基于SVPWM的永磁同步电机控制新版系统的仿真.doc

基于SVPWM永磁同步电机控制系统仿真随着电动机在社会生产中广泛应用，由于永磁同步电机具备构造简朴、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等长处，特别是随着永磁材料价格下降、材料磁性能提高、以及新型永磁材料浮现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范畴伺服控制系统中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员青睐，其应用领域逐渐推广，特别在航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛应用。国内制作永磁电机永磁材料稀土资源丰富，稀土资占全世界80以上，发展永磁电机具备辽阔前景。第一章 永磁同步电机矢量控制原理1.1 永磁同步电机控制中应用坐标系交流电机数学模型具备高阶次，多变量耦合，非线性等特性，难以直接应用于系统设计和控制，与直流电机单变量，自然解耦和线性数学模型相比较，交流电机显得异常复杂。因而需要通过恰当转换，将交流电机控制变换为类似直流电机控制将大大简化交流电机控制复杂限度。永磁同步电机矢量控制基本思想是把交流电机当成直流电机来控制，即模仿直流电机控制特点进行永磁同步电机控制。为简化感应电机模型，可将电机三相绕组电流产生磁动势按平面矢量叠加原理进行合成和分解，使得可以用两相正交绕组来等效实际电动机三相绕组。由于两相绕组正交性，变量之间耦合大大减小。1.1.1系统中坐标系1)三相定子坐标系(U-V-W坐标系)其中三相交流电机绕组轴线分别为U、V、W，彼此之间互差120度空间电角度，构成了一种U-V-W三相坐标系。空间任意一矢量在三个坐标上投影代表了该矢量在三个绕组上分量。2)两相定子坐标系(-坐标系)两相对称绕组通以两相对称电流也能产生旋转磁场。对于空间任意一矢量，数学描述时习惯采用两相直角坐标系来描述，因此定义一种两相静止坐标系，即-坐标系。它轴和三相定子坐标系A轴重叠，轴逆时针超前轴90度空间电角度。由于轴固定在定子A相绕组轴线上，因此-坐标系也是静止坐标系。3)转子坐标系(d-q坐标系)转子坐标系d轴位于转子磁链轴线上，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。对于同步电动机，d轴是转子磁极轴线。矢量控制中用到变换有：将三相平面坐标系向两相平面直角坐标系转换(Clarke变换)和将两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换(Park变换)。1.1.2 由三项平面坐标系向两相平面坐标系（Clarke变换）三相似步电动机集中绕组U、V、W轴线在与转子垂直平面分布如上图所示，轴线依次相差120，可将每相绕组在气隙中产生磁势分别记为：Fu、Fv、Fw。由于Fu、Fv、Fw不会在轴向上产生分量，因此可以把气隙内磁场简化为一种二维平面场。简朴起见，可以U为轴，由起逆时针旋转90作轴，建立起二维坐标系，用此两相坐标系（-）产生磁动势来等效三相静止坐标系（U-V-W）产生磁动势。如图1.1所示。图1.1 Clarke变换用F来表达三相绕组所产生总磁动势，分别表达，轴上集中绕组所产生磁动势，则三相绕组在气隙中产生F可以由，两相绕组来等效产生，按总磁势、总功率不变原则，整顿可得（1-1）关系式：（1-1）1.1.3 两相静止直角坐标系向两相旋转直角坐标系变换（Park变换）通过Clarke变换后到得-坐标系是静止，所示电流依然是交流电流，与直流电动机相比尚有很大差别，因而依然需要进一步变换。为模仿直流电动机电枢磁动势与主磁场互相垂直，可以建立如下图所示d-q绕组模型。图中d与q垂直，分别通以直流电流Id，Iq。产生合成磁势对绕组来说是固定，但是如果让整个坐标系以电机同步速旋转，就可以等效为三相绕组U、V、W产生旋转磁动势，从而达到等效变换效果。 从两相静止坐标系-到两相旋转坐标系变换如图1.2所示：图1.2 Park变换依照磁动势等效原则，可得-坐标系向d-q坐标系变换矩阵关系式（1-2）为：（1-2）取反变换后可以得到d-q轴坐标系向-坐标系转换矩阵关系式（1-3）为：（1-3）1.1.4 永磁同步电机d-q轴数学模型永磁同步电机是由电磁式同步电动机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，而定子与电磁式同步电机基本相似。永磁同步电机在d-q坐标系数学模型描述如下：模型建立基于下面假设：1忽视电机铁心饱和；2不计电机中涡流和磁滞损耗：3电机电流为对称三相正弦电流(即只考虑电流基波)。在永磁同步电机中，建立固定于转子参照坐标，取磁极轴线为d轴，顺着旋转方向超前90。电角度为q轴，以a相绕组轴线为参照轴线，d轴与参照轴之间电角度为，如图1.3所示。图1.3 永磁同步电机d-q轴模型1.2 矢量控制基本概念由于异步电机动态数学模型是一种高阶、非线性、强耦合多变量系统。上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke一方面提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题。矢量控制是电动机控制理论第一次质奔腾，解决了交流电机调速问题，使得交流电机控制跟直流电机控制同样以便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美动态功能。其基本思想是在普通三相交流电动机上设法模仿直流电动机转矩控制规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通励磁电流分量和产生转矩转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。交流电机矢量控制使转矩和磁通控制实现解耦。所谓解耦指是控制转矩时不影响磁通大小，控制磁通时不影响转矩。这样交流电动机转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因而矢量控制核心仍是对电流矢量幅值和空间位置(频率和相位)控制。矢量控制是通过对两个电流分量分别控制实现。依照电机方程所拟定电磁关系，一定转矩和转速相应于一定id和iq，通过对这两个电流控制，跟踪相应给定值，便实现了对电机转矩和转速控制。并且由于位于d，q轴电流分量互相正交，使对转矩控制和对磁场控制实现理解耦，因而便于实现各种先进控制方略。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相似，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁链位置，从而使永磁同步电机矢量控制比起异步电机矢量控制大大简化。当id=0时，从电机端口看，永磁同步电机相称于一台她励直流电机。定子电流中只有q轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空问矢量正交，在一定定子电流幅值下可以输出最大转矩。1.3 同步电机矢量控制电压空间矢量是按照电压所加在绕组空间位置来定义。典型SPWM控制目是使逆变器输出电压尽量接近正弦波，而电流波形会受到负载电路参数影响，并且电压运用率较低。为此提出了电压空间矢量PWM技术。SVPWM也称作磁链轨迹法，从原理上讲，把电动机与PWM逆变器看作一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁链，SVPWM以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件不同开关模式产生有效电压矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形。SVPWM法则由三相逆变器不同开关模式所产生实际磁链矢量去逼近基准磁链圆，并由它们比较成果决定逆变器开关状态，形成PWM波形。该控制办法具备开关损耗小、电机转矩脉动低、电流波形畸变小、直流电压运用率提高长处。SVPWM采用id=0转子磁链定向控制后，此时电动机转矩和电流iq呈线性关系，只要对iq进行控制就可以达到控制转矩目。并且，在表面式永磁同步电机中，保持id=0可以保证用最小电流幅值得到最大输出转矩。因而只要能精确地检测出转子位置(d轴)，使三相定子电流合成电流矢量位于q轴上，那么，只要控制定子电流幅值，就能较好地控制电磁转矩，这和直流电动机控制原理类似。第二章 永磁同步电机控制系统Simulink仿真依照永磁同步电机控制原理，以及坐标变化可以做出永磁同步电机矢量控制原理图。如图2.1所示。图2.1 永磁同步电机矢量控制原理图如上图所示，该系统是一种双环控制系统，内环为电流环，外环为速度环，采用Id=0控制办法。给定速度nref与检测速度nf偏差作为电流坏Iq给定值，Id、Iq再与检测值比较，偏差进行Park逆变换后进行SVPWM调制，产生PWM波来驱动逆变器，进而驱动电机。控制过程中所用到Clarke变换、Park变换及Park逆变换，可依照式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)进行变换。2.1 永磁同步电机仿真模型建立为建立永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，一方面需要一种比较精确反映电机特性电机模型。在SIMULINK中己经提供了一种永磁同步电机仿真模块，它封装了电机重要电压方程和机械方程。在本仿真系统里，使用是SIMULINK提供永磁同步电动机模型。2.2 SVPWM模块建立电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)把电动机和PWM逆变器看为一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定圆形磁场为目的。其思想是以三相对称正弦电压供电时交流电动机中抱负磁链圆为基准，用逆变器不同开关模式所产生有效矢量来逼近基准圆，即用多边形来近似模仿圆形。SVPWM控制模式具备如下特点：1)逆变器一种工作周期提成6个扇区，每个扇区相称于常规六拍逆变器一拍；2)在每个社区间内虽然有多次开关状态切换，但每次开关切换只涉及一个功率器件，因而开关损耗较小；3)每个社区间均以零矢量开始，又以零矢量结束；4)运用电压空间矢量直接生成三相PWM波，计算简便；5)采用SVPWM控制时，逆变器输出线电压基波最大值为直流侧电压，这比普通SPWM逆变器输出电压提高了15。基于SVPWM特点，已做出SVPWM模块如图22所示图2.2 SVPWM模块2.3 三相逆变器模型建立运用Simulink中逆变桥，建立三相逆变器模型，如图2.3所示。图2.3 三相逆变桥模块2.4 坐标变换模块建立依照式(1-1)、式(1-2)、式(1-3)，可得到三种变化。这里以Park逆变换为例，建立模型如图2.4所示。图2.4 Park逆变换模块2.5 基于SVPWM永磁同步电机控制系统仿真模型在SVPWM模块基本上，结合PMSM模块、逆变器模块、电机测量模块、PI调节器模块、坐标变换模块等就构成了基于SVPWM永磁同步电机控制系统仿真模型。模型如图2.5所示。图2.5 永磁同步电机控制系统仿真2.6 控制器参数调节依照建立永磁同步电机矢量控制仿真模型，在Matlab7.0/simulink环境下运营，采用电机参数如下：电机功率P=2KW，直流电压Udc=310V，定子绕组为2.875欧，d相绕组自感为0.0085H，q相绕组自感为0.0085H；转子磁场磁通为0.175Wb，转动惯量为0.0008Kg/m2 ，极对数为4，磁通密度为0。给定速度1000r/min，在t=0时加入负载为1N.m，t=0.1是，变化负载为3N.m。系统PWM周期为Ts=0.00002s。参数调节总结如下：1)比例系数Kp作用在于加快系统响应速度，提高系统调节精度。Kp越大，系统响应速度越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因而Kp不能取过大；如果Kp取值较小，则会减少调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。2)积分环节作用系数Ki作用在于消除系统稳态误差。Ki越大，积分速度越快，系统稳态误差消除越快；但Ki过大，在响应过程初期以及系统在过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程浮现较大超调，使动态性能变差；若Ki过小，使积分作用变弱，使系统静差难以消除，使过渡过程时间加长，不能较快达到稳定状态，影响系统调节精度和动态特性。被控电机参数与其控制性能关系不大，因此具备一定通用性。通过调试可以得到速度调节器参数为：Kp=0.5，Ki=8。d轴电流调节器参数：Kp=40，Ki=20。q轴电流调节器参数：Kp=40，Ki=20。第三章 永磁同步电机控制系统仿真成果与分析3.1永磁同步电机控制系统仿真成果在调节好参数后，永磁同步电机仿真系统电流、转矩、转速响应见图3.1，3.2，3.3所示。仿真时给定速度为1000rad/min，负载开始为1Nm，在时刻01秒处转矩跳变达到稳定到由图3.3所示。图3.1 电流I_abc图3.2 转速n图3.2 转速n仿真实验成果表白：波形符合理论分析，系统能平稳运营。电机启动速度较快，且能精确跟踪给定速度，这些成果符合预先对控制系统分析。局限性：对于转速而言，达到稳态时间较长。需要继续修改PI参数，使永磁同步电机控制系统达到最优。