基于simulink的永磁同步電機驅動系統仿真

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

引言

當今世界的能源瓶頸和環境污染使得新能源汽車產業受到了巨大挑戰。電動汽車有噪聲小、排放少及能耗低的優勢，使其在未來市場所占份額以及發展前景十分廣闊。電機及其控制性能是影響電動汽車動力性和經濟性的關鍵因素，所以研發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動系統進行研究，借助Matlab/Simulink平臺對永磁同步電機矢量控制系統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速系統的仿真模型，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）根據輸入的兩相電壓值確定所要合成的電壓矢量的扇區號；（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調制信號。

1.1.1 扇區號的確定

矢量空間被均等的劃分成6個區域，每個部分稱為一個扇區，每個扇區都對應一個編號。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的數學關系計算出合成矢量Vref所處的扇區，利用公式（1.1）計算 B0、B1、B2：

利用公式（1.2）計算出扇區號N值：

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

根據公式（1.1）、（1.2）建立 Matlab模型來確定扇區號，如圖1.1所示。

圖1.1 扇區號確定仿真模型

1.1.2 計算各扇區矢量的作用時間

首先以Vref在N=3的扇區時進行分析；

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：

根據以上分析，同樣可以得到其它扇區基本矢量的作用時間，再此定義X、Y、Z：

對于不同的扇區，相鄰電壓矢量的作用時間T1、T2與X、Y、Z的對應關系如表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：

根據相鄰電壓矢量的作用時間T1、T2以及功率開關器件的切換規律，同時考慮所在扇區的不同，開關作用時間可以通過以下3個值來計算：

扇區矢量作用計算模型如圖1.2所示：

圖1.2 扇區矢量作用計算模型

1.1.3 三相PWM信號的產生

根據上述理論，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

在上一小節中已經得到了控制IGBT器件動作所需的PWM波，見下式

調節功率開關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

在控制系統仿真的過程中，并未使用Simulink自帶的電機模型，而是根據電機的機理搭建的。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 電機控制系統整體模型

根據前三節的介紹，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仿真模型

2 結論

本文在永磁同步電機控制系統坐標變換理論、SVPWM原理及矢量控制原理等基本理論的基礎上，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，設定仿真時間、采樣時間等參數，對整體系統模型進行模擬仿真實驗。仿真結果充分驗證了所搭建模型，對永磁同步電機驅動系統開發有一定的指導意義。

[1]汽車工程手冊（設計篇）[M].北京：人民交通出版社,2001.

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