基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统方案.doc

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1、基于MTPA的永磁同步电动机矢量控制系统    ...1引言永磁同步电动机由于自身结构的优点，再加上近年来永磁材料的发展，以及电力电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的应用越来越广泛。而对于凸极式永磁同步电动机，由于具有更高的功率密度和更好的动态性能，在实际应用中越来越受到人们的重视[1]。高性能的永磁同步电动机控制系统主要采用的矢量控制。交流电机的矢量控制由德国学者blaschke在1971年提出，从而在理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。该控制方法首先应用在感应电机上，但很快被移植到同步电机。事实上，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。因为该类电机在矢量

2、控制过程中不存在感应电机中的转差频率电流而且控制受参数(主要是转子参数)的影响也小。永磁同步电动机的矢量控制从本质上讲，就是对定子电流在转子旋转坐标系(dq0坐标系)中的两个分量的控制。因为电机电磁转矩的大小取决于上述的两个定子电流分量。对于给定的输出转矩，可以有多个不同的d、q轴电流的控制组合。不同的组合将影响系统的效率、功率因数、电机端电压以及转矩输出能力，由此形成了各种永磁同步电动机的电流控制方法。[2]针对凸极式永磁同步电动机的特点，本文采用最优转矩控制(mtpa)，并用一种更符合实际应用的方法进行实现，并进行了仿真验证。...图1电流id、iq和转矩te关系曲线

3、2永磁同步电动机的数学模型首先，需要建立永磁同步电动机在转子旋转dq0坐标系下的数学模型，这种模型不仅可用于分析电机的稳态运行性能，还可以用于分析电机的暂态性能。为建立永磁同步电机的dq0轴系数学模型，首先假设：(1)忽略电动机铁芯的饱和；(2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗；(3)转子上没有阻尼绕组；(4)电动机的反电动势是正弦的。这样，就得到永磁同步电动机dq0轴系下数学模型的电压、磁链和电磁转矩方程，分别如下所示：...(1)(2)(3)式中：ud和uq是dq轴上的电压分量；id和iq是dq轴上电流分量；如rs为定子绕组电阻；ld和lq是dq轴上的电感；φd和φq是d

4、q轴上的磁链分量；ωe是转子电角速度；φf是永磁体磁链；pn为极对数。...图2mtpa矢量控制系统仿真图3最优转矩(mtpa)控制原理与实现[3-9]最优转矩控制，也称最大转矩电流比控制(mtpa)，是指在转矩给定的情况下，最优配置d轴和q轴电流分量，使定子电流最小。mtpa控制可以减小电机铜耗，提高运行效率，从而使整个系统的性能得到优化，同时还能减小逆变器的工作负担。将式(2)代入式(3)，可得：(4)...最优转矩控制问题可以等效为定子电流满足式(4)的条件极值问题。作拉格朗日函数：(5)其中，λ为拉格朗日乘子。将式(5)分别对id、iq和λ求偏导数，并令各式为0，

5、得到：(6)...由式(6)的前两项可以得到iq与id之间的关系：(7)将式(7)代入式(4)，便可以得te和id的关系：(8)...式(7)和式(8)就是mtpa控制方法在运行时，te、id和iq这三者之间应该满足的关系式。我们在实际控制时，需要知道任意时刻的te参考值所对应的id和iq参考值，这就需要得到像这样的关系式。从式(7)和(8)可以知道，要反解出id=f(te)和iq=f(te)这两个关系式是很困难的，而且即便能解出来，也需要大量的运算。这难以满足实际运用的需求，所以，需要一种简洁的适合实际应用的方法。利用matlab这个工具可以来实现这种方法。首先，根据式

6、(7)和(8)我们可以画出id=f(te)和iq=f(te)的函数曲线，如图1所示，电机参数与后续仿真所用参数一致。然后通过曲线拟合的方式得到近似的多项式函数。针对所用的仿真电机参数，用三阶多项式函数就能达到几乎重合的拟合效果，如图1所示，具体的表达式如下：(9)于是，当参考转矩指令t*e给定后，就能根据上式得到对应的参考电流i*d和i*q。进而得到定子电压的参考值u*d和u*q，之后便可利用svpwm调制出逆变器的开关信号，完成对电机的矢量控制。...图3转速波形4仿真实验及结果分析针对上述方法，利用matlab/simulink建立系统的仿真模型进行仿真研究。电机参数

7、如下：rs=2.875ω，ld=4.5mh，lq=13.5mh，φ...f=0.179wb，pn=4，j=0.000815kg·m2。整个控制系统仿真图如图2所示，部分模块进行了封装处理。其中，直流母线电压为300v，逆变器开关频率为10khz，svpwm采用两电平结构。...图4转矩波形图5三相定子电流波形...仿真设置如下：电机空载启动，初始给定转速为3000r/min，0.1s时加入额定负载3n.m，0.2s时转速增加到4000r/min，0.4s时转速再降回3000r/min。转速环和电流环都采用pi调节器进行调节。其