永磁同步电机矢量控制系统仿真研究

总第329期2017年第3期计算机与数字工程Computer &• Digital EngineeringVol.45 No.3459永磁同步电机矢量控制系统仿真研究|郎宝华1康标1孙鲁艳2(1.西安工业大学电子信息工程学院西安710021) (2.西北工业集团有限公司西安710043)摘要矢量控制是永磁同步电机控制系统中非常重要的一种控制方式，通过分析永磁同步电机数学模型和矢量控 制原理的基础上，采用Matlab/Smulmk搭建永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，对PMSM矢量控制系统进行仿真和 实验分析，经过比较仿真结果和实验结果证明该仿真模型的有效性以及控制算法的正确性，为永磁同步电机控制系统设计 和调试提供了理论基础。

关键词永磁同步电机；矢量控制；Matlab/Simulink仿真中图分类号TP273 DOI：10. 3969/j. issa 1672-9722. 2017. 03. OilSimulation of PMSM Vector Control SystemLANG Baohua1KANG Biao1SUN Luyan2(1. School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021)(2. Northwest Industrial Group Co. , Ltd, Xi’an 710043)Abstract Vector control of permanent magnet synchronous motor control system is very important in a controlled man­ner, by analyzing the mathematical model and the permanent magnet synchronous motor vector control theory, Matlab/Simu- lation is used to build a simulation model of PMSM vector control system, PMSM vector control system is simulated and ex­perimentally analyzed, by comparison simulation and experimental results demonstrate the validity of the simulation model and correctness of the control algorithm, a theoretical bosis is provided for permanent magnet synchronous motor control sys­tem design and commissioning.KeyWords PMSM, vector control, Matlab/Simulink simulationClass Number TP273i引言近些年来，随着电力电子技术及微电子技术的 快速发展，新型电机控制理论的不断涌现，稀土永 磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，各种交流 7欠磁同步电动机伺服系统成为交流伺服系统的主 流。

永磁同步电动机以其具有高转矩惯量比、高功 率密度、高效率等优点已得到广泛应用，特别在数 控机床、工业机器人等对精度和响应特性要求较高 的场合，永磁同步电动机伺服系统的优势特别明 显。

本文对基于定向磁场矢量控制的永磁同步电 动机进行了理论研究与分析，运用M atlab/Simu-lin k对其调速运行进行了建模与仿真，并对仿真结果进行了实验验证。

2永磁同步电机的数学模型永磁同步电机具有结构简单、控制方便、运行 可靠、功率因数高等特点，采用三相交流供电，是一 个多变量、非线性、强耦合的控制对象。

通常在永磁同步电机的数学建模中，常用的三 角坐标系是:A B C三相静止坐标系、^两相静止坐标系和士g两相旋转坐标系。

通过坐标旋转变 换，使电机的数学模型实现解耦，然后进行分析和 控制。

永磁同步电机在不同的坐标系之间相互转 换的理论依据是:在不同的坐标系下，电机定子绕 组产生的磁动势要相同。

*收稿日期=2016年9月9日，修回日期：2016年10月：17日基金项目：陕西省教育厅基金项目（编号:2016GY-074)资助。

作者简介:郎宝华，男，博士,副教授，研究方向:高精度交流电机控制、嵌人式系统等。

康标，男，硕士研究生,研究方 向：永磁同步电机调速系统。

孙鲁艳，女，助理工程师,研究方向：系统工程和企业管理。

460郎宝华等:永磁同步电机矢量控制系统仿真研究第45卷图1 PMSM的物理模型为建立正弦波永磁同步电机的办系数学模型，假设：1) 忽略电机铁心饱和。

2) 忽略电机绕组漏感。

3) 转子上没有阻尼绕组。

4) 永磁材料的电导率为零。

5) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的。

6)定子相绕组的感应电动势波为正弦型定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。

在理想假设条件下得到PM SM的电压、磁链从A B C三相静止坐标系到cr/?两相静止坐标 系的坐标变换矩阵，称之为Clarke变换矩阵：1C3/273 73从4两相静止坐标系到A B C三相静止坐标 系的坐标变换称为Clarke逆变换。

C larke逆变换 的矩阵为：转矩和机械运动方程。

永磁同步电机在轴转子坐标系上的定子电压方程为Ud=^-—cv(pq+R sidUq =— CV(pd +R Si q式中:心、&是办坐标系下的定子电压分量;是办坐标系下的定子电流分量;办、办是办坐标系下的定子磁链分量;疋是定子电阻。

定子磁链方程=^d^d~^~ (pf<pq=t qi q式中:1^、1^是办坐标系下的定子绕组电感分量; 0/是转子永磁磁链。

定子电流为Id — l s COS^?从4两相静止坐标系到两相旋转坐标系tq=hsin/3的坐标变换称为P ark坐标变换，P ark坐标变换矩 式中:/?为与d轴之间的夹角。

阵为 电磁转矩方程为—一j…“丫^2s/2r一.L — sm^ cosp」从d-g两相旋转坐标系到两相静止坐标系的坐标变换称为P a rk逆变换，P a rk逆变换矩阵为[coscp—sin^~Ly?r/?c --L sinp coscp-3 3T e2P q 屮ql d)p\^^pd^-q I L g)Z^Z g]式中：Tg是电机的电磁转矩是电机极对数。

对于表贴式永磁同步电机，直轴电感与交轴电 感相等，即L=L g，电磁转矩方程改写为3 .3..Te =飞p(pfiq = jp(pfissinp3矢量控制原理矢量控制算法建立在永磁同步电机的数学模型 上，矢量控制理论的基本思路是:通过坐标变换把复 杂的交流电机的数学模型等效成直流电机模型，对 交流电机耦合的模型系统解耦，然后通过直流电机 的控制策略进行控制，最后再次经过坐标反变换又重新回到交流电机模型本身。

由永磁同步电机在士2017年第3期计算机与数字工程461g两相旋转坐标系下的数学模型可知，对永磁同步电 略可以使得控制变得非常简单。

由电磁转矩的公式机的控制就是对电流分量分别进行控制。

因为 可以看出，永磁同步电机的电磁转矩T g只和电流分永磁体的磁通保持不变，所以采用^ * =0的控制策 量^有关，所以通过控制^就可以控制转矩Tg。

图3永磁同步电机矢量控制原理框图永磁同步电机矢量控制系统主要包括：电流检 测模块、速度检测模块、坐标变换、电流P I调节模 块、速度P I调节模块和S VP W M模块。

永磁同步 电机模块可以直接选用M a tla b自带电机库中的 PM SM，通过对P M S M的电机参数进行正确设置 就可以实现功能，其他模块也可以通过M atlab/ S im ulink库文件进行查找，并且通过修改相关参数 进行整个系统模型的完整搭建。

本文采用的是电流、速度双闭环的控制方式，永 磁同步电机矢量控制系统的内环为电流环，外环为速 度环，这样可以提高控制精度，减小误差干扰。

电流环 作为永磁同步电机矢量控制系统的内环，具有抑制启、制动电流，加速电流的相应过程的作用，同时电流闭环 还能改造电机对象的模型，实现励磁分量和转矩分量 解耦，得到等效的直流电机模型。

转速环作为双闭环 控制系统的外环，将检测到的电机实际速度⑴和给定 的指令w*相比较，得出两者的误差，然后经过速度 P I控制器进行调节，输出结果作为Q轴的电流指令信 号& *轴的指令信号为^ * =0。

4 SVPWM原理本文的矢量控制系统中的逆变器的控制方式 采用的是电压空间矢量脉宽调制（SVPW M)技术。

SVPW M技术主要是从电机的角度出发，它着眼于 如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，即正弦 磁通。

S VP W M主要是使电机获得幅值恒定的圆 形磁场，当电机通以三相对称的正弦电压时，交流 电机内产生圆形磁链并以此磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有效矢量来逼近 基准圆，并产生三相互差120°电角度的接近正弦波 的电流来驱动电机。

SVPW M是确定三相逆变电源电力电子器件 开断时刻的一种方式。

三相桥式逆变电路每个桥 臂有两个开关管，其开关信号互补。

三相桥式逆变 电路各桥臂通断状态的组合为6个有效的空间矢 量 V I (001)、V2(010)、V3 (011)、V4(100)、V5 (101)、V6(110)和 2 个零矢量 V0(000)、V7(l l l)，向量分布图如图4所t K。

图4 SVPWM向量扇区分布图SVPW M是一种优化的P W M方法，它通过功率开关器件不同的开关模式产生的空间矢量跟踪 基准矢量圆来获得理想圆矢量。

由于S VP W M数 字化程度比较高，而且易于控制，具有直流电压利 用率高、转矩脉动小等优点。

SVPW M调制的实现 步骤为：1)计算电压空间矢量V*所在扇区；2) 判断V*所在扇区；3)根据扇区分配矢量，计算每462郎宝华等:永磁同步电机矢量控制系统仿真研究第45卷个扇区的作用时间；4)生成三相P W M 控制信号。

5PMSM 矢量控制系统模型搭建与仿真结果根据矢量控制原理和S V P W M 调制技术，在M atlab /S im u lin k 中搭建了采用K [控制的永磁同步电机交流调速系统的仿真模型，进行仿真实验研究，电流环和速度环都是采用H 控制器，P I 控制器 的参数整定对于整个系统的性能具有很大影响，所 以通过不断调试，最终达到稳定运行，从而验证系 统采用P I 控制的效果。