工程项目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.doc

综合训练项目三题 目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真 学 期：2014-2015学年第1学期专 业：自动化班 级：2011级1班姓 名：官均涛学 号：1105010105指导教师：侯利民辽宁工程技术大学成 绩 评 定 表评定标准评定指标标准评定合格不合格矢量控制系统原理分析充分性仿真模型搭建合理仿真结果分析分析充分性设计报告答辩内容充实答辩效果总成绩日期年 月 日综合训练项目三题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目的：通过搭建仿真模型，克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。要求: 利用MATLAB/simulink中的电力系统工具箱搭建PMSM矢量控制系统仿真模型，通过调节PI参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。任务：1、学习永磁同步电机矢量控制技术；2、搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；3、调试PI调节器参数满足各种工况；4、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。成果形式：现场演示+书面报告目 录1 永磁同步电动机的矢量控制原理11.1 永磁同步电动机的矢量控制原理11.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系11.3 永磁同步电动机的矢量控制策略22 永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制的simulink仿真42.1 永磁同步电动机矢量控制系统的建模42.2 永磁同步电动机矢量控制系统的simulink仿真52.2.1 空载启动仿真52.2.2转速突变仿真62.2.3 负载突变仿真83 仿真结果分析111 永磁同步电动机的矢量控制原理1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。 矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。本论文采用按转子磁链定向的方式。由式(16)可以看出，当永磁体的励磁磁链和直、交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量，而的大小和相位又取决于和也就是说控制和；便可以控制电动机的转矩。一定的转速和转矩对应于一定的和，通过这两个电流的控制，使实际和；跟踪指令值和，便实现了电动机转矩和转速的控制。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流、和，因此，三相电流的指令、和必须由下面的变换从和得到： （1）式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流、和与给定的指令、和一致，从而实现了对电动机转矩的控制。上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。而且和是各自独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略。1.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系 永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值和相电流有效值的极限值要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限制。当逆变器直流侧电压最大值为时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压有效值： （2）而在d-q轴系统中的电压极限值为:(1)电压极限圆 电动机稳态运行时，电压矢量的幅值： （3）将式（24）代入式（29）得： （4） 由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上的压降可以忽略不计，上式可简化为 （31）以代替上式中的，有 （5） 当时，式（32）是一个椭圆方程，当时（即电动机为表面凸出式转子磁路结构时），式（32）是一个以（, 0）为圆心的圆方程，下面以为例，将式（32）表示在的平面上，即可得到电动机运行时的电压极限轨迹电压极限圆。对某一给定转速，电动机稳态运行时，定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。随着电动机转速的提高，电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线。(2)电流极限圆电动机的电流极限方程为： （6）上式中，为电动机可以达到的最大相电流基波有效值，式（33）表示的电流矢量轨迹为一以平面上坐标原点为圆心的圆。电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆，也不能超出电流极限圆。1.3 永磁同步电动机的矢量控制策略 时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，等于90，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为 （7）控制时的相量图如图8所示：图8 矢量控制相量图从图中可以看出，反电动势相量与定子电流相量同相。对表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大的转矩。或者说，在生产所需要转矩的情况下，只需最小的定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用控制的原因。从电动机的电压方程(忽略定子电阻)和转矩方程可以得到采用控制时在逆变器极限电压下电动机的最高转速为式（35）。从式（35）可以看出，采用控制时，电动机的最高转速既取决于逆变器可提供的最高电压、也取决于电动机的输出转矩。电动机可达的最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。 （8）按转子磁链定向并使的控制方式，对于隐极永磁同步电动机控制系统，定子电流和转子磁通是互相独立的，控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽的调速范围，适合于需要高性能的数控机床、机器人等场合。 2 永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制的simulink仿真2.1 永磁同步电动机矢量控制系统的建模 图9为控制系统原理图。图中，和为检测出的电动机转速和角度空间位移，和为检测出的实际定子三相电流值。在图11中采用了三个串联的闭环分别实现电动机的位置、速度和转矩控制。转子位置实际值与指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。速度控制器的输出即为转矩的指令值，转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后得到的、由转矩公式求出。实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流控制器便可实现电动机的控制。 图9 控制系统框图根据图9利用Matlab7.6.0中的simulink工具建立永磁同步电动机矢量控制系统控制的仿真模型，如图10所示： 图10 永磁同步电动机矢量控制系统控制的仿真图2.2 永磁同步电动机矢量控制系统的simulink仿真矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。本章分析了永磁同步电动机矢量控制的原理，建立了系统的数学模型，给出了系统的实现方案，在Matlab/simulink环境下对系统进行了仿真试验。2.2.1 空载启动仿真 指令转速1000转/分，空载，启动过程的仿真波形如以下各图所示：图20 转速波形图图21 转矩波形图图22 定子三相电流波形图仿真中，电动机空载启动，t=0.025s前转速、转矩和电流均大幅震荡，在t=0.07s时转速达到稳定值1000转/分，稳态误差为2%。2.2.2转速突变仿真指令转速由1000转/分突变为800转/分，负载转矩Tm=2N.m，启动过程的仿真波形如以下各图所示：图23 转速波形图 图24 转矩波形图图25 三相电流波形图电动机负载启动，t=0.02s前为震荡过程，t=0.02s到0.04s，转矩Te开始攀升，并在t=0.04s开始稳定波动，由于此间电磁转矩小于负载转矩，所以该时间段转速下降。t=0.08s时转速稳定在指令值1000转/分，直到t=0.1s，指令转速突变为800转/分，此时转矩突然下降到0下，紧接着t=0.1s到0.11s是转矩提升过程。伴随转矩变化，转速做出了相应的下降变化，电流突然变小；t=0.11s后转矩稳定波动于2N.m，转速回升，于t=0.16s稳定在指令值800转/分。2.2.3 负载突变仿真永磁同步电机的负载突变时,电机的电流、速度、推力等参数都会发生很大的变化，负载突变特性可为系统的优化设计、控制策略实施、安全运行等提供理论基础。这里的负载突变指在转速一定的情况下，负载转矩由一个数据突变到另一个数据。指令转速1000转/分，负载转矩由2N.m突变为5N.m，启动过程的仿真波形如以下各图所示：图26 转速波形图图27 转矩波形图图28 三相电流波形图t=0.1s前转速、转矩、电流变化与4.2.1同，当负载转矩在t=0.1s突升到5N.m时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=0.1s时达到5N.m。3 仿真结果分析 对于电流id=0控制方式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大的脉动。当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速跟踪给定值。三相定子电流呈正玄波变化，从各中参数的变换可以看出系统能很快稳定在所设定的参考值下，证明永磁同步电机矢量控制系统的稳定性及调速性能很好。9