩有明顯的上升，然后很快就穩(wěn)定下來，基本保持在5 N·m處，而當(dāng)給定轉(zhuǎn)速由300 r/min變?yōu)?00 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩突然上升，然后經(jīng)過短暫的振蕩后，繼續(xù)穩(wěn)定在5 N·m處。由圖還可以看出在加入負(fù)載和進(jìn)行調(diào)速的時(shí)候，其發(fā)生振蕩的時(shí)間較短，因此控制效果比較好。

一開始給定的轉(zhuǎn)速是300 r/min，在0.1秒時(shí)，轉(zhuǎn)速有明顯的下降，然后很快地又回到300 r/min上。這是因?yàn)樵?.1秒時(shí)有負(fù)載的加入，因此轉(zhuǎn)速會(huì)突然下降，通過PI控制器的快速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速很快又回到給定的轉(zhuǎn)速300 r/min上。而在改變給定速度時(shí)，轉(zhuǎn)速有明顯的躍升，經(jīng)過幾次振蕩后穩(wěn)定在所給定的轉(zhuǎn)速800 r/min上，如圖15所示。由此看出，該系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)反應(yīng)速度快，振蕩次數(shù)少，因此其調(diào)速性能良好。

圖15 轉(zhuǎn)速波形 圖16 dq軸電流

圖16中，q軸電流和d軸電流都是直流電流，而在0.1秒加入負(fù)載時(shí)，q軸電流有明顯的升高，隨后又很快的穩(wěn)定下來，在改變給定轉(zhuǎn)速時(shí)q軸電流經(jīng)過幾次短時(shí)間的振蕩后，回到了改變前的電流值，而d軸電流在加入負(fù)載和進(jìn)行調(diào)速時(shí)均有微小的波動(dòng)，但基本上電流都保持為零。由此可得，該系統(tǒng)中使用的id=0控制策略很成功。

3 總結(jié)

基于Matlab的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)仿真技術(shù)，目前已經(jīng)在開發(fā)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用與教學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是能夠在計(jì)算機(jī)上可模擬電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，及時(shí)并準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)研究過程中所出現(xiàn)問題，使得研究人員能夠快速制定解決方案，為實(shí)際應(yīng)用中提供了非?？煽康睦碚撘罁?jù)。利用Matlab/simulink對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真在理論依據(jù)上和實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有一定的意義。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，通過修改模型中的參數(shù)，對(duì)不同的仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，可知該永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。

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Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Control System Modeling and Simulation Based on Matlab/Sumlink

Cao Shaoyong

(School of Industrial Automation,Zhuhai College of Beijing Institute of Technology,Zhuhai 519085,China)

Permanent magnet synchronous motor(PMSM) is a kind of new type AC motor with high power density,small moment of inertia, more efficiency,and so on.Its application and development space is very broad,and it’s widely used in all walks of life and daily life nowadays. Used Scope to observe the stator current,speed,rotor angle,torque and dq axle current when in the simulation.So that we could perfect the parameter timely.Finally,the results showed that the speed control system has some advantages such as start-up fast,speed regulation characteristics is good,quick response time,stability,and so on.For that,it can provide a reliable theoretical basis for the actual speed control system design.

permanent magnet synchronous motor;coordinate transformation;vector control;modeling and simulation

2016-06-25；

2016-07-23。

曹少泳(1982-)，男，江西九江人，碩士研究生，主要從事電機(jī)與控制、 機(jī)器人方向的研究。

1671-4598(2016)12-0177-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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