基于simulink的永磁同步電機的SVPWM控制和電流滯環控制

周海燕，邊曉偉，張譯之，馬春生，王 寬

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

基于simulink的永磁同步電機的SVPWM控制和電流滯環控制

周海燕，邊曉偉，張譯之，馬春生，王 寬

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

通過MATLAB/simulink/SimpowerSystems工具箱，結合永磁電機的數學模型建立了永磁同步電機的SVPWM控制和電流滯環控制兩種系統模型，通過仿真結果表明，這兩種控制系統有良好的性能，為現實中的控制系統設計提供一種理論基礎。

永磁同步電機；矢量控制；SVPWM；電流滯環；仿真

隨著純電動汽車的逐步推廣，永磁同步電動機憑借其效率較高，功率密度大，低損耗，運行可靠等優點，在純電動機械應用十分廣泛。在對電機控制[1]性能的要求逐漸提高的背景下，建立合適有效的控制仿真模型一直是電機控制領域的研究熱點[2]。

1 永磁同步電機的數學模型

永磁同步電機和普通的勵磁同步電機一樣都是定子三相對稱繞組。一般通過慣例來規定電機各個參數物理量的相關正方向。本文以三相星形的通電模式來分析永磁同步電機數學模型及其電磁轉矩等特性[3]，做以下設定：

（1）磁路不是飽和的，電機的電感不受電流影響；

（2）忽略渦流和磁滯損耗并且電機不受齒槽、換相以及電樞反應的影響；

（3）定子的三相繞組是完全對稱的，且永久磁鋼的磁場順著氣隙的四周呈正弦分布；

（4）在定子的內表面電樞繞組連續分布且均勻；

（5）驅動、續流二極管均為理想元件；

（6）在氣隙中轉子磁鏈呈正弦分布[4]。

由此電機電壓平衡方程：

又因為三相繞組為三相星形連接，而且沒有中線：

其中：ua，ub，uc為定子相繞組 a，b，c 三相電壓；r為電機定子電阻；L 為電機每相繞組的自感；ia，ib，ic為三相繞組相電流；ea，eb，ec為 a，b，c 定子相繞組電動勢；M為電機每兩相繞組之間的互感；p=d/dt微分；

定子繞組產生的電磁轉矩的表達式[5]：

式中，Te為電機電磁轉矩；TL為電機負載轉矩；B為電機阻尼系數；J為電機轉動慣量；np為電機極對數[6]。

2 電機控制模型的建立

根據上節建立的永磁同步電機的數學模型，通過MATLAB建立永磁同步電機的SVPWM矢量控制模型以及電流滯環控制模型。這兩個都是電流內環反饋、轉速外環反饋控制的雙閉環控制系統。首先，輸入一個合理的參考轉速，然后根據傳感器檢測到的電機轉速，兩者對比可以得到一個轉速偏差，再利用電機轉矩和轉速之間對應的關系，通過對電機速度進行PI控制，然后通過計算得到定子電流ia，ib，相對應的定子參考電流id*和iq*.接下來由相電流檢測電路提取出電機的兩相電流ia，ib，然后將此電流通過Clark以及park變換，將靜止坐標上的ia，ib電流轉換到d，q旋轉坐標系中，得到對應d，q旋轉坐標系中的id和iq電流，然后與上述的id*和iq*相比較（規定id*=0），將結果通過PI控制處理后輸出對應控制量。接下來將控制量進行park逆變換，然后傳遞給三相逆變器以得到控制定子繞組的實際電流。此過程從速度環（外環）得到定子電流的參考值，從電流環（內環）得到實際的電機控制信號，兩者結合構建一個完整的電流、速度矢量雙閉環控制系統[7]。

2.1 永磁同步電機SVPWM矢量控制模型

SVPWM矢量控制方式是根據三相逆變器的六個開關管，六個開關管可以產生八個基本的空間矢量，所需的參考電壓空間矢量可以由任相鄰的兩個空間矢量合成，由此，可以通過控制逆變器的開關，根據開關不同狀態產生的實際磁通去逐漸逼近電機所需的圓形磁場，從而實現電機的控制，SVPWM矢量控制模型如圖1所示。

圖1 SVPWM矢量控制模型

2.2 永磁同步電機的電流滯環控制

永磁同步電機的滯環電流控制模塊，定子三相參考電流 ia*，ib*，ic* 和實際電流 ia，ib，ic作為輸入信號，那么輸出的信號就是所需的逆變器的控制信號。在信號輸入滯環比較器的時候，ia，ib，ic

圖2 PMSM的滯環電流控制

3 仿真結果

為判斷兩個控制模型的準確性，對兩個模型進行仿真實驗，采用的永磁同步電機相關參數為：額定轉速ωr=100 rad/s，極對數np=2，定子電阻r=2.875 Ω，定子dq軸電感Ld=Lq=0.85 mH，永磁體磁鏈Ψf=0.185 wb，轉動慣量J=0.0021 kg·m2.

系統開始啟動時為空載，在t=0.5 s時突加負載3 N·m，得到系統轉速ωr，轉矩Te以及三相定子電流 ia，ib，ic的仿真曲線，見圖 3 所示。

圖3 控制結果圖

4 結果分析

由上面仿真波形可以得到，在輸入參考轉速為1 000 rad/s時，兩種控制系統響應迅速平穩；電機在啟動時，轉矩平穩恒定，沒有產生較大的轉矩，也沒有產生電流沖擊，在負載突變后，能迅速恢復平穩，仿真結果較為理想。兩個控制系統對比來看，SVPWM控制系統在突載產生后，系統響應更為迅速，恢復平穩性也較好。

[1]洪熙聞，王欽若．永磁同步電機電壓空間矢量控制仿真研究[J]．上海大中型機，2010（4）：43-47.

[2]PILLAY PKRISHNAN R.Modeling，simulation and analysis of permanent-magnet motor drives，PartⅠ ：The permanentmagnet syn-chronous motor drive[J].IEEE Trans on Industry Applications，1989，25（2）：265-273.

[3]陳 威，蔣 宇，謝國秋．永磁同步電機矢量控制系統設計與仿真[J]．電氣開關，2009，47（5）：54-60.

[4]黃慧敏.永磁同步電機控制發放與研究[D].武漢：武漢理工大學，2017.

[5]林 海，李 宏，林 洋，等．永磁同步電機矢量控制系統仿真與建模研究[J]．微特電機，2006（8）：43-45．

[6]崔總澤．三相電壓SVPWM整流器控制策略研究[D]．錦州：渤海大學，2012．

[7]孫業樹，周新云，李正明．空間矢量PWM的SIMULINK仿真[J]．農機化研究，2003，2（2）：105-106．

[8]趙江鋒．基于儲能保護的永磁直驅風電系統LVRT仿真研[D]．成都：西南交通大學，2012．

SVPWM Control and Current Hysteresis Control of Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Simulink

ZHOU Hai-yan，BIAN Xiao-wei，ZHANG Yi-zhi，MA Chun-sheng，WANG Kuan
（College of Engineering Mechanics，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

In this paper，SVPWM control and current hysteresis control of permanent magnet synchronous motor are established by MATLAB/simulink/SimpowerSystems toolbox and mathematical model of permanent magnet motor.The simulation results show that the two control systems have good performance，for the actual control system design provides a relatively reliable theoretical basis.

permanent magnet synchronous motor；vector control；SVPWM；current hysteresis；simulation

TM341

A

1672-545X（2017）10-0045-03

2017-07-13

周海燕（1992-），男，河南人，碩士研究生，研究方向：電機，電源能量控制管理。