永磁同步電動機SVPWM控制技術(shù)研究

榮 軍, 萬軍華, 張 敏, 萬 力, 安 琪

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永磁同步電動機SVPWM控制技術(shù)研究

榮 軍, 萬軍華, 張 敏, 萬 力, 安 琪

(1. 湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽 414006; 2. 復(fù)雜工業(yè)物流系統(tǒng)智能控制與優(yōu)化湖南省重點實驗室, 湖南 岳陽 414006)

研究了永磁同步電動機空間矢量控制技術(shù). 首先建立了永磁同步電動機在坐標系下的數(shù)學(xué)模型, 然后闡述了空間矢量控制的工作原理. 根據(jù)理論分析, 在Matlab/Simulink中建立了電機控制系統(tǒng)的仿真模型, 仿真結(jié)果表明: 永磁同步電動機矢量控制具有較好的動靜態(tài)特性、快速性和抗干擾性.

永磁同步電動機; 空間矢量控制;坐標系; 建模與仿真

0 引言

永磁同步電動機(PMSM)具有體積小、效率高以及可靠性高等優(yōu)點[1, 2], 在辦公室自動化設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛. PMSM的高效率與國家提倡的綠色經(jīng)濟也相吻合, 因此越來越受到人們的重視. 基于此, 本文對空間矢量控制(SPWM)在永磁同步電動機中的應(yīng)用做了初步探索, 為其實際應(yīng)用進行了有益嘗試.

1 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型

本文通過研究永磁同步電動機的電壓、磁場和機械運動來建立數(shù)學(xué)模型. 在推斷數(shù)學(xué)模型之前, 先假設(shè): (1)不考慮電機系統(tǒng)飽和; (2)忽略電機系統(tǒng)中的渦流和磁滯損耗; (3)轉(zhuǎn)子無阻尼繞組; (4)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布[3]. 永磁同步電動機伺服調(diào)速系統(tǒng)一般通過轉(zhuǎn)子磁場定向?qū)崿F(xiàn)矢量控制, 因此本文在轉(zhuǎn)子坐標系的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型. 在軸坐標系中, 定義定子電流空間矢量為

根據(jù)文[3]可以寫出在坐標軸系上的定子電壓方程為

定子磁鏈在坐標軸系的方程為

因此, 定子磁鏈方程可寫為

將式(6)代入式(3)中, 得

在穩(wěn)態(tài)情況下, 由式(7)和式(8)可得

利用坐標變換, 可以得到兩個軸系間的變換式

或

用坐標系來表示, 有

將式(4)代入式(14), 可得

由文[4]可得

將式(16)代入式(15), 得

2 空間矢量脈寬控制的工作原理

空間矢量脈寬控制(SVPWM)的工作原理是由三相功率逆變器的六個功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波, 能夠使輸出電流波形類似理想的正弦波形. SVPWM的控制思想是利用平均值等效原理來實現(xiàn)的. SVPWM控制的精髓是定子輸入對稱三相正弦電壓時, 以定子理想圓形磁鏈為基準, 通過控制三相逆變器輸出電壓產(chǎn)生磁鏈跟隨基準磁鏈圓, 在跟蹤基準磁鏈圓時適當改變逆變器的開關(guān)狀態(tài)產(chǎn)生PWM波, 實現(xiàn)高效的控制.

圖1 電壓型三相逆變電路工作電路

圖2 逆變器輸出電壓空間矢量

根據(jù)時間總和恒定與伏秒平衡原理, 有

于是有

表1 扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系

它們的對應(yīng)關(guān)系見表2.

表2 導(dǎo)通時間T1和T2對應(yīng)關(guān)系

表3 切換點取值

最后產(chǎn)生PWM波形的目的就是使電壓波形對稱, 而且作用每個狀態(tài)的時間分為兩份, 并且要求每次開通開關(guān)管時, 只能開通一個管子, 節(jié)省開通損耗. 切換點的切換方式如圖3所示. 這種方式要求在每個PWM內(nèi), 每個通道均切換兩次.

圖3 切換點的切換方式

3 永磁同步電動機SVPWM控制系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 永磁同步電動機SVPWM控制系統(tǒng)在MATLAB/Simulink中的仿真模型

永磁同步電動機SVPWM控制系統(tǒng)在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4所示, 主要包括PMSM模塊、ASR模塊、ACR模塊以及SVPWM模塊等. 其中SVPWM控制模塊是系統(tǒng)矢量控制仿真中的核心部分, 如圖5所示, 該模塊包括四個部分: 扇區(qū)產(chǎn)生模塊、開關(guān)器件導(dǎo)通時間產(chǎn)生模塊、空間矢量切換點模塊、PWM波形產(chǎn)生模塊. 永磁同步電動機仿真參數(shù)設(shè)置見表4[5, 6].

圖4 基于SVPWM控制技術(shù)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 SVPWM模塊仿真模型

表4 PMSM模塊的參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果及分析

永磁同步電動機SVPWM控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖6所示. 從仿真結(jié)果可以看出, 在額定功率運行條件下, 電機帶載起動時, 電機系統(tǒng)快速性比較好, 而且當轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后, 其轉(zhuǎn)速靜差為零. 雖然定子三相電流與轉(zhuǎn)矩在電機運行時波動較大, 但在很短時間內(nèi)回到平衡狀態(tài). 由此可以看出, 所設(shè)計的系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時, 具有很好的動靜態(tài)特性、快速性和魯棒性. 從圖6(e)中可以看出, 逆變器輸出電壓波形頻率穩(wěn)定, 因此其產(chǎn)生的響應(yīng)波形諧波很少. 圖6(f)中可以看出, PMSM的機械特性較硬, 突加負載時轉(zhuǎn)速的波形大, 動態(tài)性能較差.

圖6 永磁同步電動機SPWM控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述, 本文根據(jù)永磁同步電動機的電壓、電流、磁鏈、轉(zhuǎn)矩的物理學(xué)關(guān)系, 得到了永磁同步電動機在轉(zhuǎn)子定向旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型, 然后詳細介紹了SPWM控制方式的工作原理, 并在Matlab/ Simulink中建立了永磁同步電機的SPWM控制系統(tǒng)的仿真模型, 最后給出了仿真結(jié)果. 仿真結(jié)果表明, 永磁同步電動機在SVPWM控制技術(shù)下電動機定子繞組電流產(chǎn)生的諧波較少, 使電壓源逆變器直流供電電源的利用率得到了充分的提高, 因此為其實際應(yīng)用提供了理論依據(jù).

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Research of SVPWM Control Technology for Permanent Magnet Synchronous Motor

RONG Jun, WAN Junhua, ZHANG Min, WAN Li, AN Qi

(1.College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. Key Laboratory of Hunan Province on Intelligent Control and Optimization of Complex Industrial Logistics System,Yueyang 414006, China)

The control technology of vector control for permanent magnet synchronous motor was studied, and firstly the mathematical model of permanent magnet synchronous motor was built based oncoordinate system, then the working principle of vector control was expounded. According to the theoretical analysis the simulation model of control system for motor was established based on Matlab/Simulink, and finally it is concluded that the vector control of permanent magnet synchronous motor has good dynamic and static characteristics, fast and anti interference through the analysis of the simulation results.

PMSM, SPWM,coordinate system, modeling and simulation

2017-09-20

湖南省科技計劃項目(2016TP1021); 2016年岳陽市科技計劃項目

榮 軍(1978? ), 男, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院講師. 主要研究方向: 開關(guān)電源與電機控制

TP341

A

1672-5298(2017)04-0032-07