完整word版工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.docx
《完整word版工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整word版工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整word版工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真
综合训练项目三
目：
永磁同步电机矢量控制调速
系统仿真
学期：
2014-2015学年第1学期
专业：
自动化
班级：
2011级1班
姓名：
官均涛
学号：
1105010105
指导教师：
侯利民
辽宁工程技术大学
成绩评定表
评定指标
标准
评定
合格
不合格
矢量控制系统原理
分析充分性
评
仿真模型
搭建合理
疋
仿真结果分析
分析充分性
标
设计报告答辩
内容充实
答辩效果
准
总成绩
日期
年月
日
题目：
永磁同步电机矢量控制调速系统仿真
目的：
通过搭建仿真模型，克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消
化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。
要求：
利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建PMS矢量控制系统仿真模型，通过调节PI参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。
任务：
1、学习永磁同步电机矢量控制技术；
2、搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；
3、调试PI调节器参数满足各种工况；
4、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。
成果形式：
现场演示+书面报告
1永磁同步电动机的矢量控制原理1
1.1永磁同步电动机的矢量控制原理1
1.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系1
1.3永磁同步电动机的矢量控制策略2
2永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制的simulink仿真4
2.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模4
2.2永磁同步电动机矢量控制系统的simulink仿真5
2.2.1空载启动仿真5
2.2.2转速突变仿真6
2.2.3负载突变仿真8
3仿真结果分析11
1永磁同步电动机的矢量控制原理
1.1永磁同步电动机的矢量控制原理
近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。
目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。
矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。
本论文采用按转子磁链定向的方式。
由式（16）可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量is，而is的大小和相位又取决于id和iq也就是说控制id和iq;便可以控制电动机的转矩。
一定的转速和转矩对应于一定的id和iq，通过这两个电流的控制，使实际id和iq；跟踪指令值id和iq，便实现了电动机转矩和转速的控制。
由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流iA、iB和ic，因此,相电流的指令iA、ip和ic必须由下面的变换从id和iq得到：
id）一iq
J
式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器提
供。
通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流iA、iB和ic与给定的指令iA>iB和ic一致，从而实现了对电动机转矩的控制。
上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。
而且id和iq是各自独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略
1.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系
永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行
性能受到逆变器的制约。
最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值Ulim和相电流有效值的极限值IHm要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制。
当逆变器直流侧电压最大值为Uc时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压有效值：
（2）而在d-q轴系统中的电压极限值为ulifm=3uim:
（1）电压极限圆电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：
-u2（3）
将式（24）代入式（29）得：
U-（-LqiqRid）2（Ldid〜fRliq）2
:
（4）
「（-XqiqRid）2•（XdideoRliq）2
由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上的压降可以忽略不计，上式可简化为
U「（亠Lqf（Jd」3牡（-Xq2q）（Xd0d2e）
（31）
以Ulim代替上式中的U，有
（Lqiqf+〜屮洛荷⑷/2）（5）
当Ld=Lq时，式（32）是一个椭圆方程，当Ld=Lq时（即电动机为表面凸
出式转子磁路结构时），式（32）是一个以（人f/g,0）为圆心的圆方程，下面
以Ld=Lq为例，将式（32）表示在idiq的平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹一一电压极限圆。
对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。
随着电动机转速的提高，电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线。
（2）电流极限圆电动机的电流极限方程为：
（6）
idiq2=ili2m
上式中km=\3|恤，IHm为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式
（33）表示的电流矢量轨迹为一以idiq平面上坐标原点为圆心的圆。
电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆，也不能
超出电流极限圆。
1.3永磁同步电动机的矢量控制策略
id=0时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，卩等于90°,电
动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为
Te二pfis
id=0控制时的相量图如图8所示：
0VthfiL\I
图8id=0矢量控制相量图
从图中可以看出，反电动势相量E0与定子电流相量I0同相。
对表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。
或者说，在生产所需要转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。
这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用id=0
控制的原因。
从电动机的电压方程（忽略定子电阻）和转矩方程可以得到采用id=0控制时在逆变器极限电压下电动机的最高转速为式（35）。
从式（35）可以看出，采用id=0控制时，电动机的最高转速既取决于逆变器可提供的最高电压、也取决于电动机的输出转矩。
电动机可达的最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。
CUlim（8）
按转子磁链定向并使id=0的控制方式，对于隐极永磁同步电动机控制系统，定子电流和转子磁通是互相独立的，控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽的调速范围，适合于需要高性能的数控机床、机器人等场合。
2永磁同步电动机矢量控制系统id=O控制的simulink仿真
2.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模
图9为id=0控制系统原理图。
图中，「和二为检测出的电动机转速和角度空间位移，iA，iB和iC为检测出的实际定子三相电流值。
在图11中采用了三个串联的闭环分别实现电动机的位置、速度和转矩控制。
转子位置实际值与指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。
速度控制器的输出即为转矩的指令值，转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后得到的id、iq由转矩公式求出。
实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换e心后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流控制器便可实现电动机的控制。
直流电源
图9id=0控制系统框图
根据图9利用Matlab7.6.0中的simulink工具建立永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制的仿真模型，如图10所示：
图10永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制的仿真图
2.2永磁同步电动机矢量控制系统的simulink仿真
矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。
本章分析了永磁同步电动机矢量控制的原理，建立了系统的数学模型，给出了系统的实现方案，在Matlab/simulink环境下对系统进行了仿真试验。
2.2.1空载启动仿真
指令转速1000转/分，空载，启动过程的仿真波形如以下各图所示:
图20转速波形图
图21转矩波形图
仿真中，电动机空载启动，t=0.025s前转速、转矩和电流均大幅震荡，在t=0.07s时转速达到稳定值1000转/分，稳态误差为-2%2.2.2转速突变仿真
指令转速由1000转/分突变为800转/分，负载转矩Tm=2N.m，启动过程的仿真波形如以下各图所示：
2
0.
00
5
□
00
5
-
TTT
O85
8
1—
0.
16
□.
114
□.
2
0.
00
□.
06
O
2
O
D.
图23转速波形图
图24转矩波形图
图25三相电流波形图
电动机负载启动，t=0.02s前为震荡过程，t=0.02s到0.04s,转矩Te开始攀升，并在t=0.04s开始稳定波动，由于此间电磁转矩小于负载转矩，所以该时间段转速下降。
t=0.08s时转速稳定在指令值1000转/分，直到t=0.1s，指令转速突变为800转/分，此时转矩突然下降到0下，紧接着t=0.1s到0.11s是转矩提升过程。
伴随转矩变化，转速做出了相应的下降变化，电流突然变小；t=0.11s后转矩稳定波动于2N.m，转速回升，于t=0.16s稳定在指令值800转/分。
2.2.3负载突变仿真
永磁同步电机的负载突变时，电机的电流、速度、推力等参数都会发生很大的变化，负载突变特性可为系统的优化设计、控制策略实施、安全运行等提供理论基础。
这里的负载突变指在转速一定的情况下，负载转矩由一个数据突变到另一个数据。
指令转速1000转/分，负载转矩由2N.m突变为5N.m，启动过程的仿真波形如以下各图所示：
图26转速波形图
4D
图27转矩波形图
□
3
20
o62U
-2-O
8
11
□.一
_u
08os
D6
o.
14
□.
02
□.
90
60
40
20
-20
-40
-60
-80
图28三相电流波形图
t=O.1s前转速、转矩、电流变化与421同，当负载转矩在t=O.1s突升到5N.m时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=O.1s时达到5N.m。
3仿真结果分析
对于电流id=O控制方式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大的脉动。
当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速跟踪给定值。
三相定子电流呈正玄波变化，从各中参数的变换可以看出系统能很快稳定在所设定的参考值下，证明永磁同步电机矢量控制系统的稳定性及调速性能很好。
升级会员 