永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真.doc

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1、永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真第1章引言随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位

2、。随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电

3、流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。永磁同步电机（PMSM）采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展，因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。对于在Simulink中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。第1章电压

4、空间矢量技术的基本原理PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变频、调压及减少谐波含量的一种控制技术。初期PWM逆变控制的目标被定位在电压正弦变化，后来为了克服电动机电流谐波的影响出现了电流型控制方式逆变器。就交流调速而言，电动机电流正弦化的目的是希望在空间建立圆形磁链轨迹，从而产生恒定的电磁转矩。按磁链轨迹为圆的目标形成PWM控制信号，称为磁链跟踪控制，由于磁链轨迹可借助电压空间矢量相加得到,故又称电压空间矢量控制。1.1电压空间矢量与磁链矢量的关系

5、空间矢量的概念始于电动机分析，将外加电压分别定义于电动机三相定子绕组上，由于电动机绕组在空间互差120°分布，故电动机定子电压可用空间矢量表示。当三相对称正弦波电源供电时，加到电动机定子三相绕组上的三相对称电压为：（1）其参数如下所示：1.：直流母线电压值；2.：电源频率；3.：分别为三相定子绕组的相电压，其方向在各定子绕组轴线上并且空间互差120。对于其相加的合成矢量也为空间矢量且可表示为公式（2），根据三相系统向两相系统变换前后功率不变的原则,定子电压的空间矢量可以表示为公式（3），当电动机转速不是很低时，定子绕组

6、电阻压降忽略不计，电动机气隙中的磁通可表示为公式（4）所示。（2）（3）（4）由所上分析可知磁通矢量是一个落后于电压矢量90°的旋转矢量，磁通矢量的轨迹为圆，其半径r为：（5）这样，电动机旋转磁场的形状问题就可转化为电压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。当供电电压与频率之比为常数时，磁通轨迹圆的半径也为常数。这样随着的变化，磁通矢量顶点的运动轨迹就形成了一个以为半径的圆形，即得到了一个理想的磁通圆，SVPWM法就是以此理想磁通圆为基准圆进行控制。1.1基本电压空间矢量在变频调速系统中，逆变器为电动机提供经过调制的PWM

7、电压。如Error!Referencesourcenotfound.所示是一种典型的三相电压源逆变器。此种逆变器根据其功率开关管不同的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，就可以产生较少的谐波且直流电源利用率较高的交流输出。图1三相电压型逆变电路在调速系统中电机由三相PWM逆变器供电，为使电机对称工作必须三相同时供电。即在任一时刻一定有处于不同桥臂下的三个器件同时导通，而相应桥臂的另三个功率器件则处于关断状态。用三个开关量A、B、C来表示三个桥臂的开关状态，规定当上桥臂开关管“开

8、”状态时，开关状态值为1；当上桥臂开关管“关”时，开关状态值为0。因此三个桥臂形成了000，001，010，011，100，101，110，111共8种开关模式，其中000和111开关模式下逆变器的输出为零，称为零状态。8种状态与线电压和相电压有一定的对应关系，由于计算需要，利用3s/2s坐标变换将三相静止ABC坐标系中的相电压转