下载文档原格式
TECHNIQUE RESEARCH双闭环永磁同步电机矢量控制仿真研究Research on Vector Control Simulation of Double Closed Loop Permanent MagnetSynchronous Motor大连交通大学电气信息工程学院严航 (Yan Hang) 唐明新(Tang Mingxin) 聂启鹏(Nie Qipeng)永磁同步电机因其运行稳定、体积小、结构灵活等优点，在空调压缩机、电梯传动、船舶推进以及电动汽车领域都有着越来越广泛的应用。
在此根据永磁同步电机的结构，通过数学模型对永磁同步电机进行描述，并在Matlab/Simulink中搭建了一种用于汽车能量回收的矢量控制模型。
采用空间矢量脉宽调制技术和速度、电流双反馈的方式，控制永磁同步电机恒转速输出。
同时该双闭环永磁同步电机矢量控制能够在高性能电机驱动控制系统方面提供一定的指导意义。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；电动汽车；MATLAB/Simulink软件Abstract: Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is widely used in air-conditioning compressor, elevator drive, ship propulsion and electric vehicle because of its stable operation, small size and flexible structure. Accordi ng to the structure of permanent magnet synchronous motor, the permanent magnet synchronous motor is describ ed by mathematical model, and a vector control model for vehicle energy recovery is built in MATLAB/Simulink. The output of permanent magnet synchronous motor (PMSM) at constant speed is controlled by space vector pulse wi dth modulation (SVPWM) and double feedback of speed and current. At the same time, the vector control of doub le closed-loop permanent magnet synchronous motor can provide guidance for high performance motor drive con trol system.Key words: Permanent magnet synchronous motor; Vector control; Electric vehicle; MATLAB/Simulink software 【中图分类号】TM743【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2019）05-0072-061 引言当今时代，全球气温变暖、生物多样性的锐减及雾霾的肆虐使得环境保护成为人们关注的大问题。
永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真第1章引言随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。
电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。
交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。
交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。
直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。
随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。
因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。
1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。
永磁同步电机（PMSM）采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。
永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展，因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。
对于在Simulink中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。
第2章 电压空间矢量技术的基本原理PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变频、调压及减少谐波含量的一种控制技术。
摘要本文首先简要介绍了正弦波永磁同步电动机（PMSM）的结构特点和数学模型，在此基础上阐述了永磁同步电动机矢量控制的思想和自控变频调速方法。
着重介绍了正弦波脉冲宽度调制（SPWM），电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）和电压空间矢量PWM（SVPWM）三种控制技术，并分别给出了基于这三种变频控制技术的永磁同步电动机矢量控制双闭环调速系统的Simulink仿真模型。
应用PID控制器设计方法进行系统参数整定，并进行动态仿真分析校正，最终达到了较为理想的稳、动态性能指标。
其中着重分析了转速微分负反馈在双闭环调速系统中抑制超调、改善动态性能和增强抗扰性能的作用。
关键词：永磁同步电动机矢量控制 SPWM CHBPWM SVPWM 仿真AbstractFirstly,this paper briefly describes the structural features of Sinusoidal Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) and it’s mathematical model.Then elaborating the theory of the Vector control and the method of Controlled frequency.It presents three control technology of SPWM,CHBPWM and SVPWM.It also gives the simulation model of double closed-loop control system of PMSM.We design the parameters of PID while simulating.Finally,we achieve the ideal performances of the system.It mainly analysises funtion of controlling overshoot and improving performances of the differential negative feedback of speed.Key words:PMSM Vector Control SPWM CHBPWM SVPWM Simulation目录摘要 (I)1 引言 (1)2 永磁同步电动机的数学模型 (1)2.1 永磁同步电动机的简介 (1)2.2 矢量控制原理 (2)2.2.1 矢量控制的基本原理 (2)2.2.2 矢量控制中的坐标变换 (2)2.2.3 矢量控制的磁链定向方式 (3)2.3 永磁同步电动机在dq0坐标系下的数学模型 (3)3 同步电动机变压变频(VVVF)调速系统 (4)3.1 同步电动机变压变频调速的特点及基本类型 (4)3.2 永磁同步电动机自控变频调速系统 (5)4 永磁同步电动机矢量控制调速系统Matlab/Simulink仿真 (6)4.1 基于SPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2 基于CHBPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2.1 电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术 (6)4.2.2 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (7)4.2.3 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (9)4.3 基于SVPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (15)4.3.1 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术 (15)4.3.2 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (20)4.3.3 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (21)4.4 本章小结 (22)5 总结与展望 (23)参考文献 (24)永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真1 引言随着技术的飞速发展，人们的生活水平提高，各种自动化调速系统在人们生产生活中的应用不断增多，且使用环境也日益复杂，直流调速系统由于其结构复杂、制造困难、成本高等缺点日渐难以满足各种生产生活的要求。
《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械工程________________________科技大学机械工程学院2015 年 11 月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验学时： 2实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1.掌握运用 MATLAB/Simulink 进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。
二、实验容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统－－双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。
采用 PI 控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。
双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（环）的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。
这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。
以双闭环 V-M调速系统为例，介绍运用 MATLAB/Simulink 进行双闭环控制系统动态分析的方法。
双闭环V-M 调速系统的结构如图 1.1 所示。
图中，直流电机参数： P nom10kW ， U nom220V ， I nom53.5A ， n nom1500r / min ，电枢电阻R a0.31，系统主电路总电阻R 0.4，电枢回路电磁时间常数T a0.0128s ，机电时间常数 T m0.042s；三相桥平均失控时间T s0.00167 s ，触发器放大系数K s30 ；电流反馈系数 K i0.072V / A ，电流环滤波时间常数T oi0.002s ；转速反馈系数 K t0.0067V min/ r ，转速环滤波时间常数T on0.01s 。
.专业资料 ... .. ..电流环滤波电流反馈系数扰动信号1K iT oi s131 -I i+R11 +P i+4 T on s 1I n 1sK s1 / R aT m sC e给定P n++-电机 转速环sT oi s 1电流T s s T a s 1传动 电势 信号--1转速滤波平衡转速 电流环调节器装置系数可控硅电机-调节器 滤波平衡2整流器电枢1K tT on s 1转速环滤波转速反馈系数图 1.1 双闭环 V-M 调速系统的动态结构图①电流环、转速环选型原则。
永磁同步电机矢量控制matlab仿真永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的矢量控制（也称为场向量控制或FOC）是一种先进的控制策略，用于优化电机的性能。
这种控制方法通过独立控制电机的磁通和转矩分量，实现了对电机的高性能控制。
在MATLAB中，你可以使用Simulink和SimPowerSystems库来模拟永磁同步电机的矢量控制。
以下是一个基本的步骤指南：1.建立电机模型：使用SimPowerSystems库中的Permanent Magnet SynchronousMachine模型。
你需要为电机提供适当的参数，如额定功率、额定电压、额定电流、极对数、转子惯量等。
2.建立控制器模型：矢量控制的核心是Park变换和反Park变换，用于将电机的定子电流从abc坐标系变换到dq旋转坐标系，以及从dq坐标系变换回abc坐标系。
你需要建立这些变换的模型，并设计一个适当的控制器（如PI控制器）来控制dq轴电流。
3.建立逆变器模型：使用SimPowerSystems库中的PWM Inverter模型。
这个模型将控制器的输出（dq轴电压参考值）转换为逆变器的开关信号。
4.连接模型：将电机、控制器和逆变器连接起来，形成一个闭环控制系统。
你还需要添加一个适当的负载模型来模拟电机的实际工作环境。
5.设置仿真参数并运行仿真：在Simulink的仿真设置中，你需要设置仿真时间、步长等参数。
然后，你可以运行仿真并观察结果。
6.分析结果：你可以使用Scope或其他分析工具来查看电机的转速、定子电流、电磁转矩等性能指标。
这些指标可以帮助你评估控制算法的有效性。
请注意，这只是一个基本的指南，具体的实现细节可能会因你的应用需求和电机参数而有所不同。
在进行仿真之前，建议你仔细阅读相关的文献和教程，以便更好地理解永磁同步电机的矢量控制原理。
永磁同步电机矢量控制系统仿真研究摘要：随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，永磁交流调速系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统等高科技领域中占据了日益重要的地位。
永磁同步电动机具有能量转换效率高、体积小，运行可靠性高、调速范围广，动、静特性好等优点，这使得永磁同步电动机技术得到了迅速发展。
PWM控制技术从最早追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，得到了不断创新和完善。
本文是在此基础上，参照了众多学者的研究，对永磁同步电机进行了矢量控制的研究，并通过建立仿真模型，对矢量控制下永磁同步电机进行仿真，并对结果进行分析。
关键词：永磁交流调速，PWM控制技术，永磁同步电动机1 PMSM数学模型介绍精确的电机数学模型是电机控制理论得以研究与实现的基础，因此首先给出三相永磁同步电动机数学模型。
推导前作如下假设：1）定子三相绕组对称，Y型连接；2）反电动势正弦；3）铁磁部分磁路线性，即不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；4）转子无阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；PMSM在a-b-c坐标系统中电压方程用矩阵形式表示为：（1）其中定子电枢相电阻；、、定子绕组端电压瞬时值；、、定子绕组相电流瞬时值；、、磁链瞬时值；微分算子，。
PMSM定子绕组电感系数是转子位置角的函数，其电压方程、磁链方程都是含有时变系数的微分方程组，在分析PMSM工作过程时用解析法求解时变系数方程组是比较困难的，需要采取数值法求解，不便于工业控制应用。
因此采用park变换矩阵，将PMSM数学模型变换到固定在其转子上的两相旋转坐标系d-q坐标系中，将上述含时变系数的微分方程组变换为易于求解的常系数微分方程组，这对于分析PMSM动态过程和稳态过程都是十分有意义的。
从而得到建立在dq旋转坐标中和三相静止坐标中电机模型之间具有如下关系：（2）（3）PMSM中定子绕组一般为无中线的Y型连接，固。
永磁同步电机转速电流双闭环控制系统研究0 引言随着永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机得到了广泛的应用。
建立永磁同步电机控制系统的仿真模型，对验证各种控制算法，优化整个控制系统具有十分重要的意义。
本文运用模块化的思想，借助Simulink的仿真建模，将整个控制系统分成几个独立的模块：坐标变换模块、本体模块、SVPWM矢量调制模块和电压逆变模块。
并对这些模块进行有机整合，搭建出控制系统的仿真模型。
1 坐标变换模块：坐标变换模块的目的是将同步电机的定子相电流变换到与i1、i2同步的旋转坐标系中。
与参考输入相比较，得到的偏差作为电流调节器（PI）的输入。
2 SVPWM调制模块：空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM），以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准，用逆变器的8 种开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，使电机获得幅值恒定的圆形磁场（正弦磁通），从而达到较高的控制性能。
SVPWM 方法通过8 个基本空间矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量，并根据各自作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量。
3 Universal Bridge（电压逆变模块）模型：逆变器对BLDC来说，首先是功率变换装置，也就是电子换向器，每一个桥臂上的一个功率器件相当于直流电动机的一个机械换向器，还同时兼有PWM电流调节器功能。
对逆变器的建模，采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全桥IGBT模块。
由于在Matlab中SimPowerSystem工具箱和Simulink 工具箱不是随便可以相连的，中间必须加上受控电压源（或者受控电压源、电压表、电流表）。
逆变器根据电流控制模块所控制PWM信号，顺序导通和关断，产生方波电流输出。
4 永磁电机本体模块：该模块完成转子角速度、转子位置角和电磁转矩的计算，将0到无穷的角度转换成-180到180度的角。
然后通过角度选择确定转角作用的有效角度。
6 仿真结果：对搭建的基于PMSM 控制系统模型进行仿真试验。
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验24、SIMULINK建模我们借助SIMULINK，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。
打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。
图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。
将transfor Fc n（传递函数）模块用鼠标左键拖入新模型后双击transfor Fc n（传递函数）模块得到图11，开始编辑此模块的属性。
图11参数表与模型建立参数对话栏第一和第二项就是我们需要设置的传递函数的分子与分母，如我们需要设置电流环的控制器的传递函数：0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅=，这在对话栏的第一栏写如：[0.018 1]，第二栏为：[0.062 0]。
点击OK ，参数设置完成。
如图12。
图12传递函数参数设置设置完所有模块的参数后将模块连接起来既得到图7所示的系统仿真模型。
在这里需要注意的是，当我们按照理论设计的仿真模型得到的实验波形与理想的波形有很大的出入。
题目 1：永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真
一．实验目的
1．加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理
2．掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法
二．实验要求：
1.永磁同步电机双闭环控制系统建模
2.电流控制器设计
3.电流环动态跟随性能仿真实验
4.转速控制器设计
5.转速环抗负载扰动性能仿真实验
6.给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论
三．预习内容
注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索
Simulink的启动在MATLAB中键入>>Simulink，进入Simulink library，2014 版本的可直接点击MATLAB界面上的 Simulink library，在Simulink界面上选择 File->New->Model 。
如图 1 所示：
图 1 Simulink界面
在 Simulink一级标题下点击source 将 step( 阶跃函数 ) 拖入空白文件作为
转速给定，也可用两个ramp 函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图2：
图2 转速给定
在 Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem 放入空白文件并双击，删除In1 和 Out1 的连线，如图 3：
图3 子函数模块
选择 Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的 Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add，连好线后保存并返回，作为 PI 调节器，其中 saturation可设置上下限为100和-100，如图4：
图 4 PI 子函数模块设置
此 PI 调节器输出结果作为 Iq 的电流给定，同样方法得到一个 PI 调节器，输出结果作为电压给定，并设置saturation 上下限为380 和-380 ，Simulink 下math operation 选择 sum双击并修改第二个“ +”为“ - ”，如图 5：
图 5 转速和电流反馈PI 调节
选择Simulink>Ports & Subsystems 下的Subsystem 拖入并双击进入子系统，并添加 2 个In1 和 1 个 Out1 如图6：
图6 接口模块
Simulink>math operation下选择Trigonometric Function Subtract 、Add加入文件，设置好后保存并退出，作为逆Park
、Product 、变换，如图 7：
图 7 反 Park 变换
再生成一个 PI 调节器，作为 d 轴电流调节器， Simulink>source 中选择constant 并设置为 0，如图 8：
图 8 静止坐标系电压生
svpwm模块建立过程过于复杂，可参考文献 [1][2] ，只列出总体框图如图 9 和图10，其中 Ts 为开关周期， Udc 为直流母线电压。
图 9 SVPWM生成结构
图 10 SVPWM生成模块
三相桥模块：早期版本 MATLAB选择 SimPowerSystems>specialized Technology>Power Electronics 文件下的 Universal Bridge （ ATTENTION：这
一步不在 Simulink一级标题下，往下寻找）, 2014 SimPowerSystems> Technology>Power Electronics, 版本在 Simscape>
找不到可以在搜索框中
输入对应器件名称搜索。
直流母线电压源： SimPowerSystems>specialized Technology>Electrical sources 选择 DC voltage source ，电压设置为 530V，如图 11：
图 11 三相桥模块
添加 PM电机模块：SimPowerSystems>specialized Technology>Machines 选择 Permanent Magnet Synchronous Motor,在添加Step信号作为转矩输入，暂
时设置为 0，如图 12：
图 12 PMSM电机模块设置
选择 Simulink>Signal routing下的Bus selector，PMSM上的m连接到Bus selector 上的输入端，双击Bus selector,选择Signals in the bus下的项，点击中间的 select ，可以全部添加。
如图13：
图 13 输出参数设置
选择 Simulink>Signal routing下的Mux,双击将数字改为3，将 Bus selector 输出端的 A BC相电流连接到 Mux的输入端，如图，并选择simulink>Sink 添加示波器 Scope 观测电流 , 如果需要查看波形的 FFT，双击scope>parameters>history, 去掉 limit data point to last 并勾选 save data to workspace 如图 14:
图 14 电流解耦
Clark 变换： simulink>Ports& Subsystems 选择加 Mux 和 DeMux，user-defined Functions选择Fcn,
Subsystem，双击进入添其中 Iabc 为三相电流，
设置如图15：
图 15 Clark 变换参数设置
Park 变换：Clark 变换的输出 Ia 、Ib 和电机的 theta 角作为 park 变换的输入，需要添加 Mux模块，其中 Function 设置如图 16 所示：
图 16 park 变换参数设置
双击点击模型 , 点击 parameter 选项 , 根据设置的电机极对数选择对电机转
子输出的机械角度乘以极对数得到电角度 , 如图 17 红色圈所示 . 电机为感性负
载 ,Clark 电流变换的角度有 90°相位差 , 所以需要减去 90 度.
Simscape>SimpowerSystem>specialized Technology 选择 powergui 添加到仿真图中，最终仿真图如图 17 所示：
图17 总体框图
仿真参数设置 Simulation>model configuration parameters，仿真步长可以设置为定步长或者变步长，定步长，此处设置为开关周期的一百分之一即
1/600000 ，变步长可以设置最大步长为开关周期的百分之一，在不同步长情况下查看仿真结果:
图 18 仿真参数设置
如果仿真过程中出现Data logging exceeded available memory，可以在示波器 parameters 中的参数， limit to last选项后的勾去掉，或者修改图18 中仿真步长。
若要添加转矩反馈，可以添加在电流反馈环之前。
调整转速PI 参数看看结果变化。
以上得到了最简易的电路图, 反馈的转速单位为rad/s ，给定转速单位若为r/min ，需要在反馈的转速乘以30/pi 。
线电压显示： simpower 下面找到voltage measurement 添加三个到电路图，+端连接三相桥的 A 相，“ - ”连接三相桥的 B 相，其余两个分别连接B-C， C-A。
相电压显示：将三相桥的直流电压给定分为两个，中间接地ground，A B C相通过voltage measurement 与 ground 相减连接示波器即可，如图19：
图 19 实验电路全图（可加测相电压）
四．实验报告要求：
1．对电机驱动系统的转速、电流、电压等仿真波形进行分析。
2．研究转速和电流调节器参数对驱动系统动态性能的影响。
参考文献：
[1]范心明 . 基于 SIMULINK的 SVPWM仿真 [J]. 电气传动自动化 ,
2009,03:19-21+34.
[2]SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解。
