永磁同步電機(jī)矢量控制MATLAB仿真

李隆鑫

摘 要：隨著科技的發(fā)展，近年來永磁材料制造技術(shù)得到飛速發(fā)展，永磁同步電機(jī)（PMSM）具有體積，質(zhì)量輕，噪音小，承擔(dān)過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在日常生活中使用得越來越普遍，本文將針對(duì)PMSM的矢量控制進(jìn)行研究。當(dāng)前我國(guó)工業(yè)自主生產(chǎn)處在飛速發(fā)展階段，電機(jī)作為生產(chǎn)工具的核心部件，而矢量控制系統(tǒng)在電機(jī)中起著至關(guān)重要的作用，矢量控制研究技術(shù)含量高，在實(shí)際環(huán)境中不易操作，本文通過使用MATLAB/Simulink仿真技術(shù)搭建控制系統(tǒng)，研究矢量控制原理特性，針對(duì)所選空間矢量控制方法進(jìn)行仿真模擬，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行研究分析。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī); Matlab; Simulink; 空間矢量控制; 仿真

1永磁同步電機(jī)的發(fā)展

人類歷史上第一臺(tái)電機(jī)就是永磁電機(jī)，但由于開采能力低下，磁體制作材料使用的是天然磁鐵礦石，導(dǎo)致其初來乍到，問題繁多，性能并沒有達(dá)到預(yù)期效果，迅速被電勵(lì)磁電機(jī)取代[1]。21世紀(jì)，隨著人類生產(chǎn)與生活水平不斷提高，對(duì)永磁同步電機(jī)的要求也越來越高，為達(dá)到這些要求，國(guó)內(nèi)外自動(dòng)控制技術(shù)也相應(yīng)進(jìn)行了飛速發(fā)展，對(duì)永磁材料的制作技術(shù)不斷提升，生產(chǎn)出越來越高性能的永磁材料，得使永磁同步電機(jī)的生產(chǎn)成本隨之也大大降低，適用性得到顯著提高，逐漸被應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域[2]。

2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立

永磁同步電動(dòng)機(jī)（英文名稱為permanent mag?net synchronous motor，簡(jiǎn)稱PMSM），主要由 定子、轉(zhuǎn)子、脈沖編碼器、定子繞組、機(jī)殼等部分組成[3]。

由于本文使用電腦仿真分析，一般建立理想化數(shù)學(xué)模型，從而更加利于分析。做出如下假設(shè)：

（1）三相繞組呈Y形對(duì)稱分布;

（2）忽略磁路飽和，磁路渦流對(duì)電機(jī)的影響;

（3）不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)阻尼影響。

基于理想環(huán)境下，分別給出三相靜止坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。

建立了三相靜止坐標(biāo)系下的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型后，要進(jìn)行對(duì)電機(jī)矢量控制，還要先后經(jīng)過Clarke變換（三相靜止 A-B-C 坐標(biāo)系變換到兩相靜止α-β坐標(biāo)系）和Park變換（兩相靜止α-β坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系），得到d-q 坐標(biāo)系下的電機(jī)模型。

3電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

脈寬調(diào)制，全稱脈沖寬度調(diào)制（英文名稱：Pulse Width Modulation 簡(jiǎn)稱：PWM），電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）正是針對(duì)生成圓形磁場(chǎng)而提出，此技術(shù)數(shù)學(xué)模型以及矢量轉(zhuǎn)換相對(duì)簡(jiǎn)單，便于仿真過程中實(shí)時(shí)控制。

SVPWM技術(shù)數(shù)學(xué)模型的建立

本文選取id=0控制方法。通過對(duì)電壓矢量的坐標(biāo)變后換，將電壓矢量繪制在α-β復(fù)平面上，獲得兩相靜止坐標(biāo)的分量Uα，Uβ分別取電壓矢量u4與u6（且≠0），標(biāo)注作用時(shí)間分別為t4和t6，t為脈沖寬度調(diào)制一周期的時(shí)間，并在α、β軸分別投射，確定扇區(qū)時(shí)，假設(shè)a，b，c三個(gè)變量。根據(jù)待合成矢量的兩個(gè)分量va，vβ，由一下關(guān)系式計(jì)算a，b，c的值。得到所在扇區(qū)位置，對(duì)各扇區(qū)內(nèi)的空間適量u所需基本矢量的作用時(shí)間求解得出基本時(shí)間變量的組合，得在不同扇區(qū)N對(duì)應(yīng)的t1，t2 。一般在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)給定電壓值過大，t1+t2>t，這種情況就要對(duì)先前計(jì)算出來的電壓矢量做一些處理。

4驅(qū)動(dòng)控制算法 MATLAB 仿真

以上4種控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，id=0控制方式相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，只需控制iq的大小就可以直接 輸出轉(zhuǎn)矩;最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，在相同轉(zhuǎn)矩下所需定子電流最小，但算法比較復(fù)雜;cosφ=1此方法相對(duì)也復(fù)雜且效率低;恒磁鏈控制方式可以使電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩增加，但不適用于本文研究。

最終本文選取id=0控制方法，因?yàn)槠潆姶呸D(zhuǎn)矩與q軸的定子電流為線性關(guān)系，可以等效于直流電機(jī)，在仿真中只需要控制單一變量iq，沒有過多干擾項(xiàng)。而且實(shí)用的表面式永磁同步電機(jī)可以再最小電流下產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩輸出，減少系統(tǒng)能耗，提高效率。SVPWM總體設(shè)計(jì)如下圖

首先通過PI控制器輸出的d，q軸電壓進(jìn)行分別進(jìn)行Park逆變換得到的ua，ub 再通過SVPWM模塊輸出給逆變器，使PMSM啟動(dòng)。

5仿真結(jié)果數(shù)據(jù)分析

下圖為q，d軸定子電流仿真模擬中采用id=0進(jìn)行的矢量控制方法，因定子電流d的影響直接屏蔽，轉(zhuǎn)矩幾乎只取決于q軸定子電流的變換，做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，且較為穩(wěn)定。雖然在初始啟動(dòng)階段電磁轉(zhuǎn)矩和q，d軸電流產(chǎn)生較大波動(dòng)，隨后即刻回歸正常值且保持系統(tǒng)穩(wěn)定，即使在隨后的負(fù)載多次變換中也沒有再次出現(xiàn)大波動(dòng)，偏差也小?？傮w來看系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期效果，具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性以及控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱俊.稀土永磁電機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)重型裝備，2008（4）：38-42.

[2] 史激特，葛黎新，宋璐，竇群.永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2018，26（23）：108-111+116.

[3] 段玉強(qiáng).永磁同步電動(dòng)機(jī)在火力發(fā)電廠的應(yīng)用探討[J].神華科技，2017，15（10）：53-56+67.