MATLAB/SIMULINK的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真研究

1.引言

隨著高性能永磁材料、大規(guī)模集成電路和電力電子技術的發(fā)展，永磁同步電機因為其功率密度高，體積小，功率因數(shù)和高效率而得到發(fā)展，且引起了國內外研究學者的關注。傳統(tǒng)的控制方式由于引入了位置傳感器而給當前的調速系統(tǒng)帶來了一系列的問題：占據(jù)了比較大的有效空間，使系統(tǒng)編程復雜。因此無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究變得越發(fā)的重要。

2.PMSM的坐標系和數(shù)學模型

永磁同步電機在定子三相(ABC)靜止坐標系下的電壓方程：

式中，三相繞組的相電壓瞬時值分別為A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相電流的瞬時值; s R 是永磁同步電機定子的每相繞組電阻; A ψ 、B ψ 、C ψ 是永磁體的磁鏈在各相繞組的投影。在d-q旋轉坐標系下的電磁轉矩方程為：

3.SIMULINK仿真

永磁同步電機無傳感器矢量控制的系統(tǒng)結構框圖，在MATLAB/Simulink下建立PMSM驅動仿真分析，用id=0時的無傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示，各個模塊介紹如下：給定的參考轉速是700rpm;速度通過PI調節(jié)模塊，實現(xiàn)轉速的閉環(huán)控制策略，該調節(jié)采用了輸出限幅;接著是電流PI調節(jié)器模塊構成電流的閉環(huán)控制，輸出了定子的電壓dq軸分量ud和uq;I-park逆變器模塊將兩相旋轉直角坐標系(dq)下的值向兩相靜止坐標系(αβ)下變化，它的輸出是αβ軸的定子電壓分量參考值Ualfa,Ubeta;SVPWM和逆變模塊用于實現(xiàn)參考電壓逆變及其調制，從而可以直接通給電機;PMSM是永磁同步電機模塊，負載轉矩是模塊Tm.反饋通道模塊有：

Clark變換模塊：實現(xiàn)三相坐標系(ABC)向兩相直接坐標系(αβ)的轉換，輸出的αβ坐標系下的電流值和電壓值作為觀測器的輸入，其中SMO模塊是反電動勢估算模塊，SMO1是轉速和轉角估算模塊，這兩點是討論的關鍵問題所在。

3.1 滑膜觀測器模塊

由滑膜觀測器的理論可以構造滑膜觀測器：由觀測器和控制驅動器構成的物理模型如下：

控制系數(shù)z的目標是使電流的估計誤差接近0.通過合適的選擇系數(shù)k和正確的估算反電動勢。在這里標志? 表示變量是估算的。標志*表示這個量可以獲得。

離散化后的公式：

這里Ts是采樣周期。

電機的角度估算值和反電動勢之間的關系是：

轉子角度的計算步驟為：電流觀測器(圖4示意圖)，滑模控制(圖5到圖7示意圖)，以及反電動勢的計算圖。

滑膜觀測器構成原理圖和框圖分別是：

計算步驟是：電流觀測器，滑模控制，以及反電動勢的計算圖。

3.2 空間矢量脈寬調制(SVPWM)

主要包括通過逆變器確定矢量所在的扇區(qū)，合成矢量分解到相鄰扇區(qū)的作用時間，計算電壓空間矢量的切換點。

(1)判斷矢量所在的扇區(qū)：

如果Va>0,則A=1否則A=0;如果Vb>0,則B=1否則B=0;如果Vc>0,則C=1否則C=0.扇區(qū)計算公式為：

4.實驗結果

永磁同步電機的定子相電阻是0.195684ohm,轉動慣量是0.704905kg.m2,極對數(shù)是12對極，額定轉矩是160N.m,額定轉速是700rpm,以下是永磁同步電機滑?？刂葡到y(tǒng)的仿真結果。

負載突變時對調速系統(tǒng)的影響，結果分析：在仿真模型中，負載轉矩給定值是100N.m,在0.1s秒時增加到160N.m,通過以下仿真圖來分析變化的負載轉矩對系統(tǒng)影響。圖4.22是永磁同步電機在負載突變情況下的轉速波動圖，從仿真圖形可以看出電機控制經(jīng)過短時間的振動，進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)且轉速穩(wěn)定在700rad/s,轉速沒受到負載轉矩波動的影響。

5.實驗結果與分析

本文析了永磁同步電機狀態(tài)方程，設計了滑模仿真器，并進行了坐標變換，通過MATLAB/Simulink進行了模型的仿真和調速，仿真的結果表明該種控制方式是有效的，能夠估算出轉子位置信息極該種滑?？刂剖欠€(wěn)定而且有效的，最后分析了負載轉矩擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化對滑?？刂菩阅艿挠绊憽＝Y果說明基于滑?？刂频挠来磐诫姍C無傳感器控制系統(tǒng)具有很強的魯棒性，并且使用場合廣泛。