永磁同步电机的矢量控制系统研究

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时间:2018-12-07

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1、永磁同步电机的矢量控制系统研究(中信重工机械股份有限公司河南洛阳471000)摘要:PMSM能否被广泛应用关键在于是否有成熟稳定可靠的控制系统,木文采用了励磁电流id=0的转子磁场定向矢量控制和转速、电流双闭环的控制方法,通过MATLAB/Simulink仿真结果表明,该控制方法理论分析合理并具有良好的动态性能。关键词:永磁同步电机;矢量;控制系统传统直流电机因其机械换向器和电刷的存在,使得其可靠性和适用性大大降低,永磁同步电机作为一种新型电机,一般在同样体积的情况下,交流电机比直流电机的输出功率高10%〜60%。我国是世界稀土第一大国,不仅总储藏量大,而且各种元素齐全,因此,大力研发和

2、推广使用以稀土永磁电机为代表的各类永磁电机,符合我国的基木国情,对我国科技与经济发展異有重要的意义。1PMSM转子磁场定向矢量控制方法1.1永磁同步电机的数学模型由于木文建立的永磁同步电动机的数学模型是在理想状况下的模型,与实际情况略有偏差,因此需要假设以下几点:①铁芯损耗不作考虑;②电机磁路是线性的,不考虑磁路饱和,磁滞和涡流等因素的影响;③电动机的三相绕组是完全对称的,他们在空间中互差120°,不考虑边缘效应;④不计齿槽效应与高次谐波,并且假设定子电流产生的磁动势是正弦分布的;通过假设,我们可以得到理想的永磁同步电机模型,现讨论不同染标系下永磁同步电机的数学模型。1.1.1P

3、MSM三相坐标系(ABC坐标系)下数学模型:PMSM定子电压和磁链方程:其中Us为定子电压,Rs为定子ψs电阻,Is为定子电流,ψs为定子磁链,Ls为定子电感,ψr为转子磁链。电压和磁链方程的矩阵形式:其中ua、ub、uc为定子三相电压,ψa、ψb、ψc为定子a、b、c各相的磁链,ia、ib、ic、为定子a、b、c各相电流,LAA、LBB、LCC分别为三相自感系数,MAB、MAC、MBA、MBC、MCA、MCB为a、b、c各两相之间的互感系数,p为微分算子,ψf为转子磁链,θ为转子位置较角。1.1.2永磁同步电机两项坐标

4、系下的数学模型经Clark变换(指的是在磁场等效的原则下,用两相匝数相同、结构相同、并且相互正交的绕组去代替原本的定子a、b、c三相对称绕组)再经Park变换(指的是将两相静止坐标系α—β坐标系)下的状态方程转换到两相旋转坐标系(d-q坐标系)下将永磁同步电机转子永磁体磁场的方向定为d轴,将在电机正转方向上相对d轴超前90的方向定为q轴,建立一个基于转了•磁场定向的同步坐标系。d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型:(1)电压模型:Ud=Pψd+Rsid—ψqωr;Uq=Pψq+Rsiq—ψdωr(2)磁链方程:

5、ψd=Ldid+ψr;ψq=Lqiq(3)转矩方程:T=Pn(iqψd—idψq)式中ψd、ψq为定子磁链的d、q轴分量;Ud、Uq为定子电压的d、q轴分量;id、iq为定子电流的d、q轴分量;Ld、Lq为定子绕组的d、q轴等效电感;ψr为永磁体磁链;Rs为定子绕组电阻;Pn为极对数;T为输出电磁转矩;p为微分算子。1.2矢量控制策略矢量控制的基本思想是对三相交流电动机上的电流矢量进行控制,使之能够实现像直流电动机-样的转矩控制。矢量控制的基本原理是通过磁场坐标,将电流矢量分解成两个量。一个是产生磁通的励磁电流分量id,另一

6、个是产生转矩的转矩电流分量iq。这两个电流分量是互相垂直,并且彼此独立的。通过对电流矢量的分解,便能对id和iq分别进行调节,矢量控制的关键是对电流矢量的幅值和空间位置(即频率和相位)进行控制,但最终是落实到对定子电流的控制,为了解决这一问题,需要借助坐标变换,使得各个物理量从两相静止坐标系(α-β坐标系)转换到两相旋转坐标系(d-q坐标系)。在同步旋转坐标系来观察定子侧的各个物理量,原本的空间矢量就变成了静止矢量,电流和电压都变成了直流量,通过转矩和被控矢量的各个分量之间的数学关系,实吋的计算出转矩控制时各个被控矢量的分量值,然后按照这些分量值进行实时控制。矢量控

7、制的永磁同步电机的控制系统一般包括位置/速度/电流调节器、矢量变换环节、电流控制电压型逆变器、速度或位置检测器以及永磁同步电机,系统各个部分的运行情况都将影响系统的控制性能。2永磁同步电机伺服模型的搭建及仿真结果2.1永磁同步电机MATLAB仿真模型如图1〜5所示,仿真对象为:JX—PMSM—750型号电机,各参数:电枢绕相电感:8.13mH,电枢绕相电阻739MΩ,转子惯量0.853×10-4kg?m2,额

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