工程項(xiàng)目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真

1、綜合訓(xùn)練項(xiàng)目三題 目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真 學(xué) 期：2014-2015學(xué)年第1學(xué)期專 業(yè)：自動(dòng)化班 級(jí)：2011級(jí)1班姓 名：官均濤學(xué) 號(hào)：1105010105指導(dǎo)教師：侯利民遼寧工程技術(shù)大學(xué)成 績(jī) 評(píng) 定 表評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定合格不合格矢量控制系統(tǒng)原理分析充分性仿真模型搭建合理仿真結(jié)果分析分析充分性設(shè)計(jì)報(bào)告答辯內(nèi)容充實(shí)答辯效果總成績(jī)?nèi)掌谀?月 日綜合訓(xùn)練項(xiàng)目三題目：永磁同步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)仿真目的：通過(guò)搭建仿真模型，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中枯燥、抽象、難于理解等弊端，消化知識(shí)單元六中矢量控制的理論知識(shí)，達(dá)到良好的教學(xué)效果。要求: 利用MATLAB/simulink中的電力系統(tǒng)工

2、具箱搭建PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)調(diào)節(jié)PI參數(shù)，得到良好的動(dòng)靜態(tài)性能，觀察系統(tǒng)突加減變負(fù)載運(yùn)行工況下的速度、電流及轉(zhuǎn)矩變化情況。任務(wù)：1、學(xué)習(xí)永磁同步電機(jī)矢量控制技術(shù)；2、搭建永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型；3、調(diào)試PI調(diào)節(jié)器參數(shù)滿足各種工況；4、針對(duì)仿真模型進(jìn)行演示答辯，考查其掌握程度。成果形式：現(xiàn)場(chǎng)演示+書面報(bào)告目 錄1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理11.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理11.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系11.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略22 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)id=0控制的simulink仿真42.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建

3、模42.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的simulink仿真52.2.1 空載啟動(dòng)仿真52.2.2轉(zhuǎn)速突變仿真62.2.3 負(fù)載突變仿真83 仿真結(jié)果分析111 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理近二十多年來(lái)電動(dòng)機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)的問(wèn)世和計(jì)算機(jī)人工智能技術(shù)的進(jìn)步，使得電動(dòng)機(jī)的控制理論和實(shí)際控制技術(shù)上升到了一個(gè)新的高度。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)仍以采用矢量控制技術(shù)為主。 矢量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流矢量相位和幅值的控制。本論文采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方式。由式(16)可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直、交軸電感確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電

4、流的空間矢量，而的大小和相位又取決于和也就是說(shuō)控制和；便可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)于一定的和，通過(guò)這兩個(gè)電流的控制，使實(shí)際和；跟蹤指令值和，便實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。由于實(shí)際饋入電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電流是三相交流電流、和，因此，三相電流的指令、和必須由下面的變換從和得到： （1）式中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)由位于電動(dòng)機(jī)非負(fù)載端軸伸上的速度、位置傳感器提供。通過(guò)電流控制環(huán)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸入三相電流、和與給定的指令、和一致，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。上述電流矢量控制對(duì)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和瞬態(tài)運(yùn)行都適用。而且和是各自獨(dú)立的；因此，便于實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制策略。1.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢

5、量控制運(yùn)行時(shí)的基本電磁關(guān)系 永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制運(yùn)行是與系統(tǒng)中的逆變器密切相關(guān)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能受到逆變器的制約。最為明顯的是電動(dòng)機(jī)的相電壓有效值的極限值和相電流有效值的極限值要受到逆變器直流側(cè)電壓和逆變器的最大輸出電流的限制。當(dāng)逆變器直流側(cè)電壓最大值為時(shí)，Y接的電動(dòng)機(jī)可達(dá)到的最大基波相電壓有效值： （2）而在d-q軸系統(tǒng)中的電壓極限值為:(1)電壓極限圓 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電壓矢量的幅值： （3）將式（24）代入式（29）得： （4） 由于電動(dòng)機(jī)一般運(yùn)行于較高轉(zhuǎn)速，電阻遠(yuǎn)小于電抗，電阻上的壓降可以忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)化為 （31）以代替上式中的，有 （5） 當(dāng)時(shí)，式（32）是一個(gè)橢圓方程，當(dāng)

6、時(shí)（即電動(dòng)機(jī)為表面凸出式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)時(shí)），式（32）是一個(gè)以（, 0）為圓心的圓方程，下面以為例，將式（32）表示在的平面上，即可得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓極限軌跡電壓極限圓。對(duì)某一給定轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子電流矢量不能超過(guò)該轉(zhuǎn)速下的橢圓軌跡，最多只能落在橢圓上。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電壓極限橢圓的長(zhǎng)軸和短軸與轉(zhuǎn)速成反比地相應(yīng)縮小，從而形成了一族橢圓曲線。(2)電流極限圓電動(dòng)機(jī)的電流極限方程為： （6）上式中，為電動(dòng)機(jī)可以達(dá)到的最大相電流基波有效值，式（33）表示的電流矢量軌跡為一以平面上坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的圓。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子電流空間矢量既不能超出電動(dòng)機(jī)的電壓極限圓，也不能超出電流極限圓。1

7、.3 永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制策略 時(shí)，從電動(dòng)機(jī)端口看，相當(dāng)于一臺(tái)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁場(chǎng)空間矢量正交，等于90°，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其值為 （7）控制時(shí)的相量圖如圖8所示：圖8 矢量控制相量圖從圖中可以看出，反電動(dòng)勢(shì)相量與定子電流相量同相。對(duì)表面凸出示轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，此時(shí)單位定子電流可獲得最大的轉(zhuǎn)矩?；蛘哒f(shuō)，在生產(chǎn)所需要轉(zhuǎn)矩的情況下，只需最小的定子電流，從而使銅耗下降，效率有所提高。這也是表面凸出示轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用控制的原因。從電動(dòng)機(jī)的電壓方程(忽略定子電阻)和轉(zhuǎn)矩方程可以得到采用控制

8、時(shí)在逆變器極限電壓下電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為式（35）。從式（35）可以看出，采用控制時(shí)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速既取決于逆變器可提供的最高電壓、也取決于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)可達(dá)的最高電壓越大，輸出轉(zhuǎn)矩越小，則最高轉(zhuǎn)速越高。 （8）按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使的控制方式，對(duì)于隱極永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，定子電流和轉(zhuǎn)子磁通是互相獨(dú)立的，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩恒定性好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適合于需要高性能的數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等場(chǎng)合。 2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)id=0控制的simulink仿真2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的建模 圖9為控制系統(tǒng)原理圖。圖中，和為檢測(cè)出的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和角度空間位移，和為檢測(cè)出的實(shí)際

9、定子三相電流值。在圖11中采用了三個(gè)串聯(lián)的閉環(huán)分別實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)子位置實(shí)際值與指令值的差值作為位置控制器的輸入，其輸出信號(hào)作為速度的指令值，并與實(shí)際速度比較后，作為速度控制器的輸入。速度控制器的輸出即為轉(zhuǎn)矩的指令值，轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值可根據(jù)給定的勵(lì)磁磁鏈和經(jīng)矢量變換后得到的、由轉(zhuǎn)矩公式求出。實(shí)際轉(zhuǎn)矩信號(hào)與轉(zhuǎn)矩指令值的差值經(jīng)轉(zhuǎn)矩控制器和矢量變換后，即可得到電動(dòng)機(jī)三相電流的指令值，再經(jīng)電流控制器便可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制。 圖9 控制系統(tǒng)框圖根據(jù)圖9利用Matlab7.6.0中的simulink工具建立永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)控制的仿真模型，如圖10所示： 圖10 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控

10、制系統(tǒng)控制的仿真圖2.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的simulink仿真矢量控制是當(dāng)前高性能交流調(diào)速系統(tǒng)一種典型的控制方案。本章分析了永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的原理，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，在Matlab/simulink環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。2.2.1 空載啟動(dòng)仿真 指令轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，空載，啟動(dòng)過(guò)程的仿真波形如以下各圖所示：圖20 轉(zhuǎn)速波形圖圖21 轉(zhuǎn)矩波形圖圖22 定子三相電流波形圖仿真中，電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)，t=0.025s前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和電流均大幅震蕩，在t=0.07s時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定值1000轉(zhuǎn)/分，穩(wěn)態(tài)誤差為2%。2.2.2轉(zhuǎn)速突變仿真指令轉(zhuǎn)速由1000轉(zhuǎn)/

11、分突變?yōu)?00轉(zhuǎn)/分，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm=2N.m，啟動(dòng)過(guò)程的仿真波形如以下各圖所示：圖23 轉(zhuǎn)速波形圖 圖24 轉(zhuǎn)矩波形圖圖25 三相電流波形圖電動(dòng)機(jī)負(fù)載啟動(dòng)，t=0.02s前為震蕩過(guò)程，t=0.02s到0.04s，轉(zhuǎn)矩Te開(kāi)始攀升，并在t=0.04s開(kāi)始穩(wěn)定波動(dòng)，由于此間電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，所以該時(shí)間段轉(zhuǎn)速下降。t=0.08s時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在指令值1000轉(zhuǎn)/分，直到t=0.1s，指令轉(zhuǎn)速突變?yōu)?00轉(zhuǎn)/分，此時(shí)轉(zhuǎn)矩突然下降到0下，緊接著t=0.1s到0.11s是轉(zhuǎn)矩提升過(guò)程。伴隨轉(zhuǎn)矩變化，轉(zhuǎn)速做出了相應(yīng)的下降變化，電流突然變?。籺=0.11s后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定波動(dòng)于2N.m，轉(zhuǎn)速回升，于t=0.16s穩(wěn)定在指令值800轉(zhuǎn)/分。2.2.3 負(fù)載突變仿真永磁同步電機(jī)的負(fù)載突變時(shí),電機(jī)的電流、速度、推力等參數(shù)都會(huì)發(fā)生很大的變化，負(fù)載突變特性可為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制策略實(shí)施、安全運(yùn)行等提供理論基礎(chǔ)。這里的負(fù)載突變指在轉(zhuǎn)速一定的情況下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由一個(gè)數(shù)據(jù)突變到另一個(gè)數(shù)據(jù)。指令轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由2N.m突變?yōu)?N.m，啟動(dòng)過(guò)程的仿真波形如以下各圖所示：圖26 轉(zhuǎn)速波形圖圖27 轉(zhuǎn)矩波形圖圖28 三相電流波形圖t=0.1s前轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流變化與4.2.1同，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩在t=0.1s突升到5N