基于simulink的永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真

1、山西中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 陳飛 楊世文 2、安徽奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司 閆偉

引言

當(dāng)今世界的能源瓶頸和環(huán)境污染使得新能源汽車產(chǎn)業(yè)受到了巨大挑戰(zhàn)。電動汽車有噪聲小、排放少及能耗低的優(yōu)勢，使其在未來市場所占份額以及發(fā)展前景十分廣闊。電機及其控制性能是影響電動汽車動力性和經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素，所以研發(fā)高性能的電機控制器對電動汽車具有重要意義。本文主要對永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)進行研究，借助Matlab/Simulink平臺對永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中的各部分進行建模仿真，其中包括電機仿真模型、SVPWM仿真模型等。

1 永磁同步電機控制系統(tǒng)的仿真模型

本文在坐標變換理論、永磁同步電機模型、SVPWM原理和矢量控制原理等基礎(chǔ)上，通過Matlab/Simulink軟件平臺建立由SVPWM逆變器供電的永磁同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，本文采用id=0的矢量控制方法控制永磁同步電機。

1.1 SVPWM仿真模型

通過以下四個步驟建立SVPWM逆變器的仿真模型：（1）根據(jù)輸入的兩相電壓值確定所要合成的電壓矢量的扇區(qū)號；（2）計算出相鄰基本矢量與零矢量合成電壓矢量所需的作用時間；（3）排列出矢量合成的最佳序列；（4）比較作用的時間和載波，合成三相PWM調(diào)制信號。

1.1.1 扇區(qū)號的確定

矢量空間被均等的劃分成6個區(qū)域，每個部分稱為一個扇區(qū)，每個扇區(qū)都對應(yīng)一個編號。所以，為了確定合成矢量Vref是由哪些基本電壓空間矢量合成的，首先要知道它位于哪個扇區(qū)里面。

為了得到所需的PWM波形，首先要有兩路輸入信號uα和uβ。由于兩路電壓信號是正交的，故可以通過uα、uβ的數(shù)學(xué)關(guān)系計算出合成矢量Vref所處的扇區(qū)，利用公式（1.1）計算 B0、B1、B2：

利用公式（1.2）計算出扇區(qū)號N值：

公式中，sgn(x)為符號函數(shù)。如果 x＜0，sgn(x)=0；如果 x＞0，sgn(x)=1。

根據(jù)公式（1.1）、（1.2）建立 Matlab模型來確定扇區(qū)號，如圖1.1所示。

圖1.1 扇區(qū)號確定仿真模型

1.1.2 計算各扇區(qū)矢量的作用時間

首先以Vref在N=3的扇區(qū)時進行分析；

由公式（1.3）可解得Vref的相鄰基本矢量作用時間T4、T6分別為：

根據(jù)以上分析，同樣可以得到其它扇區(qū)基本矢量的作用時間，再此定義X、Y、Z：

對于不同的扇區(qū)，相鄰電壓矢量的作用時間T1、T2與X、Y、Z的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 相鄰電壓矢量的作用時間

對T1、T2賦值之后，還需要再對其作飽和判斷。如果T1+T2≤TS，則上述的賦值不變，否則需要按公式（1.6）予以修正：

根據(jù)相鄰電壓矢量的作用時間T1、T2以及功率開關(guān)器件的切換規(guī)律，同時考慮所在扇區(qū)的不同，開關(guān)作用時間可以通過以下3個值來計算：

扇區(qū)矢量作用計算模型如圖1.2所示：

圖1.2 扇區(qū)矢量作用計算模型

1.1.3 三相PWM信號的產(chǎn)生

根據(jù)上述理論，在Simulink中搭建SVPWM的仿真模型如圖1.3所示:

圖1.3 SVPWM的仿真模型

1.2 逆變器仿真模型

在上一小節(jié)中已經(jīng)得到了控制IGBT器件動作所需的PWM波，見下式

調(diào)節(jié)功率開關(guān)器件的動作即可得到使永磁同步電機運行的三相電壓。在Simulink中構(gòu)建逆變器的仿真模型，如圖1.4所示:

圖1.4 逆變器仿真模型

1.3 電機仿真模型

在控制系統(tǒng)仿真的過程中，并未使用Simulink自帶的電機模型，而是根據(jù)電機的機理搭建的。在建模過程中，用到了永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程、電流方程、機械運動方程和三相靜止坐標系中的電流方程：

在Simulink中，根據(jù)上述公式搭建的電機仿真模型如圖1.5所示。

圖1.5 永磁同步電機的仿真

1.4 電機控制系統(tǒng)整體模型

根據(jù)前三節(jié)的介紹，將各個模塊連接起來，加上PI控制器、坐標變換方程和輸入信號，得到了永磁同步電機控制系統(tǒng)完整的仿真模型，如圖1.6所示。

圖1.6 永磁同步電機控制系統(tǒng)仿真模型

2 結(jié)論

本文在永磁同步電機控制系統(tǒng)坐標變換理論、SVPWM原理及矢量控制原理等基本理論的基礎(chǔ)上，通過Matlab/Simulink軟件平臺分別搭建SVPWM仿真模型、永磁同步電機模型及逆變器仿真模型，設(shè)定仿真時間、采樣時間等參數(shù)，對整體系統(tǒng)模型進行模擬仿真實驗。仿真結(jié)果充分驗證了所搭建模型，對永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義。

[1]汽車工程手冊（設(shè)計篇）[M].北京：人民交通出版社,2001.

[2]安群濤,李波,王有琨.采用SVPWM的永磁同步電動機系統(tǒng)建模與仿真[J].微電機,2006,39(9):38～41.

[3]王建寬,崔巍,江建中.SVPWM技術(shù)的理論分析及仿真[J].微特電機,2006,6(15):1.