永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

林加堃,涂群章,段克軍,陸　凱,鄒　珊

(1.解放軍理工大學(xué)　a.野戰(zhàn)工程學(xué)院; b.訓(xùn)練部，南京　210007;

2.南京軍區(qū)浙江省軍區(qū) 73237部隊(duì)，寧波　315000)

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永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

林加堃1a,涂群章1a,段克軍1a,陸凱2,鄒珊1b

(1.解放軍理工大學(xué)a.野戰(zhàn)工程學(xué)院; b.訓(xùn)練部，南京210007;

2.南京軍區(qū)浙江省軍區(qū) 73237部隊(duì)，寧波315000)

摘要：以電傳動(dòng)工程機(jī)械用永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論、永磁同步電機(jī)矢量控制和弱磁控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，建立仿真模型，構(gòu)建了電機(jī)測試臺(tái)架，利用該測試臺(tái)架進(jìn)行了試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，為研究電傳動(dòng)工程機(jī)械用永磁同步電機(jī)高性能控制奠定理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電傳動(dòng)工程機(jī)械；永磁同步電機(jī)；仿真模型；測試臺(tái)架；性能測試

Citation format:LIN Jia-kun, TU Qun-zhang, DUAN Ke-jun, et al.Simulation and Experiment of Permanent Magnet Synchronous Motor Control System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(2):150-153.

在工程機(jī)械領(lǐng)域，隨著對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)底盤空間布置、控制精確度、能源利用率以及維修保養(yǎng)等方面的要求越來越高，相比于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)形式，電傳動(dòng)技術(shù)越來越凸顯其優(yōu)勢，采用高性能的電傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和伺服電機(jī)系統(tǒng)成為工程機(jī)械發(fā)展的一個(gè)必然趨勢[1]。作為電傳動(dòng)工程機(jī)械的核心之一，永磁同步電機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題的特點(diǎn)，同時(shí)電機(jī)內(nèi)含的永磁體提供勵(lì)磁，沒有勵(lì)磁損耗，具有效率高、功率密度大、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，從當(dāng)今世界電傳動(dòng)的研究情況[2]和電機(jī)發(fā)展水平[3]來看，永磁同步電機(jī)是電傳動(dòng)工程機(jī)械的最佳選擇。

本研究運(yùn)用PID控制理論[4]和永磁同步電機(jī)矢量控制原理[5-6]，構(gòu)建速度-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的調(diào)速控制。通過在MATLAB中建立永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在構(gòu)建的電機(jī)測試臺(tái)架上對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，以此來檢驗(yàn)永磁同步電機(jī)控制性能，為研究該類電機(jī)高性能控制提供了依據(jù)。

1控制系統(tǒng)仿真模型的建立

對(duì)電傳動(dòng)工程機(jī)械用永磁同步電機(jī)控制的要求是：基速以下工作在恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，基速以上工作在恒功率工作區(qū)。因此控制方案采用磁場定向矢量控制與弱磁控制[7]，即電機(jī)在基速以下運(yùn)行時(shí)，使定子電流的勵(lì)磁分量isd=0，通過控制直流量isq來控制轉(zhuǎn)矩；超過基速時(shí)，負(fù)向增大isd的電流值，在保持電機(jī)的輸出電壓不變的情況下調(diào)速。

在Matlab中，利用Simulink和SIMSCAPE的塊圖模型建立永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。本研究主要以正弦波永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，電機(jī)控制系統(tǒng)主電路由模塊直流電源DC、逆變器和永磁同步電機(jī)組成[8]，反饋回路為具有速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)回路，仿真模型如圖1所示。

圖1　永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型

PMSM參數(shù)值定子電阻Rs/Ω2.875勵(lì)磁磁通/Wb0.175定子d軸電感Ld/H0.0085定子q軸電感Lq/H0.0085轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/(kg·m2)0.0008極對(duì)數(shù)p1

表2　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR-q參數(shù)

2電機(jī)調(diào)速控制仿真分析

模型的仿真分析結(jié)果如圖2(a)~圖2(f)所示。其中，圖2(a)為轉(zhuǎn)速響應(yīng)，電機(jī)空載啟動(dòng)，經(jīng)過0.02 s的升速，轉(zhuǎn)速迅速穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速2 000 rad/s，在0.1 s時(shí)刻加載到2 N·m，轉(zhuǎn)速圍繞給定值稍有波動(dòng)；圖2(b)為轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，電機(jī)剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，0.03 s后轉(zhuǎn)矩在Te=0處趨于穩(wěn)定，在0.1 s時(shí)刻加載后，轉(zhuǎn)矩在2 N·m處出現(xiàn)振蕩；圖2(c)為定子電流勵(lì)磁分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq，可以看出，其動(dòng)態(tài)過程與轉(zhuǎn)矩響應(yīng)相類似，加載后轉(zhuǎn)矩分量iq比勵(lì)磁分量id振蕩更明顯；圖2(d)～圖2(f)分別為三相定子電流波形，可以看出，電流波形圖基本符合正弦波理論。仿真分析結(jié)果表明，該電機(jī)控制系統(tǒng)加速性能良好，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的特性[9]。

3電機(jī)測試臺(tái)架的構(gòu)建

電機(jī)測試臺(tái)架的系統(tǒng)原理示意圖如圖3，實(shí)物圖如圖4。電機(jī)測試臺(tái)架主要由交流電力測功機(jī)、西門子變頻器、測控儀、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、永磁同步電機(jī)、380V直流電源、電機(jī)控制器、功率分析儀以及琴臺(tái)式操作臺(tái)組成。電力測功機(jī)可以作為電機(jī)的負(fù)載，測量電機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，也可作為直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，測量其軸上輸入轉(zhuǎn)矩；測控儀、電力測功機(jī)和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器等配套組成整個(gè)測控系統(tǒng)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的機(jī)械參數(shù)測量；功率分析儀則用于測量電機(jī)的電參數(shù)，如電壓、電流等。實(shí)驗(yàn)時(shí)，所有的指令均可以從琴臺(tái)式操作臺(tái)發(fā)出，該操作臺(tái)上的控制面板嵌有測控儀，測試臺(tái)架嚴(yán)格按照操作臺(tái)與測控儀、測控儀與變頻器之間CAN總線通訊協(xié)議編寫。

4電機(jī)性能測試及結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，并驗(yàn)證測試臺(tái)架的實(shí)用性，在構(gòu)建的測試臺(tái)架上進(jìn)行永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究。結(jié)合電傳動(dòng)工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)匹配情況[10]和實(shí)際工況，設(shè)定的電機(jī)性能參數(shù)見表3所示。

表3　永磁同步電機(jī)性能參數(shù)

圖2　正弦波永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真波形

圖3　電機(jī)測試臺(tái)架系統(tǒng)原理示意圖

模擬工程機(jī)械加速工況，進(jìn)行加速性能測試，當(dāng)其速度從0升至最高行駛速度時(shí)，對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速從0升至3 500 rad/s?？紤]到加速工況下電機(jī)功率需求[11]以及加速過程中加速阻力等各種實(shí)際阻力的影響，假設(shè)電機(jī)負(fù)載為616 N·m[12]，測試步驟如下：

1) 設(shè)定電力測功機(jī)運(yùn)行模式為恒轉(zhuǎn)矩模式，階躍轉(zhuǎn)速為3 500 rad/s，電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為616 N·m，電機(jī)由靜止開始運(yùn)轉(zhuǎn)，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速值；

2) 將電機(jī)負(fù)載改為空載，其他設(shè)定保持不變，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速值；

3) 采集兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制電機(jī)加速特性曲線，如圖5所示。

圖4　電機(jī)測試臺(tái)架實(shí)物圖

圖5　PMSM加速特性曲線

從圖5中可以看出，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)在負(fù)載條件下和空載條件下，都能快速平穩(wěn)地達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)約在14.4 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)；負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)約在16.8 s達(dá)到穩(wěn)態(tài)，相比較空載條件下的響應(yīng)，負(fù)載條件下的響應(yīng)稍微滯后。總體而言，該電機(jī)控制系統(tǒng)加速性能良好，較好地實(shí)現(xiàn)了瞬態(tài)調(diào)速，轉(zhuǎn)速控制精度高。

模擬工程機(jī)械作業(yè)工況，進(jìn)行加載性能測試。電機(jī)空載啟動(dòng)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速950 rad/s，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，給電機(jī)施加一個(gè)1 000 N·m的階躍負(fù)載，記錄電機(jī)轉(zhuǎn)矩值和轉(zhuǎn)速值。采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制電機(jī)加載特性曲線，如圖6所示。

圖6　PMSM加載特性曲線

從圖6(a)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)圖可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)矩約在27 ms處達(dá)到目標(biāo)值1 000 N·m，響應(yīng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)矩可控性強(qiáng)；從圖6(b)轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖可以看出，當(dāng)電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)突然加載，電機(jī)轉(zhuǎn)速值僅在很短時(shí)間(約為6 ms)內(nèi)發(fā)生波動(dòng)就恢復(fù)穩(wěn)定，表明該電機(jī)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性。

5結(jié)束語

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制技術(shù)是電傳動(dòng)工程機(jī)械的關(guān)鍵技術(shù)之一，永磁同步電機(jī)因其優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于低速大轉(zhuǎn)矩、高速恒功率、負(fù)載波動(dòng)頻繁的電傳動(dòng)工程機(jī)械已成為必然趨勢，因此，研究永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)對(duì)于研發(fā)電傳動(dòng)工程機(jī)械具有重大意義。本研究運(yùn)用現(xiàn)代控制理論和永磁同步電機(jī)控制策略，建立電機(jī)控制系統(tǒng)，依托Matlab軟件和測試臺(tái)架進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該電機(jī)控制系統(tǒng)具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，為研究電機(jī)的高性能控制奠定基礎(chǔ)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果為不斷完善和優(yōu)化電機(jī)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)快速、精確、高效控制提供了依據(jù)。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Simulation and Experiment of Permanent Magnet Synchronous Motor Control System

LIN Jia-kun1a, TU Qun-zhang1a, DUAN Ke-jun1b, LU Kai2, ZOU Shan1b

(1.a.College of Field Engineering; b.Training Command, PLA University of Science & Technology,Nanjing 210007, China; 2.The No.73237thTroop of Zhejiang Provincial Military Region,Nanjing Military Region, PLA, Ningbo 315000, China;

Abstract:Taking the permanent magnet synchronous motor (PMSM) for electric-drive construction machinery as the research object, the control of PMSM was realized by the use of modern control theory, PMSM vector control and flux-weakening control strategy. The simulation model was established and a test bench of PMSM was built. Finally PMSM control system was tested on the bench. The results of simulation and experiment show that PMSM control system has good dynamic and static characteristics. The research provides the theoretical and experimental basis for the study of PMSM control for electric-drive construction machinery.

Key words:electric-drive construction machinery; permanent magnet synchronous motor; simulation model; test bench; performance testing

文章編號(hào)：1006-0707(2016)02-0150-04

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.02.036

作者簡介：林加堃(1991—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)電一體化研究。

收稿日期：2015-06-11；修回日期：2015-06-30

本文引用格式：林加堃,涂群章,段克軍,等.永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(2):150-153.

【信息科學(xué)與控制工程】