永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速

1、永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制文獻(xiàn)閱讀報告專業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號: 學(xué)生班號: 摘 要本篇論文是從閱讀文獻(xiàn)報告的角度來解讀論文的。稀土永磁同步電機(jī)早在上世紀(jì)七十年代就開始出現(xiàn)，現(xiàn)在已被廣泛使用，其具有重量輕、體積小、效率高、弱磁擴(kuò)速能力強等一系列優(yōu)點，成為航空、航天、武器裝備、電動汽車等領(lǐng)域重要發(fā)展方向。由于永磁同步電機(jī)磁場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得計算準(zhǔn)確度差，磁極形狀與尺寸的優(yōu)化，調(diào)速性能等都是永磁電機(jī)設(shè)計的難點。這些年來，如何提高永磁同步電機(jī)恒功率調(diào)速比的問題是研究的重點，永磁電機(jī)及其驅(qū)動器的設(shè)計成了電機(jī)領(lǐng)域研究的熱點課題。本文主要研究內(nèi)容是對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)設(shè)計及弱磁性能的研究。

2、分析永磁同步電機(jī)(PMSM)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過闡述弱磁調(diào)速的控制原理，提出了一種基于電流調(diào)節(jié)的PMSM定子磁鏈弱磁控制算法，有效地拓寬了恒功率調(diào)速比。并在Matlab/Simulink環(huán)境下，構(gòu)建了永磁同步電機(jī)弱磁控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型。仿真結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)模型的有效性，恒功率調(diào)速比達(dá)到了4： 1，為永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試提供了理論基礎(chǔ)，有一定的實際工程價值。 關(guān)鍵詞：內(nèi)置式；永磁電機(jī)；弱磁控制；電流跟蹤算法；仿真建模 目 錄目錄永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制文獻(xiàn)閱讀報告1一、研究的問題4二、研究方法52.1 永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型52.2弱磁調(diào)速原理62.3 基于

3、Matlab的PMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型建立72.4 仿真結(jié)果11三、解決效果123.1 結(jié)論123.2感悟與體會12前 言本次閱讀文獻(xiàn)報告的主要課題是研究對內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制的研究，報告內(nèi)容主要來自等，在寫作過程中也參考了一些關(guān)于永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制方法設(shè)計以及弱磁性能研究等方面的資料現(xiàn)在從關(guān)注的問題、所用的研究方法及關(guān)注問題解決的效果三個方面來闡述報告內(nèi)容。一、 研究的問題近年來，隨著稀土永磁材料和電子功率器件的發(fā)展，永磁同步電機(jī)獲得了廣泛研究。永磁同步電機(jī)較異步電機(jī)具有功率密度大、轉(zhuǎn)子發(fā)熱量小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，用永磁同步電機(jī)做主軸傳動正在成為一個新的研究方向。普通永磁同

4、步電機(jī)為了實現(xiàn)力矩隨電流線性可控，一般將勵磁電流設(shè)為零，這種控制策略將導(dǎo)致電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不能超過額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩輸出能力也不能滿足主軸電機(jī)的要求。為了充分挖掘永磁同步電機(jī)的潛能，總是需要并希望在額定功率下輸出的轉(zhuǎn)速盡可能高些，然而，在基速（注意：在直流母線電壓達(dá)到最大值，也就是電機(jī)輸入電壓最大且在額定轉(zhuǎn)矩的情況下，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速被稱為基速）以上時，如果磁通保持不變，電機(jī)的反電動勢必將大于電機(jī)的最大輸入電壓，造成電機(jī)繞組電流的反向流動，這在電機(jī)實際運行時是不允許的，而弱磁時，磁通反比于定子頻率，使感應(yīng)電動勢保持常值而不隨轉(zhuǎn)速上升而增加，所以采用弱磁控制方可解決此類問題，且永磁調(diào)速系統(tǒng)具有體積小、節(jié)能、

5、控制性能好，系統(tǒng)運行噪低、平滑度和舒適性好等優(yōu)點。所以，此背景下，研究永磁同步電動機(jī)的弱磁調(diào)速系統(tǒng)具有重大意義。二、 研究方法2.1 永磁電機(jī)的數(shù)學(xué)模型以二相導(dǎo)通星形三相狀態(tài)為例，分析PMSM的數(shù)學(xué)模型及轉(zhuǎn)矩特性。為建立永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子軸（dq軸）數(shù)學(xué)模型，作如下假定：（1） 三相繞組完全對稱，氣隙磁場為正弦分布，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布對稱；（2） 忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等影響；（3） 電樞繞組在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；（4） 磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗。則三相繞組的電壓平衡方程式可表示為式中，為定子繞組的相電壓；為定子每相繞組電阻；為定子繞組相電流；為定子每相繞組的自感；M為定

6、子每相繞組的互感；p為微分算子p=d/dt；為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；為轉(zhuǎn)子位置角，即轉(zhuǎn)子q軸與a相軸線的夾角。 因為三相繞組為星型連接，有 ，則式(1)可簡化為： 式(2)為永磁同步電機(jī)在abc靜止坐標(biāo)系下電壓方程。利用坐標(biāo)變換，把abc靜止坐標(biāo)系變換到dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系，得到相應(yīng)的動態(tài)電壓方程： 式中，為轉(zhuǎn)子電角速度；為直、交軸同步電感。在d、q坐標(biāo)系下電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為： 式中，表示電機(jī)極對數(shù)。2.2弱磁調(diào)速原理 永磁同步電機(jī)中，感應(yīng)電勢隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，當(dāng)電機(jī)的端電壓達(dá)到控制器直流側(cè)電壓時， PWM控制器將失去追蹤電流的能力。因此定子端電壓Us和相電流Is，受到逆變器輸出電壓和輸出電流極限(Us

7、max和Ismax)的限制。由此可得電流極限圓 電壓極限橢圓又因為所以電壓極限橢圓方程可以改寫為 永磁同步電動機(jī)的運行范圍是受以滿足電流極限圓和電壓極限橢圓為條件限制的，即電機(jī)的電流矢量 Is (其分量為 Id 與 Iq)應(yīng)處于兩曲線共同包圍的面積內(nèi)，如圖 1 中陰影部分所示。由圖 1可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速 升高， Id 分量趨于增大，相應(yīng)的 Iq 分量必須減小，因此，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速升高而下降，顯示出恒功率的特性。 圖1 PMSM電壓電流限制曲線2.3 基于Matlab的PMSM弱磁控制系統(tǒng)仿真模型建立 在 Matlab6. 5的Simulink環(huán)境，利用SimPower2 System

8、Toolbox2. 3豐富的模塊庫,在分析PMSM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上提出了建立PMSM弱磁控制控制系統(tǒng)仿真模型的方法，弱磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖見圖2。 PMSM 弱磁控制建模仿真系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方案：速度環(huán)為控制外環(huán)，它使電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速與給定的轉(zhuǎn)速值保持一致，實現(xiàn)電機(jī)的加速、減速和勻速運行，并且及時消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩擾動等因素對電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。電流環(huán)為控制內(nèi)環(huán)，它的作用是控制逆變器在定子繞組上產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流。根據(jù)模塊化建模的思想，將圖 2 中的控制系統(tǒng)分割為各個功能獨立的子模塊， 其中主要包括：PMSM 本體模塊、矢量控制模塊、電流滯環(huán)控制模塊、速度控制模塊、弱磁控制模塊等，通過這些功能模塊的有機(jī)整

9、合，就可在 Matlab/Simulink中搭建出 PMSM 控制系統(tǒng)的仿真模型， 并實現(xiàn)雙閉環(huán)的控制算法。 圖2 PMSM弱磁控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖2.3.1 PMSM本體模塊 在整個控制系統(tǒng)的仿真模型，PMSM本體模塊是最重要的部分。Matlab/ Simulink 的工具箱提供了按交直軸磁鏈理論建立的定子繞組按 Y 型連接的 PMSM 模塊。 PMSM 模塊共有四個輸入端，其中前三個輸入端，分別為 A 相、 B 相、 C相輸入端， 第四個輸入端為轉(zhuǎn)矩輸入端 T1 (N·m)。當(dāng) T1 >0 時，為電動機(jī)模式；當(dāng) T1 < 0 時為發(fā)電機(jī)模式。PMSM 的主要設(shè)置參數(shù)包

10、括:定子電阻R()；交直軸定子電感 (H)轉(zhuǎn)子磁場磁(Wb)；轉(zhuǎn)動慣量 J(kg·m2) ； 粘 滯 摩 擦 系 數(shù)B(N·m·s)；電機(jī)的極對數(shù) p 等。 2.3.2 矢量控制模塊dq向abc轉(zhuǎn)換模塊主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置即圖2中的，按照dq變換的反變換公式產(chǎn)生三路基準(zhǔn)信號，dq變換的反變換公式如下： 式(8)中包含了零序分量，在對稱三相條件下，沒有零序分量dq向abc轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。dq向abc轉(zhuǎn)換模塊輸出三路基準(zhǔn)信號，該曲線的橫坐標(biāo)按轉(zhuǎn)子位置標(biāo)注， 縱坐標(biāo)按電流標(biāo)注。三根曲線分別代表對應(yīng)與轉(zhuǎn)子的某一位置的三個繞組各自驅(qū)動電流瞬時值，通過矢量合成可知此刻

11、的旋轉(zhuǎn)磁場矢量的角度。圖3 dq到abc轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框圖2.3.3 電流滯環(huán)控制模塊三相電流源型逆變器模塊是按照矢量控制理論，利用滯環(huán)電流控制方法，實現(xiàn)電流逆變控制。輸入為三相參考電流和三相實際電流，輸出為變器電壓信號，模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。當(dāng)實際電流is經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)低于參考電流且偏差大于滯環(huán)比較器的環(huán)寬時，電機(jī)對應(yīng)相正向?qū)?，?fù)向關(guān)斷；當(dāng)實際電流經(jīng)過慣性環(huán)節(jié)超過參考電流且偏差大于滯比較器的環(huán)寬時，對應(yīng)相正向關(guān)斷，負(fù)向?qū)ㄟx擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)環(huán)寬，即可以實際電流不斷跟蹤參考電流的波形，實現(xiàn)電流閉環(huán)控制。 圖4 三相電流源型逆變器模塊結(jié)構(gòu)框圖2.3.4 速度控制模塊速度控制模塊的結(jié)構(gòu)較為簡單，如圖5所示

12、，參考轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值為單輸入項，三相考相電流的幅值為單輸出項。其中， Ki為PI控制器中P(比例)的參數(shù)，為PI控制器中I(積分的參數(shù)，飽和限幅模塊將輸出的三相參考相電流的幅值限定在要求范圍內(nèi)。圖5 速度控制模塊2.3.5 弱磁控制模塊電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運行時， 直軸電流的計算公式如下 電動機(jī)轉(zhuǎn)速超過基速時，恒功率運行， 切換為下面公式計算 式中，為永磁同步電機(jī)直軸電感；為永磁同步電機(jī)交軸電感；為定子繞組的電阻； 為感應(yīng)電動勢的電角度。2.4 仿真結(jié)果在前面理論分析的前提下，本文基于Matlab/Simulink建立PMSM弱磁控制系統(tǒng)的仿真模型，并對該模型進(jìn)行了PMSM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真

13、。 PMSM電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置：相繞組電阻R為2.87 ，極限電壓值為240 V，d軸電感分量為388.5 mH，極限電流值為1.6 A，q軸電感分量為475.5 mH，起始機(jī)械轉(zhuǎn)矩為5 Nm，永磁磁鏈為447， 機(jī)械轉(zhuǎn)矩變化時刻t為0.015 s，極對數(shù)p為4，最終機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tend為3 Nm。通過仿真試驗表明，轉(zhuǎn)速達(dá)到基本轉(zhuǎn)速以后，若不加該電流弱磁控制算法，繼續(xù)升速的空間很小。采取了本文提出的電流調(diào)節(jié)算法以后，永磁同步電機(jī)的弱磁調(diào)速區(qū)域明顯擴(kuò)大，恒功率運行區(qū)域調(diào)速比達(dá)到了4： 1；最高轉(zhuǎn)速達(dá)到2200 rad/s，轉(zhuǎn)速為1600 rad/s時的仿真波形如圖6到圖8所示。 圖6 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線圖7

14、 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖8 三相電流仿真波形由仿真波形可以看出：在轉(zhuǎn)速為1600 rad/s時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快速且平穩(wěn)，三相電流波形較為理想，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快且穩(wěn)態(tài)運行時無靜差，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)特性。 三、 解決效果3.1 結(jié)論本文在分析 PMSM 數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于電流調(diào)節(jié)的 PMSM 定子磁鏈弱磁控制算法。仿真實驗結(jié)果表明，本文提出的方拓寬了電動機(jī)弱磁調(diào)速范圍，有效地提高了恒功率運行區(qū)域的調(diào)速比，轉(zhuǎn)速響應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)矩變平穩(wěn)，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)要求。采用該 PMSM 仿真模型, 以便捷地實現(xiàn)、驗證電流調(diào)節(jié)的弱磁控制算法也可對其進(jìn)行簡單修改或替換，完成控制策略的

15、改進(jìn)，通用性較強。 3.2感悟與體會從這次閱讀文獻(xiàn)的過程中，我擴(kuò)寬自己的視野，基于課本基礎(chǔ)知識，然后上網(wǎng)閱讀資料，了解永磁同步電機(jī)的研究課題以及發(fā)展趨勢，增強自己的能力。此外，在本次閱讀永磁同步電機(jī)文獻(xiàn)的過程之中，我體會到了任何一個新的仿真思路或者一種算法都要建立在實際問題上去考慮、去探討解決辦法，再在合理的實際情況的前提下進(jìn)行仿真實驗，最終驗證研究報告結(jié)論的有效性和準(zhǔn)確性。通過此次文獻(xiàn)閱讀，增強了自己查找資料篩選有效信息的能力，了解了本專業(yè)課程的相關(guān)知識，解決的實際的問題，開拓了自己的視野，收獲頗豐。參考文獻(xiàn)1白玉成，唐小琦，吳功平.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制.電工技術(shù)學(xué)報.2011（09）2張樹團(tuán)，李偉林，魯芳，張海鷹.永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速系統(tǒng)建模及仿真研究 .船電技術(shù).2010