工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.docx

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工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真

综合训练工程三

题目：

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

工程技术大学

成绩评定表

评

定

标

准

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

仿真模型

搭建合理

仿真结果分析

分析充分性

设计报告\辩论

容充实

辩论效果

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，克制了传统教学中枯燥、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，到达良好的教学效果。

要求:

利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建PMSM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、针对仿真模型进展演示辩论，考察其掌握程度。

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

，而

的大小和相位又取决于

和

也就是说控制

和

；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

和

，通过这两个电流的控制，使实际

和

；跟踪指令值

和

，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

、

和

，因此，三相电流的指令

、

和

必须由下面的变换从

和

得到：

〔1〕

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

、

和

与给定的指令

、

和

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

和

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根本电磁关系

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

和相电流有效值的极限值

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

时，Y接的电动机可到达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

:

（1）电压极限圆

电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：

〔3〕

将式〔24〕代入式〔29〕得：

〔4〕

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

〔31〕

以

代替上式中的

，有

〔5〕

当

时，式〔32〕是一个椭圆程，当

时〔即电动机为外表凸出式转子磁路构造时〕，式〔32〕是一个以〔

0〕为圆心的圆程，下面以

为例，将式〔32〕表示在

的平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹——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

电动机的电流极限程为：

〔6〕

上式中

，

为电动机可以到达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

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

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，

等于90°，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为

〔7〕

控制时的相量图如图8所示：

图8

矢量控制相量图

从图中可以看出，反电动势相量

与定子电流相量

同相。

对外表凸出示转子磁路构造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。

这也是外表凸出示转子磁路构造的永磁同步电动机通常采用

控制的原因。

从电动机的电压程（忽略定子电阻）和转矩程可以得到采用

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

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，那么最高转速越高。

〔8〕

按转子磁链定向并使

的控制式，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=0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

控制系统原理图。

图中，

和

为检测出的电动机转速和角度空间位移，

，

和

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，并与实际速度比拟后，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

、

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

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。

图9

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

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

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，给出了系统的实现案，在Matlab/simulink环境下对系统进展了仿真试验。

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

图22定子三相电流波形图

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时转速到达稳定值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：

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开场攀升，并在t=0.04s开场稳定波动，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，转速上升，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、平安运行等提供理论根底。

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

图27转矩波形图

图28三相电流波形图

t=0.1s前转速、转矩、电流变化与4.2.1同，当负载转矩在t=0.1s突升到5N.m时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=0.1s时到达5N.m。

3仿真结果分析

对于电流id=0控制式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比拟大的脉动。

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。