姜俊 宋臻 朱建光

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

六相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與分析

姜俊 宋臻 朱建光

（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

本文首先分析六相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其工作原理，推導(dǎo)出自然坐標(biāo)系下和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并且在Simulink中仿真實(shí)現(xiàn)六相永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型及其矢量控制。仿真結(jié)果證明了所建數(shù)學(xué)模型的正確性，表明六相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。

六相永磁同步電機(jī)；矢量控制；MATLAB/Simulink；仿真

六相永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量小、效率高、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空、全電力艦船推動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域［1］。六相永磁同步電機(jī)是對(duì)永磁同步電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，它由兩套三相繞組構(gòu)成，相較于傳統(tǒng)的三相永磁同步電機(jī)，它具有更多的優(yōu)點(diǎn)［2］，如空間諧波最低次數(shù)要比一般三相電機(jī)高，諧波幅值低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，效率高，并且一旦發(fā)生斷相故障，系統(tǒng)仍然可以可靠運(yùn)行［3］。

本文給出六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并且在MATLAB/Simulink中搭建其數(shù)學(xué)模型及其矢量控制系統(tǒng)的模型。采用不同的運(yùn)行條件對(duì)該矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明了該模型的正確性，表明該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能和抗擾動(dòng)性能。

1 六相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

為了建立六相永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，假設(shè)六相永磁同步電機(jī)為理想電機(jī)，并且滿足下面的假設(shè)［4-5］：①忽略磁路飽和的影響，不計(jì)渦流、磁滯效應(yīng)以及導(dǎo)體趨膚效應(yīng)的影響；②忽略空間諧波磁場(chǎng)的影響，氣隙磁場(chǎng)按照正弦分布；③六相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子無阻尼繞組，永磁體的磁勢(shì)恒定；④不考慮頻率和溫度的變化對(duì)六相永磁同步電機(jī)參數(shù)的影響。

在滿足上面假設(shè)條件的前提下，首先得到六相永磁同步電機(jī)在六相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)，然后根據(jù)坐標(biāo)變換公式［6，7］，將六相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型［8］：

電壓方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的六相永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型與六相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系相比較，其階數(shù)降低了，六相永磁同步電機(jī)的磁勢(shì)分量也不再是與位置角有關(guān)的函數(shù)了，這為六相PMSM的高性能控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 基于id=0的矢量控制

采用電機(jī)定子電流直軸分量id=0控制，從式（3）中可以得到，當(dāng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)np和電機(jī)永磁體的磁鏈ψf都為一恒定值時(shí)，六相永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與電流在交軸上的分量iq呈正比例關(guān)系。所以，只要控制iq的瞬時(shí)值大小就可以達(dá)到對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值控制的目的，在控制id=0的情況下，六相永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)矩就只與電機(jī)定子電流的交軸分量有關(guān)，然后通過改變iq的值就可以獨(dú)立控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦［9］。圖1就是根據(jù)該思想構(gòu)造的基于id=0的六相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 基于id=0的六相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

圖1所示的六相永磁同步電機(jī)矢量系統(tǒng)的工作原理為：給定一額定轉(zhuǎn)速ω*，該值與實(shí)際轉(zhuǎn)速ω做差，然后輸入速度PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，PI調(diào)節(jié)器的輸出值再作為電機(jī)交軸電流的給定值，同時(shí)給定直軸分量=0，將給定值的和與反饋回來的電流值同時(shí)經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的值分別為交軸電壓值和直軸電壓值，轉(zhuǎn)子永磁磁鏈ψf的位置角θ由光電編碼器測(cè)出，該位置角θ與交軸和直軸電壓值經(jīng)過坐標(biāo)變換后作為PWM產(chǎn)生模塊的輸入，產(chǎn)生PWM波形控制IGBT逆變器的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而得到六相定子電流的瞬時(shí)給定值，該值再經(jīng)過坐標(biāo)變換作為直軸和交軸的電流反饋值。

3 矢量控制系統(tǒng)仿真

在MATLAB/Simulink中對(duì)六相永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，整個(gè)控制系統(tǒng)如圖2所示，其中電機(jī)的具體參數(shù)為：電機(jī)相數(shù)為6相，極對(duì)數(shù)為11，定子電阻為0.34173Ω，永磁體磁鏈為0.175WB，d軸電抗為0.007 002H，q軸電抗為0.005405H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.35kg/m2，阻尼系數(shù)為0N·m·s，額定轉(zhuǎn)速為270r/min。

圖2 六相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

六相永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括速度和電流調(diào)節(jié)模塊、坐標(biāo)變換模塊、PWM產(chǎn)生模塊、六相逆變器模塊和六相永磁同步電機(jī)模塊。

4 仿真結(jié)果分析

電機(jī)空載啟動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)后，在0.4s時(shí)突加20N·m負(fù)載的轉(zhuǎn)矩，仿真時(shí)間為1s，其輸出轉(zhuǎn)速和六相相電流如圖3、4所示。

圖3 輸出轉(zhuǎn)速曲線

從圖3可以看出，達(dá)到給定速度的上升時(shí)間為0.2s左右，震蕩時(shí)間短，對(duì)于在0.4s處突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，從速度曲線可以看出，其穩(wěn)態(tài)誤差很小，速度的脈動(dòng)幅值也很小。

圖4 六相電流波形

電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，初始六相電流處于不斷振動(dòng)狀態(tài)，運(yùn)行一段時(shí)間后，在0.2s處波形趨于平穩(wěn)，幅值在4A左右，突加負(fù)載后，六相電流有0.04s波動(dòng)，但很快就再次恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)，并且其幅值增加到6A左右。

仿真結(jié)果表明，在MATLAB/Simulink中所建立的六相永磁同步電機(jī)模型及其矢量控制系統(tǒng)模型具有響應(yīng)速度快、抗擾動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了六相永磁同步電機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并且在MATLAB/Simulink中建立其數(shù)學(xué)模型及其矢量控制系統(tǒng)模型，然后采用不同的運(yùn)行條件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，該矢量控制模型仍然具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能，證明其具有抗擾動(dòng)的特點(diǎn)。

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Simulation and Analysis of Six phase Permanent Magnet Synchronous Motor Control System

Jiang JunSong ZhenZhu Jianguang
（School of Information Science and Engineering,Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

In this paper,the structure and working principle of the six-phase permanent magnet synchronous motor are analyzed.The mathematical model of the six-phase stationary coordinate system is given.Based on the coordi?nate transformation equation,the mathematical model of the two-phase rotating coordinate system is established. Based on MATLAB/Simulink,a simulation model of six-phase permanent magnet synchronous motor vector control system is constructed.The simulation results show that the mathematical model of the six-phase permanent magnet synchronous motor has the advantages of fast dynamic response,high steady-state precision and small torque ripple.

six phase permanent magnet synchronous motor；vector control；MATLAB/Simulink；simulation

TM359.4

A

1003-5168（2017）08-0063-03

2017-07-03

姜?。?990-），女，碩士，研究方向：智能檢測(cè)與控制技術(shù)。