MatlabSimulink对永磁同步电机.docx

基于 Matlab 的永磁同步电机矢量控制原理Q Q弦Q Q ©摘要：在现代交流伺服系统中，矢量控制原理以及空间电压矢量脉宽调 制（SVPWM）技术使得交流电机能够获得和直流电机相媲美的性能永磁同步电机（PMSM） 是一个复杂耦合的非线性系统关键词： 永磁同步电机; 电压空间矢量脉宽调制0、引言永磁同步电机（PMSM）是采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、 低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一永磁同步 电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展因此如何建立有效的仿真模型具有十 分重要的意义对于在Matlab中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受 到广泛关注本文介绍了电压空间矢量脉宽调制原理并给出了坐标变换模块、SVPWM模块以及整个 PMSM 闭环矢量控制仿真模型，给出了仿真模型结构图和仿真结果 1、永磁同步电机的数学模型永磁同步电机在d-q轴下的理想电压方程为：叫=（疋外+ ~^~咫一和）（1）叫=戎广F也+由他W叫（2）Jp^=Pn（Te-TL~B^（7）式中，ud和uq分别为d、q轴定子电压；id和iq分别为d、q轴定子电流；和分别为d、 q轴定子磁链；Id和lq分别为定子绕组d、q轴电感；r为定子电阻；p为微分符号；lmd 为定、转子间的d轴电感；ifd为永磁体的等效d轴励磁电流；pn为极对数；te为电磁转矩； tl为负载转矩；j为转动惯量；b为阻尼系数；为转子角速度。

2、电压空间矢量脉宽调制原理2 .1电压空间矢量 电机输入三相正弦电压的最终目的是在空间产生圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转 矩直接针对这个目标，把逆变器和异步电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM 电压，这样的控制方法称为“磁链跟踪控制”，磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所 以又称"电压空间矢量PWM控制”空间矢量是按电压所加绕组的空间位置来定义的在图1 中， A、 B、 C 分别表示在空 间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差120°，三相定子相电压UA、UB、UC分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量uA、UB、UC，它们的方向始终在各 相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律变化，时间相位互差120°图1 三相电压矢量将图1 的平面看成是一个复平面，则1.1)三相合成的空间电压矢量U可写为u, = U . - Us 十「.=巩讨-U(t)eJ2x - + U(t)e^ 3- (1.2)由于〔「、〔「、；：都是正弦量，利用欧拉公式可得匸1 = _. 耳2 （1.3）我们可以看到三相电压空间矢量的合成空间矢量是一个旋转空间矢量，它的幅值是每 相电压值的1.5倍，其旋转的角速度等于正弦电压量的角频率。

磁链和电流空间矢量否和J电压平衡方程的矢量表示 出（1.4）在转速不太低时， RI 较小，故出（1.5）式（1.5）表明：电压矢量的大小等于磁链的变化率，而电压矢量的方向就是磁链运动 的方向在调速系统中，电机由三相PWM逆变器供电，如图2所示为使电机对称工作，必须 三相同时供电，即在任一时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另 三个功率器件则处于关断状态逆变器共有8 种工作状态，即001、010、011、100、101、110、111、000将其中6 个非零的开关状态相电压值代入式（1.2），可得到6 个空间电压矢量，如图3 所示2.2零矢量的作用在非零矢量作用的同时，插入零矢量的作用，让电机的磁链端点“走走停停”，这样可改 变磁链运行速度，使磁链轨迹近似为一个圆形，从而实现恒磁通变频调速改变非零矢量的 作用时间与总的作用时间的比值，就改变了输出电压的频率，也改变了输出电压的幅值3 .3空间电压矢量控制算法上面我们提到，控制过程包括非零矢量和零矢量的作用，非零矢量用来控制磁通的轨迹， 而利用零矢量改变磁通的运行速度现在以U2作用区间为例，根据电压和时间乘积平衡原理，可以得到任意一个参考 电压矢量Ur。

U-X图4 U1和U2合成矢量Ur|U2|t2 sin = |匸:.忻 sin &故： 血| =叵1| =匚盘片=巧Af逊匚一目）X = TrM sin 6 dh b(1.6)£1-了)(1.8)冬为直流母线，耐为调制比，2、名4分别次零矢壘、见 匸；的作用时间，零矢量可以是U.或U- o2、坐标变换模块三相永磁同步电机矢量控制的基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模拟直流 电机的控制特点进行永磁同步电机的控制为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产 生的磁动势按平面矢量的叠加原理进行合成和分解，使得能够用两相正交绕组来等效实际电 动机的三相绕组由于两相绕组的正交性，变量之间的耦合大大减小矢量控制中用到的变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系的转换（Clarke 变换）和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系的变换（Park变换）坐标变换矩 阵的Matlab实现如图5和图6所示33ibIdain3223ain2ain6iq2"图5 ds q~as bs匚变换-KJDlabtf5G a i n5Gain7图 6 as hs c - OC s P 变换Scopeltheta1 PMSM数学模型永磁同步电机的矢量控制基于电机的dqO坐标系统。

在建立数学模型前，可先作以下几 点假设：即忽略铁心饱和，不计涡流及磁滞损耗，转子上没有阻尼绕组，永磁材料的电导率 为零，电机电流为对称的三相正弦电流在上述假设的基础上，运用坐标变换理论，便可得 到 dqO 轴下 PMSM 数学模型该模型的电压、磁链、电磁转矩和功率方程（即派克方程）如下：电压方程段戸尺蟲切gqf軌 ⑴式中，戸为微分算子’比为电枢绕组电限* 的为转子角速度磁儀方程式中，咖是永磁体产生的磁链*为常数卡Ld、Lq为曲线圈的自感口转矩方程T^Pn④专轴d二警网亠（"砖心⑶其中Te为电磁转矩；p.为电机感扱对数2 矢量控制系统2．1 矢量控制基本原理矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立 的矢量id（产生磁通的励磁电流分量）和iq（产生转矩的转矩电流分量），也就是说，控制id 和 iq 便可以控制电动机的转矩按转子磁链定向的控制方法（id=o）就是使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量此时 转矩Te和iq呈线性关系（由上转矩方程），因此，只要对iq进行控制，就可以达到控制转 矩的目的既定子电流全部用来产生转矩，此时，PMSM的电压方程可写为：（4）电磁转矩方程为蛊:却％ （5）通过上面的简化过程可以看出，只要准确地检测出转子空间位置的0角，并通过控制逆 变器使三相定子的合成电流（磁动势）位于q轴上，那么，通过控制定子电流的幅值，就能很 好地控制电磁转矩。

此时对PMSM的控制，就类似于对直流电机的控制2．2 矢量控制调速系统的控制组成在电机起动时，就应当通过软件进行系统初始定位，以获得转子的实际位置，这是永磁 同步电机实现矢量控制的必要条件首先，应通过转子位置传感器检测出转子角位置sr, 同时计算出转子的速度n然后检测定子（任两相）电流并经矢量变换,以得到检测值id和iq， 然后分别经PI调节器输出交直流轴电压值ud和uq,再经过坐标变换后生成电压值ua和 up,最后利用SVPWM方法输出6脉冲逆变器驱动控制信号6、结束语本文通过对电压空间矢量控制原理及算法的分析，得到了永磁同步电机的数学模型，运 用Matlab/Simulink软件，构建了永磁同步电机控制系统的模型，通过仿真结果可以看到系 统能平稳运行，具有良好的静、动态特性，仿真结果符合永磁同步电机的运行特性，也为实 际伺服系统的设计和调试提供了新的思路参考文献[1] 刘永飘，钟彦儒,徐艳平•永磁交流伺服系统矢量控制仿真[J]•电气传动自动化2006,28 （1 ）:18-21.[2] 孙亚树，周新云,李正明.空间矢量PWM的SIMULINK仿真[J].农机化研究，2003， 4（2）： 105-106.[3] 熊健.空间矢量脉宽调制的调制波分析[J].电气自动化，2002,（2）： 7-9.[4] 李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社.2002.[5] 舒志兵，等•交流伺服运动控制系统[M].北京：清华大学出版社.2006.[6] 范影乐.Matlab仿真应用详解（第2版）[M].北京：人民邮电出版社。