基于矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速過程的仿真

鄧小楚

[摘 要]根據(jù)矢量控制理論和永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，并對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過程進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果較好地反映了永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速運(yùn)行過程，為進(jìn)一步的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；調(diào)速；仿真

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.075

1 引 言

近年來，隨著控制理論、永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）以其優(yōu)良的控制性能、高功率密度和高效率，越來越多地用于各種高性能伺服系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。本文對(duì)基于矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了理論研究與分析，并運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)其調(diào)速運(yùn)行進(jìn)行了建模與仿真。

2 矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)基本原理

2.1 交流電機(jī)矢量控制的基本思想

自1971年德國(guó)西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于坐標(biāo)變換的交流電機(jī)矢量控制原理以來，交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛應(yīng)用。矢量控制理論的基本思想是通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，將定子電流分解為與磁場(chǎng)方向一致的勵(lì)磁分量和與磁場(chǎng)方向正交的轉(zhuǎn)矩分量，從而得到與直流電動(dòng)機(jī)相似的解耦數(shù)學(xué)模型，使交流電動(dòng)機(jī)的控制性能可與直流電動(dòng)機(jī)相媲美。

經(jīng)過30多年的理論研究和工程實(shí)踐，交流電機(jī)矢量控制理論日趨完善。大大小小的交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制。在交流同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，特別是永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)以其原理與結(jié)構(gòu)上的特殊性使矢量控制的優(yōu)勢(shì)得到了充分的發(fā)揮。

永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極是用永久磁鋼制成的，通過對(duì)磁極極面形狀的設(shè)計(jì)使其在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)的軸線與轉(zhuǎn)子磁極的軸線重合，并隨轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此矢量控制中的同步旋轉(zhuǎn)軸系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)是由定子繞組中通過對(duì)稱的交流電建立的，定子磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的差角——功率角是恒定的，通過折算并保持功率角為90°。這樣一來，永磁同步電動(dòng)機(jī)就和無補(bǔ)償繞組的直流電動(dòng)機(jī)基本相同了，可以實(shí)現(xiàn)解耦控制，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。

2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

為建立正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，首先假設(shè)：

（1）忽略電動(dòng)機(jī)鐵心的飽和；

（2）不計(jì)電動(dòng)機(jī)的渦流和磁滯損耗；

（3）電機(jī)電流為對(duì)稱的三相正弦波電流。

根據(jù)以上矢量控制的基本思想，在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系取轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中基波磁勢(shì)的軸線即轉(zhuǎn)子磁極軸線為d軸（直軸），順旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度為q軸（交軸），軸系隨同轉(zhuǎn)子以同步角速度旋轉(zhuǎn)。根據(jù)矢量控制理論中的坐標(biāo)變換方法，永磁同步電動(dòng)機(jī)定子三相電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換公式為：

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)矢量控制和永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的仿真控制模型如圖1所示，直流電壓源經(jīng)三相橋式可控逆變電路向電動(dòng)機(jī)提供三相正弦交流電；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器，消除調(diào)速系統(tǒng)的誤差使電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨給定；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，采用滯環(huán)控制，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性；通過給定轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速過程的仿真

根據(jù)建立的仿真模型，對(duì)一臺(tái)4極、額定速度為1500 r/min的永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真。電機(jī)從起動(dòng)到加速至1500 r/min運(yùn)行，然后再將轉(zhuǎn)速由1500 r/min調(diào)整到1200 r/min時(shí)，其三相定子電流、轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩如圖2所示。

5 結(jié) 論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，且仿真研究具有安全、經(jīng)濟(jì)和省時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在科學(xué)研究和工程領(lǐng)域中越來越多地采用這一技術(shù)作為預(yù)研究。在本文所設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型上，可以十分方便地對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)、PI調(diào)節(jié)器的各種參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，甚至還可以根據(jù)需要對(duì)調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)和速度環(huán)中的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整。例如將速度環(huán)中的PI調(diào)節(jié)器調(diào)整為增量式PID調(diào)節(jié)器或其他控制效果更加優(yōu)良的調(diào)節(jié)器，以達(dá)到最佳的控制效果。

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