工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真.docx

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工程项目永磁同步电机矢量控制调速系统仿真

综合训练项目三

:

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

题a:

永妙同步电机矢量控制调速系统仿真

目得：

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得理论知识，达到良好得教学效果。

要求：

利用MATLAB/simulink中得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，得到良好得动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下得速度、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/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

1永磁同步电动机得矢量控制原理1

1、1永磁同步电动机得矢董控制原理1

1>2永磁同步电动机矢量控制运行时得基本电磁关系1

1.3永磁同步电动机得矢董控制我略2

2永磁同步电动机矢量控制系统id=0控制得simulink仿真4

2、1永磁同步电动机矢量控制系统得建模4

2、2永磁同步电动机矢童控制系统得simulink仿真5

2、2、1空载启动仿真5

2、2、2转速突变仿真6

2、2、3负载突变仿真8

3仿真结果分析11

1永磁同步电动机得矢量控制原理

k1永磁同步电动机得矢量控制原理

近二十多年来电动机矢量控制、直接转矩控制等控制技术得问世与计算机人工智能技术得进步，使得电动机得控制理论与实际控制技术上升到了一个新得高度。

目前，永触同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。

矢量控制实际上就是对电动机定子电流矢量相位与幅值得控制。

本论文采用按转子離链定向得方式。

由式（16）可以瞧出，当永礁体得励磁磁链与直、交轴电感确定后，电动机得转矩便取决于定子电流得空间矢量几，而/得大小与相位又取决于i（l与i（/也就就是说控制id与iq;便可以控制电动机得转矩。

一定得转速与转矩对应于一定得/*与/*，通过这两个电流得控制，使实际°与iq；踉踪指令值i；与＜；，便实现了电动机转矩与转速得控制。

由于实际馈入电动机电枢绕组得电流就是三相交流电流iA、心与％，因此，三相电流得指令、/；与i；必须由下面得变换从i；与/；得到：

L。

」

式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上得速度、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iA、S与・与给定得指令i；、i；与i；一致，从而实现了对电动机转矩得控制。

上述电流矢量控制对电动机稳态运行与瞬态运行都适用。

而且id与就是各自独立得；因此，便于实现各种先进得控制策略。

1、2永磁同步电动机矢量控制运行时得基本电磁关系

永礁同步电动机得控制运行就是与系统中得逆变器密切相关得，电动机得运行性能受到逆变器得制约。

最为明显得就是电动机得相电压有效值得极限值与相电流有效值得极限值/|un要受到逆变器直流侧电压与逆变器得最大输出电流得限制。

当逆变器直流侧电压最大值为匕时，Y接得电动机可达到得最大基波相电压有效值：

而在d-q轴系统中得电压极限值为叫m=:

（1）电压极限圆

电动机稳态运行时，电压矢量得幅值：

“=J+尤

将式（24）代入式（29）得：

"=>!

（-叫iq+rj/+（叫d+3讥+R&y

=+^£）2+（X/d+

由于电动机一般运行于较高转速，电阻远小于电抗，电阻上得压降可以忽略不计，上式可简化为

"=J（-叫$+（叫d+叱）'=J（_XQ+（X/d+S）‘

（31）

以如m代替上式中得"，有

a九）2+（—+匕）2=（%/効'⑸

当L,H£时，式（32）就是一个椭圆方程，当Ld=L时（即电动机为表而凸出式转子饌路结构时），式（32）就是一个以（-幻/厶，0）为圆心得圆方程，下面以L,L为例，将式（32）表示在―得平而上，即可得到电动机运行时得电压极限轨迹——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得椭圆轨迹，最多只能落在椭圆上。

随着电动机转速得提高，电压极限椭圆得长轴与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）电流极限圆电动机得电流极限方程为：

・2..9

上式中Aim=,人m为电动机可以达到得最大相电流基波有效值，式（33）

表示得电流矢量轨迹为一以力;平面上坐标原点为圆心得圆。

电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机得电压极限圆，也不能超出电流极限圆。

1、3永磁同步电动机得矢量控制策略

id=0时，从电动机端口瞧，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礁场空间矢量正交，0等于90°,电动机转矩中只有永礁转矩分量，其值为

T严冋上⑺

id=0控制时得相量图如图8所示:

图8乙=0矢量控制相董图

从图中可以瞧出，反电动势相量&与定子电流相量人同相。

对表面凸出示转子磁路结构得永磁同步电动机来说，此时单位定子电流可获得最大得转矩。

或者说，在生产所需要转矩得情况下，只需最小得定子电流，从而使铜耗下降，效率有所提高。

这也就是表而凸出示转子磁路结构得永磁同步电动机通常采用id=0控制得原因。

从电动机得电压方程（忽略定子电阻）与转矩方程可以得到采用id=0控制时在逆变器极限电压下电动机得最高转速为式（35）o从式（35）可以瞧出，釆用id=0控制时，电动机得最高转速既取决于逆变器可提供得最高电压、也取决于电动机得输出转矩。

电动机可达得最高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。

—%⑻（力）2+（仝1）2

V叱r

按转子濟链定向并使id=o得控制方式，对于隐极永磁同步电动机控制系统,定子电流与转子磁通就是互相独立得，控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽得调速范围，适合于需要高性能得数控机床、机器人等场合。

2永磁同步电动机矢量控制系统id二0控制得simulink仿真

2、1永磁同步电动机矢量控制系统得建模

图9为J=0控制系统原理图。

图中，血与0为检测出得电动机转速与角度空间位移，iA,%与L为检测出得实际定子三相电流值。

在图11中采用了三个串联得闭环分别实现电动机得位置、速度与转矩控制。

转子位置实际值与指令值得差值作为位置控制器得输入，其输出信号作为速度得指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器得输入。

速度控制器得输出即为转矩得指令值，转矩得实际值可根据给定得励磁磁链与经矢量变换后得到得「、J由转矩公式求出。

实际转矩信号与转矩指令值得差值经转矩控制器与矢量变换e]e后，即可得到电动机三相电流得指令值，再经电流控制器便可实现电动机得控制。

图9.=0控制系统框图

根据图9利用Matlab7、6、0中得simulink工具建立永黴同步电动机矢量控制系统匚=0控制得仿真模型，如图10所示：

图10永磁同步电动机矢量控制系统乙=0控制得仿真图

2、2永磁同步电动机矢量控制系统得simulink仿真

矢量控制就是当前高性能交流调速系统一种典型得控制方案。

本章分析了永嫌同步电动机矢量控制得原理，建立了系统得数学模型，给出了系统得实现方案,在MatIab/simuIink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，启动过程得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、转矩与电流均大幅震荡，在t二0.

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二2N、m,启动过程得仿真

波形如以下各图所示：

（c£J#aJolds

图23转速波形图

图24转矩波形图

（E.NO1

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二0、04s开始稳定波动，由于此间电械转矩小于负载转矩，所以该时间段转速下降。

t二0、08s吋转速稳定在指令值1000转/分，直到t二0、1s,指令转速究变

为800转/分，此时转拒突然下降到0下，紧接着t=OJs到0、"s就是转矩提升过程。

伴随转矩变化，转速做出了相应得下降变化，电流突然变小江二0、11s后转矩稳定波动于2N、m,转速回升，于t二0、16s稳定在指令值800转/分。

2、2、3负栽突变仿真

永磁同步电机得负载究变时，电机得电流、速度、推力等参数都会发生很大得变化，负载究变特性可为系统得优化设计、控制策略实施、安全运行等提供理论基础。

这里得负载究变指在转速一定得情况下，负栽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,启动过程得仿真波形如以下各图所示：

图26转速波形图

t二0、2前转速、转矩、电流变化与4、2、1同，当负载转矩在t二0、1s究升到

5N、m时，电动机转速并不受影响，转矩也在t二0.1s时达到5N、mo

3仿真结果分析

对于电流id二0控制方式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大得脉动。

当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速踉踪给定值。

三相定子电流呈正玄波变化，从各中参数得变换可以瞧出系统能很快稳定在所设定得参考值下，证明永戲同步电机矢量控制系统得稳定性及调速性能很好。