基于Matlab/Simulink永磁同步電動機調速系統(tǒng)的建模與仿真

曹少泳

(北京理工大學 珠海學院工業(yè)自動化學院，廣東 珠海 519085 )

基于Matlab/Simulink永磁同步電動機調速系統(tǒng)的建模與仿真

曹少泳

(北京理工大學 珠海學院工業(yè)自動化學院，廣東 珠海 519085 )

永磁同步電動機(PMSM)作為一種新型的交流同步電機，其在各行各業(yè)與日常生活中應用非常廣泛；PMSM較小的轉動慣量，較高的功率密度和運行效率等優(yōu)點，使得其發(fā)展和應用空間很廣泛；通過Scope模塊對定子三相電流，電機轉速、轉子的轉角、轉矩以及dq軸電流進行觀察，并對系統(tǒng)中的參數(shù)進行及時地修改；最后的結果表明，該調速系統(tǒng)具有啟動快、調速特性好、響應速度快和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，為電動機在實際的調速系統(tǒng)設計中提供了可靠的理論依據(jù)。

永磁同步電動機；坐標變換；矢量控制；仿真建模

0 引言

PMSM在現(xiàn)代交流調速系統(tǒng)的控制下，使其功率因數(shù)變高，可以檢測轉子參數(shù)和效率更高的特點，近幾年來，國內(nèi)外的研究人員越來越重視研究永磁同步電動機的調速系統(tǒng)[1]。

PMSM是一個多變量、非線性、高耦合的系統(tǒng)。其輸出轉矩與定子電流之間有著復雜的函數(shù)關系，想要得到良好的控制性能，就必須對磁場進行解耦；再加上PMSM沒有轉差頻率電流，轉子的參數(shù)對其影響不大，因此PMSM非常適合實現(xiàn)矢量控制[2]。

利用Matlab/Simulink軟件，建立一個PMSM的調速系統(tǒng)，通過仿真和調試對此調速系統(tǒng)進行分析以達到更深一層的研究。

1 調速系統(tǒng)的模型建立

首先是確定PMSM整個調速系統(tǒng)的整體框圖，根據(jù)永磁同步電動機的結構和數(shù)學模型以及永磁同步電動機的矢量控制和空間矢量脈寬調制的研究(由于篇幅限制，此文不再闡述，可以參考文獻[3-10])，在Simulink中建立各個模塊，再把各模塊連在一起構成調速系統(tǒng)的整體模型。圖1為永磁同步電動機調速系統(tǒng)的整體模型框圖。

圖1 永磁同步電動機調速系統(tǒng)框圖

將三相永磁同步電動機的ABC坐標系變換到αβ0坐標系，再變換到dq0坐標系，這樣使得d軸與轉子永磁體的N極同方向，因此可以像直流電動機那樣,直接調節(jié)iq來控制轉矩，從而達到永磁同步電動機解耦的目的。坐標變換模塊如圖2-4所示，SVPWM模塊如圖5所示。

圖2 dq/αβ坐標變換

圖3 abc/αβ坐標變換 圖坐標變換

圖5 SVPWM模塊圖

2 參數(shù)設置及結果分析

2.1 模塊設置

2.1.1 dq/αβ坐標變換

dq/αβ坐標變換中Fcn1和Fcn的設置如圖6、圖7所示。

圖6 dq/αβ坐標變換Fcn1設置 圖7 dq/αβ坐標變換Fcn設置

2.1.2 abc/αβ坐標變換

abc/αβ坐標變換中Fcn1和Fcn的設置如圖8、圖9所示。

圖8 abc/αβ坐標變換Fcn1設置 圖9 abc/αβ坐標變換Fcn設置

坐標變換

2.1.4 PMSM參數(shù)

永磁同步電動機(PMSM)的參數(shù)設置如圖12所示。

圖12 PMSM參數(shù)設置

其中：R(Ω)是定子電阻，Ld(H)d相繞組自感，Lq(H)為q相繞組自感，Wb為轉子磁通，J(kg·m^2)為轉動慣量，F(xiàn)(N·m·s)為摩擦系數(shù)，P為極對數(shù)。

2.2 仿真結果及分析

該系統(tǒng)逆變器的供電電壓設定為300 V，仿真總時間為t=0.5 s，在t=0.1 s時加入5 N·m的負載。剛開始T=0 s時輸入轉速信號為300 r/min,在t=0.3 s時轉速變?yōu)?00 r/min。

由圖13可以看出，定子三相電流的波形在開始時有波動，隨后波形基本是呈正弦波，有微小的波動。在0.1秒時突然加入負載后，波形發(fā)生畸變，有一個躍升，但很快就穩(wěn)定下來，0.3秒時給定轉速升高，波形發(fā)生畸變，隨后又再次穩(wěn)定，穩(wěn)定后的波形繼續(xù)呈正弦波。比較一下給定轉速為300 r/min和800 r/min，不難看出其電流的最大值在兩個給定轉速下是不變的，而頻率有明顯的不同，給定轉速為300 r/min時的頻率較800 r/min時的頻率低。綜上，仿真符合PMSM調速運轉時三相電流的波形。

圖13 定子三相電流 圖14 轉矩圖

圖14為PMSM的輸出轉矩圖。由圖可以看出，在0.1秒時突然加入5 N·m負載時，轉矩有明顯的上升，然后很快就穩(wěn)定下來，基本保持在5 N·m處，而當給定轉速由300 r/min變?yōu)?00 r/min時，轉矩突然上升，然后經(jīng)過短暫的振蕩后，繼續(xù)穩(wěn)定在5 N·m處。由圖還可以看出在加入負載和進行調速的時候，其發(fā)生振蕩的時間較短，因此控制效果比較好。

一開始給定的轉速是300 r/min，在0.1秒時，轉速有明顯的下降，然后很快地又回到300 r/min上。這是因為在0.1秒時有負載的加入，因此轉速會突然下降，通過PI控制器的快速調節(jié)，轉速很快又回到給定的轉速300 r/min上。而在改變給定速度時，轉速有明顯的躍升，經(jīng)過幾次振蕩后穩(wěn)定在所給定的轉速800 r/min上，如圖15所示。由此看出，該系統(tǒng)在調速時反應速度快，振蕩次數(shù)少，因此其調速性能良好。

圖15 轉速波形 圖16 dq軸電流

圖16中，q軸電流和d軸電流都是直流電流，而在0.1秒加入負載時，q軸電流有明顯的升高，隨后又很快的穩(wěn)定下來，在改變給定轉速時q軸電流經(jīng)過幾次短時間的振蕩后，回到了改變前的電流值，而d軸電流在加入負載和進行調速時均有微小的波動，但基本上電流都保持為零。由此可得，該系統(tǒng)中使用的id=0控制策略很成功。

3 總結

基于Matlab的電動機控制系統(tǒng)仿真技術，目前已經(jīng)在開發(fā)、設計、應用與教學等多個領域中廣泛應用，其優(yōu)點是能夠在計算機上可模擬電動機的調速系統(tǒng)，及時并準確地發(fā)現(xiàn)研究過程中所出現(xiàn)問題，使得研究人員能夠快速制定解決方案，為實際應用中提供了非常可靠的理論依據(jù)。利用Matlab/simulink對永磁同步電動機的調速系統(tǒng)進行建模與仿真在理論依據(jù)上和實際應用當中具有一定的意義。對調速系統(tǒng)模型進行仿真，通過修改模型中的參數(shù)，對不同的仿真結果進行比較分析，可知該永磁同步電動機調速系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行。

[1] 李 驥，宋仲康. 基于DSP的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2008.

[2] 李永東. 交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[3] 李三東，薛 花，紀志成. 基于Matlab永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真建模[J]. 江南大學學報:自然科學版, 2004, 3(2):115-120.

[4] 高仕紅. 基于MATLAB永磁同步電機矢量控制的仿真研究[J]. 湖北民族學院學報:自然科學版, 2006, 24(4):50-52.

[5] 李發(fā)海，朱東起. 電機學(第4版)[M]. 科學出版社，2010.

[6] 鄧干銘. 永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真[J]. 龍巖學院學報, 2010, 28(5):28-31.

[7] 黃 雷，趙光宇，年 珩. 基于擴展反電勢估算的內(nèi)插式永磁同步電動機無傳感器控制[J].中國電機工程學報, 2007, 27(09):59-63.

[8] 周雒維，楊 柳，彭國秀，等. 一種永磁同步電機滑模觀測器的設計[J]. 重慶大學學報, 2008, 31(01):34-37.

[9] 沈艷霞，紀志成. 基于無源性永磁同步電機模糊滑模控制系統(tǒng)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學報, 2007, 19(17):4012-4016.

[10] 錢 昊,趙榮祥. 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機化研究, 2006(2):90-91.

Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Control System Modeling and Simulation Based on Matlab/Sumlink

Cao Shaoyong

(School of Industrial Automation,Zhuhai College of Beijing Institute of Technology,Zhuhai 519085,China)

Permanent magnet synchronous motor(PMSM) is a kind of new type AC motor with high power density,small moment of inertia, more efficiency,and so on.Its application and development space is very broad,and it’s widely used in all walks of life and daily life nowadays. Used Scope to observe the stator current,speed,rotor angle,torque and dq axle current when in the simulation.So that we could perfect the parameter timely.Finally,the results showed that the speed control system has some advantages such as start-up fast,speed regulation characteristics is good,quick response time,stability,and so on.For that,it can provide a reliable theoretical basis for the actual speed control system design.

permanent magnet synchronous motor;coordinate transformation;vector control;modeling and simulation

2016-06-25；

2016-07-23。

曹少泳(1982-)，男，江西九江人，碩士研究生，主要從事電機與控制、 機器人方向的研究。

1671-4598(2016)12-0177-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

A