永磁同步电机的仿真模型

1、永磁同步电机的仿真模型1、永磁同步电机介绍永磁同步电动机(perma nent Mag nets syn chro nous Motor, PMSM)，转子采用永磁材料，定子为短距 分布式绕组,采用三相正弦波交流电驱动,且定子感应电动势波形呈正弦波定子绕组通过控制功率管 (如IGBT)的不同开关组合，产生旋转磁场跟踪永磁转子的位置,自动地维持与转子的磁场有900的空间 夹角,以产生最大的电机转矩旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速所决定 ,PMSM 具有直流电 动机的特性,有稳定的起动转矩,可以自行起动,并可类似直流电动机对电机进行闭环控制,多用于伺服 系统和高性能的调速系统。永磁同步电动机按转子形状可以分为两类:凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机。它们的 区别在于转子磁极所在的位置,凸极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的,其直轴和交轴电感参数 不相等而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的 ,直轴和交轴电感参数相等凸极式转子具 有明显的磁极,定子和转子之间的气隙是不均匀的,因此其磁路与转子的位置有关。2、永磁同步电机的控制方法目前对永磁同步电机的控制技术主要有磁场定向矢量

2、控制技术field orientation control,FOC与 直接转矩控制技术direct torque control， DTC。在这里我们使用磁场定向矢量控制技术来建立永磁 同步电机的仿真模型。磁场定向矢量控制技术的核心是在转子旋转坐标系中针对激磁电流id和转矩电流iq分别进行控 制，并且采用的是经典的 PI 线性调节器，系统呈现出良好的线性特性，可以按照经典的线性控制理 论进行控制系统的设计，逆变器控制采用了较成熟的 SPWM、SVPWM 等技术。磁场定向矢量控制技 术较成熟，动态、稳态性能较佳，所以得到了广泛的实际应用。该方法摒弃了矢量控制中转子磁场定向的思想，采用定子磁场定向，分别对定子磁链和转矩直接进行控制。直接转矩控制的实 现方法是：计算得到磁链和转矩的实际值与参考值之间的偏差，通过滞环比较以及当前定子磁链的空 间位置确定控制信号，在离线计算的开关表中选取合适的空间电压矢量，再通过离散的 bang-bang 控 制方式调制产生 PWM 信号，以控制逆变器产生合适的电压和电流驱动电机转动。直接转矩控制摒 弃了复杂的空间矢量坐标运算，电机的数学模型得到了简化，控制结构

3、也简单，对电机参数变化不敏 感，控制系统的动态性能得到了极大提高。然而有利也有弊，直接转矩控制逆变器的开关频率不固定； 转矩、电流脉动大；采样频率也非常高。下列图为磁场定向矢量控制技术的原理图。FOC控制技术的原理：原理图中涉及到双反馈，第一层反馈为转速反馈：设定电机转速初始值作 为给定值，然后与反馈的实际值位置传感器采集到的位移微分得到。进行比较，得到的差值输入 PI控制器进行控制，得到交轴电流iq。同时三相绕组输出的电流iA,iB,iC经过clarke变换和park变化 得到 iq 和 id 的实际值，分别与给定值进行比较，将比较后的值再进行 park 转换，得到的结果经过 SVPWM 技术调制之后输入到逆变器，继而可以驱动三相电机。3、基于 FOC 技术的永磁同步电机建模在这里采用的是最简单的id=0的控制方法。ld=O时，从电动机端口看，永磁同步电机相当于一 台他励的直流电动机，定子电流中只有交轴分量，而且定子磁动势空间矢量与永磁体磁动势空间矢量 正交，电动机转矩中只有永磁转矩分量。因为电磁转矩仅仅依赖交轴电流，从而实现了转矩表达式中 的交直轴电流解耦。控制模型主要包括转速给定

4、部分，比例积分PI模块，坐标转换模块，逆变器控制模块，以及 电动机模块。下面进行一一介绍。3.1 转速给定部分转速给定模块使用SIMULINK中的常数constant模块，单位为rpm。给定的速度要输入到电角速度计算模块（Gain中,以得到给定转速的电角速度单位为rad/s。 设定电动机极对数为 4，则其参数为 2*pi*4/60。3.2比例积分PI模块调速系统实施转速闭环控制，转速比例积分调节器中的比例模块设置比例参数，积分模块设置积分参数。调节器内同时设置了内限幅和外限幅模块saturation。设定的PI参数如下列图。图 2.5 PI 模块的参数设定SaturationAdd图2.6 PI模块的内部结构图 2.7 Saturation 的参数设置3.3 坐标转换模块在三相静止坐标系下分析永磁同步电机的数学模型存在着许多难以克服的困难，引入空间矢量坐 标变换理论可以简化其数学模型，并能够很容易的分析永磁同步电机的动态特性，空间坐标变换矢量 图如图2-4所示，图中fs为空间矢量，可为电压、电流、磁链等空间物理量，se为转子旋转角速 度，0e为转子轴线与A相绕组轴线的夹角。ZbA（）L

5、a定了图 2.8 空间坐标变换矢量图按照f不变的原则，可得到三相静止坐标系abc变换到两相静止坐标系aB的Clark变换矩 阵为：2_1丄_右一0fhv3占_Z-_clark 逆变换矩阵为：同理假设以转子磁链轴线方向为坐标系的横轴，称为直轴d轴以垂直转子磁链轴线方向90 为纵轴，称为交轴q轴可建立与转子同步旋转的坐标系dq，简称同步旋转坐标系，将两相静止 坐标系aB变换到同步旋转坐标系dq的park变换矩阵为：park 逆变换矩阵为：根据上述坐标转换原理，我们建立dq到abc坐标系和abc到dq坐标系的转换模块。如下列图:图 2.9 dq 坐标系到三相静止坐标系变换模块dqabcttifrtau(1 )*cos(u(J)-Lj(2)+sln(u(3)F11QJ *#thetak 叩比帶仲+皆窗3卜u售in孑商thetau(1 )rt&i(u(3)-2閨3卜11(打苫 lh(u 门卜咼FW图2.10 dq坐标系到三相静止坐标系变换模块内部实现3.4 逆变器控制模块采用电流滞环脉冲宽度调制方法，该模块输入为三相相电流给定值和三相相电流实际值，输出为三相相电压。其内部连接图如下图:图 CHB

6、PWM 逆变器模块内部连接图三相比较模块相同，其中比较模块通过比较A相给定的电流值和A相实际电流得出逆变器输出 的 A 相相电压值，其内部连接图如下图：图 比较模块内部连接图其中，传递函数模块transfer fen对相电流进行滤波，可以滤去A相反馈电流中的高次谐波。 继电器relay模块实现的是电流滞环控制功能。其输入为给定电路与实际电流的差值，输出为A 相相电压。其参数对话框如下列图所示，主要有4个参数：开通动作值（switch on point、关断动作 值（switch off point、开通时输出值（output when on、关断时输出值（output when off、。实现的功 能是：当给定的电流值大于实际电流值的差到达开通动作值时，输出的A相相电压为155V,当给定 的电流值小于实际电流值到达关断动作值时，输出A相电压为-155V。图 2.15 继电器参数设置3.5 电动机模型在 SIMULINK 中对永磁同步电机进行仿真建模通常采用以下三种方法：（1、在 SIMULINK 中内部提供的 PMSM 模型，它包含在电力系统库的电动机库中。这种方法简单， 方便，适于快

7、熟创建永磁同步电动机调速系统，但由于模型已经封装好，不能随意修改，同时也不方 便研究 PMWM 内部的建模方法。2。使用SIMULINK library库里已有的别离模块进行组合搭建电机模型，该方法思路清晰、简单、直观，但需要较多的模块，连线较多且不利于过失，油漆是复杂的数学模型。因此，本方法适用于简单 的、小规模系统的仿真系统建模。3用s-函数模块构造模型。该方法基于数学表达式，容易修改，方式灵活。这种模型处理能力强， 可以方便地构建复杂的动态系统，非常适合PMSM的访真分析。我们采用第三种方法进行建模S函数模块位于SIMULINK模块库的用户自定义函数子目录下，s函数可以用MATLAB语言编写， 也可以用C，C+等语言编写。它有特定的结构形式。这里用MATLAB语言编写，此时S函数与MATLAB 函数不同的只是其特定的结构模式。具体的 s 函数见附件。图 2.16 永磁同步电机模型为使用方便，把整个模型建成子系统，同时为方便输入电动机的各项参数，使用风转子系统（masksubsystem为电动机参数输入提供对话框。flu PMSMddS-Fimlon:：iq CaSIhftta图

8、2.18 S 函数参数对话框图 2.17 S 函数构建的 PMSM 模块内部连接图子系统内部使用s函数模块，设置s函数模块调用s函数名为PMSMdq，s函数的参数设为电动 机的参数。点击edit可以进入s函数编写界面，进行修改。需要注意的是，s函数的文件必须和PMSM仿真的模型放在同一文件夹下，否则会出现仿真错误 的情况。仿真时，PMSM的电动机参数设为：定子绕组R1为欧；直轴电感Ld为；交轴电感Lq为；转子 永磁体在定子绕组中产生的磁链为；极对数np为4.负载转矩初始值为，在时阶跃为。转矩的输入为 阶跃函数。参数设置如下Bi| FuFKtion Block Paramelerc! S-F unctionFwctian (maskParametersRerui ance R(nhji)LL 875IntroductarLces Ld(H) Lq (H)Fluz linkage established by nasnets (tfb)0, L75Inert ia, fric tiun factor, pole pairs J (ks，n 2) F (N (！,& pt). Q.ae-3 D 4idOj iqOj, wrOthetaD idD (A) iqO (A) wrO (ipft) the!-a (rad) Q 0 0 0IF图 2.19 PMSM 参数设置对话框4、永磁同步电机控制模型仿真将仿真时间设为，然后进行仿真，得到的仿真结果如下1=回 iteil盘到园矗開Ti壬电垢TiTWiSlTtatl l图 4.1 输入的阶跃扭矩信号回2ijaQO2|与昌施迢也旧为埒TW ofTas! fl图 4.2 输出的转矩信号图 4.3 输出的三相相电流1LO.O20.L6O.LSTme D rfset &p 1 Q氏厂劇爲宗图 4.4 输出的电角速度信号1HO3：005Signal lelMtionTme oifwt 0B tpd；rpm爭n IP超炉I藉園晤 曰昌転图 4.5 输出的电机转速

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