周海燕，邊曉偉，張譯之，馬春生，王 寬

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

基于simulink的永磁同步電機的SVPWM控制和電流滯環(huán)控制

周海燕，邊曉偉，張譯之，馬春生，王 寬

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

通過MATLAB/simulink/SimpowerSystems工具箱，結(jié)合永磁電機的數(shù)學模型建立了永磁同步電機的SVPWM控制和電流滯環(huán)控制兩種系統(tǒng)模型，通過仿真結(jié)果表明，這兩種控制系統(tǒng)有良好的性能，為現(xiàn)實中的控制系統(tǒng)設計提供一種理論基礎。

永磁同步電機；矢量控制；SVPWM；電流滯環(huán)；仿真

隨著純電動汽車的逐步推廣，永磁同步電動機憑借其效率較高，功率密度大，低損耗，運行可靠等優(yōu)點，在純電動機械應用十分廣泛。在對電機控制[1]性能的要求逐漸提高的背景下，建立合適有效的控制仿真模型一直是電機控制領域的研究熱點[2]。

1 永磁同步電機的數(shù)學模型

永磁同步電機和普通的勵磁同步電機一樣都是定子三相對稱繞組。一般通過慣例來規(guī)定電機各個參數(shù)物理量的相關正方向。本文以三相星形的通電模式來分析永磁同步電機數(shù)學模型及其電磁轉(zhuǎn)矩等特性[3]，做以下設定：

（1）磁路不是飽和的，電機的電感不受電流影響；

（2）忽略渦流和磁滯損耗并且電機不受齒槽、換相以及電樞反應的影響；

（3）定子的三相繞組是完全對稱的，且永久磁鋼的磁場順著氣隙的四周呈正弦分布；

（4）在定子的內(nèi)表面電樞繞組連續(xù)分布且均勻；

（5）驅(qū)動、續(xù)流二極管均為理想元件；

（6）在氣隙中轉(zhuǎn)子磁鏈呈正弦分布[4]。

由此電機電壓平衡方程：

又因為三相繞組為三相星形連接，而且沒有中線：

其中：ua，ub，uc為定子相繞組 a，b，c 三相電壓；r為電機定子電阻；L 為電機每相繞組的自感；ia，ib，ic為三相繞組相電流；ea，eb，ec為 a，b，c 定子相繞組電動勢；M為電機每兩相繞組之間的互感；p=d/dt微分；

定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的表達式[5]：

式中，Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；TL為電機負載轉(zhuǎn)矩；B為電機阻尼系數(shù)；J為電機轉(zhuǎn)動慣量；np為電機極對數(shù)[6]。

2 電機控制模型的建立

根據(jù)上節(jié)建立的永磁同步電機的數(shù)學模型，通過MATLAB建立永磁同步電機的SVPWM矢量控制模型以及電流滯環(huán)控制模型。這兩個都是電流內(nèi)環(huán)反饋、轉(zhuǎn)速外環(huán)反饋控制的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。首先，輸入一個合理的參考轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)傳感器檢測到的電機轉(zhuǎn)速，兩者對比可以得到一個轉(zhuǎn)速偏差，再利用電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間對應的關系，通過對電機速度進行PI控制，然后通過計算得到定子電流ia，ib，相對應的定子參考電流id*和iq*.接下來由相電流檢測電路提取出電機的兩相電流ia，ib，然后將此電流通過Clark以及park變換，將靜止坐標上的ia，ib電流轉(zhuǎn)換到d，q旋轉(zhuǎn)坐標系中，得到對應d，q旋轉(zhuǎn)坐標系中的id和iq電流，然后與上述的id*和iq*相比較（規(guī)定id*=0），將結(jié)果通過PI控制處理后輸出對應控制量。接下來將控制量進行park逆變換，然后傳遞給三相逆變器以得到控制定子繞組的實際電流。此過程從速度環(huán)（外環(huán)）得到定子電流的參考值，從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）得到實際的電機控制信號，兩者結(jié)合構建一個完整的電流、速度矢量雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[7]。

2.1 永磁同步電機SVPWM矢量控制模型

SVPWM矢量控制方式是根據(jù)三相逆變器的六個開關管，六個開關管可以產(chǎn)生八個基本的空間矢量，所需的參考電壓空間矢量可以由任相鄰的兩個空間矢量合成，由此，可以通過控制逆變器的開關，根據(jù)開關不同狀態(tài)產(chǎn)生的實際磁通去逐漸逼近電機所需的圓形磁場，從而實現(xiàn)電機的控制，SVPWM矢量控制模型如圖1所示。

圖1 SVPWM矢量控制模型

2.2 永磁同步電機的電流滯環(huán)控制

永磁同步電機的滯環(huán)電流控制模塊，定子三相參考電流 ia*，ib*，ic* 和實際電流 ia，ib，ic作為輸入信號，那么輸出的信號就是所需的逆變器的控制信號。在信號輸入滯環(huán)比較器的時候，ia，ib，ic

圖2 PMSM的滯環(huán)電流控制

3 仿真結(jié)果

為判斷兩個控制模型的準確性，對兩個模型進行仿真實驗，采用的永磁同步電機相關參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速ωr=100 rad/s，極對數(shù)np=2，定子電阻r=2.875 Ω，定子dq軸電感Ld=Lq=0.85 mH，永磁體磁鏈Ψf=0.185 wb，轉(zhuǎn)動慣量J=0.0021 kg·m2.

系統(tǒng)開始啟動時為空載，在t=0.5 s時突加負載3 N·m，得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)速ωr，轉(zhuǎn)矩Te以及三相定子電流 ia，ib，ic的仿真曲線，見圖 3 所示。

圖3 控制結(jié)果圖

4 結(jié)果分析

由上面仿真波形可以得到，在輸入?yún)⒖嫁D(zhuǎn)速為1 000 rad/s時，兩種控制系統(tǒng)響應迅速平穩(wěn)；電機在啟動時，轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)恒定，沒有產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，也沒有產(chǎn)生電流沖擊，在負載突變后，能迅速恢復平穩(wěn)，仿真結(jié)果較為理想。兩個控制系統(tǒng)對比來看，SVPWM控制系統(tǒng)在突載產(chǎn)生后，系統(tǒng)響應更為迅速，恢復平穩(wěn)性也較好。

[1]洪熙聞，王欽若．永磁同步電機電壓空間矢量控制仿真研究[J]．上海大中型機，2010（4）：43-47.

[2]PILLAY PKRISHNAN R.Modeling，simulation and analysis of permanent-magnet motor drives，PartⅠ ：The permanentmagnet syn-chronous motor drive[J].IEEE Trans on Industry Applications，1989，25（2）：265-273.

[3]陳 威，蔣 宇，謝國秋．永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設計與仿真[J]．電氣開關，2009，47（5）：54-60.

[4]黃慧敏.永磁同步電機控制發(fā)放與研究[D].武漢：武漢理工大學，2017.

[5]林 海，李 宏，林 洋，等．永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真與建模研究[J]．微特電機，2006（8）：43-45．

[6]崔總澤．三相電壓SVPWM整流器控制策略研究[D]．錦州：渤海大學，2012．

[7]孫業(yè)樹，周新云，李正明．空間矢量PWM的SIMULINK仿真[J]．農(nóng)機化研究，2003，2（2）：105-106．

[8]趙江鋒．基于儲能保護的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)LVRT仿真研[D]．成都：西南交通大學，2012．

SVPWM Control and Current Hysteresis Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Simulink

ZHOU Hai-yan，BIAN Xiao-wei，ZHANG Yi-zhi，MA Chun-sheng，WANG Kuan
（College of Engineering Mechanics，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

In this paper，SVPWM control and current hysteresis control of permanent magnet synchronous motor are established by MATLAB/simulink/SimpowerSystems toolbox and mathematical model of permanent magnet motor.The simulation results show that the two control systems have good performance，for the actual control system design provides a relatively reliable theoretical basis.

permanent magnet synchronous motor；vector control；SVPWM；current hysteresis；simulation

TM341

A

1672-545X（2017）10-0045-03

2017-07-13

周海燕（1992-），男，河南人，碩士研究生，研究方向：電機，電源能量控制管理。