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。