精选基于Matlab永磁同步电机矢量控制的仿真分析 doc资料.docx

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精选基于Matlab永磁同步电机矢量控制的仿真分析doc资料

《工业控制计算机》2021年第24卷第9

期本文应用Matlab强大的建模和仿真能力,在Matlab/Simulink中搭建PMSM矢量控制系统的仿真模型,这为PMSM

伺服控制系统的分析与设计提供了有效的手段和工具。

1PMSM的数学模型以及矢量控制原理1.1PMSM的数学模型

为了便于分析,电机的数学模型推导前作如下假设:

①忽略铁心饱和、涡流和磁滞损耗;②永磁转子没有阻尼作用;③三相定子绕组在空间呈星形对称分布,定子各绕组的电枢电阻和电感相等;④感应电动势及气隙磁场均按正弦分布,且不计磁场的各项谐波。

则电机三相绕组的电压回路方程如下:

ua

ubuc

=r00

0r000MMria

ibic

+pLMMMLMMMMM

L

ia

ibic

+pφfsin（θrφfsin（θr-2π

3

φfsin（θr+2π

3

（1其中:

ua、ub、uc分别为三相定子绕组电压;ia、ib、ic分别为三相定子绕组电流;r每相定子绕组电阻;φf转子永磁体磁链;L每相绕组的自感;M每相绕组的互感;θr转子位置角,即转子q轴与a相轴线的夹角;p微分算子,p=d/dt。

因为三相绕组为星形连接,有ia+ib+ic=0（2

将（2代入（1中,则可得到PMSM在abc静止坐标系的电

压方程:

uaubucMM=

r+p（L-M

000r+p（L-M

00

r+p（L-MM

M

iaibic

MM

+p

φf

sin（θr

φf

sin（θr

-2π

φf

sin（θr+2π

3

（3利用clark和park变换,先将三相abc静止坐标系变换到两相αβ静止坐标系,再变换到两相dq旋转坐标系,得到相应的动态磁链以及电压方程:

φd=Ldid+φfφq=Lqiq

M（4

ud=rid+Ldpid-ωrφquq=riq+Lqpiq+ωrφd

M

（5

其中:

ωr为转子电角速度,有θr=ωrt;电机是表面式PMSM,所以Ld=Lq=L-M,分别为直、交轴同步电感;ud,uq,id,iq,φd,φq分别为直、交轴上的电压、电流和磁链分量。

在dq坐标系下的电机电磁转矩:

T=32

pm（φdiq-φqid

（6

其中pm表示电机极对数,将式（4代入式（6中得:

T=32

pmφfiq

（7

1.2PMSM矢量控制原理

永磁同步电机矢量控制系统基本框图如图1所示。

PMSM矢量控制技术的基本思想是建立在坐标变换及电机的电磁转矩方程上,通过检测电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压,电机的转矩只与磁通、电流有关,与直流电机类似,控制效果不错。

对PMSM来说,转子磁通位置与转子机械位置相同,通过检测转子实际位置就可知道电机转子磁通位置,因此矢量控制的实质就是控制定子电流空间矢量相位和幅值。

从前面的讨论可知控制好id和iq便可以控制电机的转矩,一定的转速和转矩对应于一定的id*

和iq*

。

图1

PMSM矢量控制系统的基本框图

永磁同步电机可采用的电流矢量控制方法包括:

id=0控制、

最大转矩/电流控制、弱磁控制以及最大输出功率控制。

本文采用的id=0控制方案,当id=0时,转矩T和iq呈线性关系,只要对

iq进行控制就能达到控制转矩的目的。

2永磁同步电机矢量控制模型的仿真模块

基于Matlab永磁同步电机矢量控制的仿真分析

鲁守军

魏海坤

张侃健（东南大学自动化学院,江苏南京210096

SimulationAnalysisofPMSMVectorControlBasedonMatlab

摘

要

在分析永磁同步电机（PMSM数学模型和矢量控制原理的基础上,提出了PMSM控制系统建模的方法,在Matlab/

Simulink环境中搭建了电流和速度双闭环控制仿真模型,仿真结果也证明了该系统模型的有效性,验证了所采用的控制算

法,为在实际控制系统设计和调试运行提供了充分的理论依据。

关键词:

永磁同步电机,空间电压矢量脉宽调试,建模,闭环,仿真

Abstract

BasedontheanalysisofmathematicalmodelsofPMSMandtheoriesofvectorcontrol,itputsforwardcontrolsystemmodelingmethod,Twocontrolloopswhicharetheinnercurrent-loopandtheouterspeed-loopareusedInMatlab/Simulink.Thesimulationresultsprovedtheeffectivityofthesystem'smodelandverifieditscontrolcalculationway,andital-soprovidedSufficienttheoreticalbasisfordesigningandadjustinginpracticalcontrolsystem.

Keywords:

PMSM,SVPWM,modeling,closed-loop,simulation

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基于Matlab永磁同步电机矢量控制的仿真分析

统实验仿真平台。

图2PMSM矢量控制闭环控制系统模型

在仿真模型建立的过程中,如何得到PMSM转子的初相角对仿真中获得正确的波形非常关键,通过仿真可以得到PMSM转子的初相角为π/2。

图3左为转子的初相角模型,右为其响应曲线

在Matlab7.0/simulink中,利用其模块库搭建的PMSM转速和电流双闭环PI控制方案,主要包括坐标变换模块、电流速度PI调节模块、SVPWM模块、逆变器和电机模型。

两个模型在Matlab/Simulink中的Simpowersystem都有给出,逆变器和永磁同步电机的物理参数都可以在其中进行设置。

矢量控制中用到的坐标变换有:

Clark变换、Park变换以及Park逆变换,前面的两个坐标变换包括在MachinesMea-surementDemux中,图4（左是Park逆变换（将两相旋转直角坐标系向两相静止直角坐标系的变换的模块。

图4从左至右依次为Park逆变换模块和PI调节模块

PI调节方法是运用最广泛的一种方法,在双闭环的调节中都用到了PI调节,通过对PI参数的不断修改,调整最终波形以达到最好的效果,PI模块如图4（右所示。

仿真中所使用得SVPWM模块主要由扇区选择模块、基本电压矢量的作用模块以及矢量切换点的模块图等。

图5SVPWM模块3仿真结果以及分析

在对此闭环系统进行仿真前,需要对Simulink仿真环境进行设置,仿真参数的选取算法为ode23t,可变步长,相对误差为0.001s;本例仿真中用到的永磁同步电机参数:

直流母线电压Udc=300V、额定转速nN=2000r/min、额定转矩TN=8Nm,极对数pm=4、定子绕组电阻r=0.9585Ω、dq轴的转子电感Ld=Lq=5.25mH、转子的磁场磁通量φf=0.1827Wb,转子的转动惯量J=0.6329×10-3kgm2,系统在t=0时空载启动,并且预设的转速为1000r/min,在t=0.05s的时候加上2Nm阶跃干扰,可得到转速响应曲线、转矩响应曲线以及ia、ib、ic三相电流曲线。

图6从左至右依次为转速、转矩和三相电流的响应曲线

从转速响应曲线可以看出,转速在t=0s和t=0.05s之后,很快达到稳定值;在转矩响应曲线中,在启动时刻,电磁转矩Te达到10Nm,但是很快稳定到设定值0Nm,在t=0.05s有一干扰,也很快稳定到给定值2Nm;ia、ib、ic三相电流曲线也是在开始启动时波动很大,但很快稳定到设定值,在t=0.05s时刻,因为负载的干扰造成片刻的波动,但是能够很快的达到给定值,动静态性能都能达到预期的效果。

参考文献

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机械工业出版社,

2021

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北京:

机械工业出版社,2021

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机械工业出版社,

2020

[4]陈荣.永磁同步电机控制系统[M].北京:

中国水利水电出版社,2021

[5]张斌.基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究与实现[D]:

南

京:

东南大学,2021

[J].电气应用,2020,24（2

究[J].微电子,2021,40（2

真方法[J].沈阳工业大学学报,2020,27（2

]38

　　收稿日期:

2021-09-10

作者简介:

杨旭东（1962,男,山西人,副教授,硕士,主要研究方向为工业自动化控制,数控技术。

基于DSP的永磁同步电机伺服系统

杨旭东,杨　朋,李　津,李文伟

（西北工业大学机电学院,西安710072

　　摘要:

设计了一套基于DSP的永磁同步电机伺服系统。

系统为速度环和电流环双闭环控制结

构,采用了SVPWM控制策略。

以DSP为核心设计了硬件电路,运用C语言进行了软件设计,实现了对永磁同步电机的伺服控制。

关键词:

永磁同步电机;伺服系统;DSP;SVPWM中图分类号:

TM92115　　文献标志码:

A　　文章编号:

1000-0682（202102-0044-04

PermanentmagnetsynchronousmotorservosystembasedonDSP

YANGXudong,YANGPeng,LIJin,LIWenwei

（NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China

　　Abstract:

ThispaperdesignsaDSP-basedpermanentmagnetsynchronousmotorservosystem.Thissystemincludethespeedandcurrentcentraldouble-loopcontrolstructure,usetheSVPWMcontrolstrategy.ThispaperdesignsthehardwarecircuitsbytheuseofDSPascore,designssoftwarebytheuseofC-language,andachievesthepermanentmagnetsynchronousmotorservocontrol.

Keywords:

permanentmagnetsynchronousmotor;servosystem;DSP;SVPWM

0　引言

　　永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、转动惯量低、易于维护保养等优点,使其在中小功率、宽调速范围的伺服调速系统中具有明显优势。

此外,它还具有力矩波动小,响应速度快,峰值转矩高,