基于矢量控制的永磁同步電動機調(diào)速過程的仿真

鄧小楚

[摘 要]根據(jù)矢量控制理論和永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型建立仿真模型，并對永磁同步電動機的調(diào)速過程進行仿真。仿真結(jié)果較好地反映了永磁同步電動機的調(diào)速運行過程，為進一步的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]永磁同步電動機；矢量控制；調(diào)速；仿真

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.075

1 引 言

近年來，隨著控制理論、永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于矢量控制的永磁同步電動機（PMSM）以其優(yōu)良的控制性能、高功率密度和高效率，越來越多地用于各種高性能伺服系統(tǒng)及其他領(lǐng)域。本文對基于矢量控制的永磁同步電動機進行了理論研究與分析，并運用Matlab/Simulink對其調(diào)速運行進行了建模與仿真。

2 矢量控制的永磁同步電動機基本原理

2.1 交流電機矢量控制的基本思想

自1971年德國西門子公司F.Blaschke發(fā)明了基于坐標變換的交流電機矢量控制原理以來，交流電機矢量控制得到了廣泛應(yīng)用。矢量控制理論的基本思想是通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流分解為與磁場方向一致的勵磁分量和與磁場方向正交的轉(zhuǎn)矩分量，從而得到與直流電動機相似的解耦數(shù)學(xué)模型，使交流電動機的控制性能可與直流電動機相媲美。

經(jīng)過30多年的理論研究和工程實踐，交流電機矢量控制理論日趨完善。大大小小的交流電機調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制。在交流同步電動機調(diào)速系統(tǒng)，特別是永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)中，永磁同步電動機以其原理與結(jié)構(gòu)上的特殊性使矢量控制的優(yōu)勢得到了充分的發(fā)揮。

永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁極是用永久磁鋼制成的，通過對磁極極面形狀的設(shè)計使其在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生呈正弦分布的轉(zhuǎn)子磁場。該磁場的軸線與轉(zhuǎn)子磁極的軸線重合，并隨轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此矢量控制中的同步旋轉(zhuǎn)軸系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸系重合。永磁同步電動機的定子磁場是由定子繞組中通過對稱的交流電建立的，定子磁場在定、轉(zhuǎn)子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉(zhuǎn)。因此，當負載一定時，定、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場之間的差角——功率角是恒定的，通過折算并保持功率角為90°。這樣一來，永磁同步電動機就和無補償繞組的直流電動機基本相同了，可以實現(xiàn)解耦控制，即轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。

2.2 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型

為建立正弦波永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型，首先假設(shè)：

（1）忽略電動機鐵心的飽和；

（2）不計電動機的渦流和磁滯損耗；

（3）電機電流為對稱的三相正弦波電流。

根據(jù)以上矢量控制的基本思想，在永磁同步電動機中，同步旋轉(zhuǎn)坐標系取轉(zhuǎn)子磁場中基波磁勢的軸線即轉(zhuǎn)子磁極軸線為d軸（直軸），順旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度為q軸（交軸），軸系隨同轉(zhuǎn)子以同步角速度旋轉(zhuǎn)。根據(jù)矢量控制理論中的坐標變換方法，永磁同步電動機定子三相電流變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系的變換公式為：

3 永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)矢量控制和永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型建立系統(tǒng)的仿真控制模型如圖1所示，直流電壓源經(jīng)三相橋式可控逆變電路向電動機提供三相正弦交流電；控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)控制，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器，消除調(diào)速系統(tǒng)的誤差使電機轉(zhuǎn)速跟隨給定；電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，采用滯環(huán)控制，以提高系統(tǒng)的動態(tài)相應(yīng)特性；通過給定轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)進行仿真。

4 永磁同步電動機調(diào)速過程的仿真

根據(jù)建立的仿真模型，對一臺4極、額定速度為1500 r/min的永磁同步電動機進行仿真。電機從起動到加速至1500 r/min運行，然后再將轉(zhuǎn)速由1500 r/min調(diào)整到1200 r/min時，其三相定子電流、轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩如圖2所示。

5 結(jié) 論

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，且仿真研究具有安全、經(jīng)濟和省時等諸多優(yōu)點，故在科學(xué)研究和工程領(lǐng)域中越來越多地采用這一技術(shù)作為預(yù)研究。在本文所設(shè)計的永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型上，可以十分方便地對永磁同步電動機、PI調(diào)節(jié)器的各種參數(shù)進行調(diào)整，甚至還可以根據(jù)需要對調(diào)速系統(tǒng)電流環(huán)和速度環(huán)中的PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)整。例如將速度環(huán)中的PI調(diào)節(jié)器調(diào)整為增量式PID調(diào)節(jié)器或其他控制效果更加優(yōu)良的調(diào)節(jié)器，以達到最佳的控制效果。

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