基于matlabsimulink的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真

基于matlabsimulink的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真内容摘要：

流调速系统中显示出很好的应用前景。 基于模糊逻辑或人 工神经网络的控制系统具有更好的负载扰动及非线性参数变化的鲁棒性，并且无需依赖数学模型的设计。 模糊逻辑己经广泛应用于传动系统的速度工艺控制、这些新型智能控制理论与方法已在同步电机变频调速系统的模型参数辨识和自学习、自调整技术中得到应用。 近年来，随着计算机技术的迅速发展，在电气传动技术领域引起一场变革，即电气传动从传统的模拟控制转向计算机直接数字控制，采用计算机的数字控制调速系统控制精度高、动态性能好、调整容易、维护方便、可靠性高，可实现故障自诊断，并可与自动化系统通信，实现信息远程传递，为新的控制理论和控制 系统的运用奠定了基础。 数字控制调速技术的发展依赖于计算机硬件与软件技术的发展新型的数字控制调速系统具有更多的控制功能，加强了机器与用户间的交互作用，并扩展了与其他自动化装置间的通信联系。 近年来，数字控制调速系统出现了两个发展趋势，一个是采用单片微处理机或专用 IC 芯片，硬件高度集成化、专用化，提高系统可靠性，降低装置价格另一个发展趋势是硬件通用化，软件模块化、可编程化。 前者适合于产品的系列化，多用于中小容量标准产品，而后者则适合于大型的传动工程。 对于大型同步电机调速系统，为了使其适用于更复杂的工艺要求，多采 用通用的计算机硬件、 32 位或 64 位微处理机、多 CPU 结构和模块化软件编程。 根据不同的传动系统结构，把系统所需的模块组接起来，构成一个满足不同复杂工艺的调速系统，该系统实际上是一个实时控制可编程控制器。 随着微处理机技术的进一步发展，大规模及超大规模集成电路芯片、 DSP 以及 RISC 工等高速运算芯片已在数字控制调速系统中应用 `新的控制理论、控制系统将会取代传统的控制方式，交流调速系统更加完善，传动性能进一步提高。 在单台计算机数字控制调速系统完善成熟的基础上，数字控制调速系统加强了与现代自动化系统的通信联网。 调速 系统作为自动化系统的一个智能终端，形成“系统型”数字控制调速。 随着计算机技术、自动化控制系统工程的发展，集散系统可编程控制器以及数字控制调速系统将逐步融合为一体。 现代电力电子技术的发展 电力电子技术的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关和相互促进的。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 7 在交流调速系统中，功率主回路中的电力半导体器件是现代电力电子设备的心脏和灵魂。 电力电子时代是从 20 世纪 50 年代末晶闸管的出现开始的，后来陆续出现了其他种类的器件，诸如控制极可关断晶闸管，双极型大功率晶体管仍，功率场效应晶体管伽，绝缘门极双极型晶体 管，静态感应晶体管，静态感应晶闸管， MOS 控制的晶闸管等。 从发展来看，电力电子学一般是跟随着电力电子器件的发展前进的，而电力电子器件则是跟随固体电子学的发展前进的。 功率场效应晶体管是一种单极型的电压控制器件，具有驱动功率小、开关速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽等显著特点。 其不足是 MOSFET 功率导通压降高，而且随着器件电压和温度的升高导通压降也增加。 功率 MOSFET 开关损耗极小，可补偿导通压降高的缺点，适用于高频工作。 现已广泛应用于开关电源、电机调速、不间断电源、超声波发生器以及高频感应加热电源等诸多 领域。 绝缘门极双极型晶体管出现于 20 世纪 80 年代。 在 IGBT 中，用一个 MOS 门极来控制宽基区的 39。 高电压双极型晶体管的电流传输，这就产生了一种具有功率 MOSFET 的高输入阻抗与双极型器件的优越通态特性相结合的器件。 实际上， IGBT 的通态特性比高电压的晶体管还好，接近晶闸管的通态特性。 IGBT、 MOSFET 等全控型器件具有自关断能力，组成逆变器时不需要晶闸管系统所必需的换相电路，简化了电路结构提高了效率。 由于工作频率的大幅度提高，明显的扩大了电机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了系统的动态响应，效率和功 率因素，是交流调速控制系统非常理想的功率器件。 值得一提的是，新型控制系统中开始使用智能功率模块 IPM，这种模块集成了控制电路功能和大功率电子开关器件，包括了输入隔离，能耗制动，过温、过压、过流保护及故障诊断等功能。 它的应用显著地简化了控制单元的设计，并实现了系统的小型化和微型化。 PWM 技术的应用 脉宽调制技术是现代电力电子技术的实际应用，是电机变频控制技术的最终输出环节，随着电压型逆变器在高性能电力电子装置如交流传动、不间断电源和有源滤波器中的应用越来越广泛， PWM 控制技术作为这些系统的核心技术，引起了 人们的高度重视，并得到深入的研究。 所谓 PWM 技术就是利用半导体器件的导通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变压变频并有效地控制和消除谐波的一门技术。 目前，几乎所有的变频调基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 8 速装置都采用这一技术。 PWM 技术用于变频器的控制可以明显改善变频器的输出波形，降低电机的谐波损耗，并减小转矩脉动，同时还简化了逆变器的结构，加快了调节速度，提高了系统的动态响应性能。 目前，采用高速功率器件的电压型 PWM 变频器的主导控制技术有 （ 1）基于正弦波和三角波脉宽调制的 SPWM 控制。 （ 2）基于消除指定次数谐波的 HEPWM 控制。 （ 3）基于电流滞环跟踪的 CHPWM 控制。 （ 4）空间矢量 SVPWM 控制，或称磁链轨迹跟踪控制。 这四种 PWM 技术中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标，第三种是以输出电流接近正弦波为控制目标，第四种是以被控电机的旋转磁场接近圆形为控制目标。 目前比较常用的是 SPWM 控制和 SVPWM 控制。 空间矢量 SVPWM 控制从电动机角度出发，以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的工作模式所产生的实际磁链矢量来追踪基准磁链圆，由追踪的结果决定变频器的开关模式，形成 PWM 波，这 种方法就叫做“磁链轨迹跟踪控制”。 由于磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，因此又叫做“电压空间”。 空间矢量法是目前国际上比较先进的变频工作模式，由于其供给电动机的是理想磁链圆，因此，电动机工作更平稳，噪音更低，同时也提高了电动机的工作效率，提高了电源电压的利用效率。 本课题亦是采用的 SVPWM 控制。 本论文的研究背景与主要内容 在课题的准备阶段，作者查阅了大量的相关资料，包括目前各大电气企业的相关产品资料，相关技术文献、期刊、参考书，以及往届各大重点院校的硕士学位论文等。 目前在市场上已有很多变频器产品以及各 类伺服电机控制系统，如机床、门机等可以进行永磁同步电机的变频调速控制，其中也有为数不少的产品使用矢量控制技术，但其中具体实现的方式不会给出，而在各种技术资料中对于永磁同步电机以及矢量控制的原理叙述的都比较详细，但在实际的系统设计、电路实现和软件编制上则言之甚少，而目前国内的各大高校对电机的矢量控制也有很高的研究水平，他们可以把一些高新理论与技术如模糊控制，自适应控制，电子齿轮等，加入电机的矢量控制系统中，但是这些论文多数以系统仿真过程为结尾，真正进行了实际系统搭建与调试的并不多，特别对于是一些只有在电机实际 运行时才会遇到的技术问基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 9 题，如同步电机的启动，电机的运行定位，程序计算的实时性与准确性分析，系统采集信号的滤波等问题上，提及很少，因此研究并设计出一套可以实际良好运转的永磁同步电机的矢量控制系统具有很大实际意义。 本论文的主要内容包括 （ 1）结合文献资料，介绍了永磁同步电机矢量控制系统相关的技术背景。 （ 2）介绍了永磁同步电机的各个组成部分与工作原理，分析了永磁同步电机的数学模型，为矢量控制系统的研究做准备。 （ 3）深入分析了电机的矢量控制理论，通过永磁同步电机的数学模型推导出矢量控制算法的实现方法，介绍了 矢量控制所用到的 Clarke 变换， Park 变换以及 Park 逆变换。 描述了整个矢量控制系统流程框图。 （ 4）介绍了空间矢量 SVPWM 技术的原理，分析了空间矢量 SVPWM 技术的实现方法。 （ 5）展示了控制系统的实际运行结果，给出了系统运行时主要的波形图。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 10 2 永磁同步电机的原理与数学模型 永磁同步电机组成与原理 与传统电机一样，永磁同步电机的本体是由定子和转子两大部分组成。 永磁同步电机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。 其定 子和异步电动机的定子结构基本相同。 空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速 N=60f/p，其中， f 为定子电流频率， p 为电动机极对数。 图 为永磁同步电机定子与转子的示意图。 图 永磁同步电机示意图 永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，转子采用永久磁铁励磁，目前一般使用稀土永磁材料。 通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁刚及磁扼等部分组成。 磁极铁心由钢板冲 片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。 励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈 N 与 S 交替排列。 转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。 永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。 永磁同步电机按照驱动电流波形划分可以分为两类一类是正弦波电流驱动的永磁同步电机另一类是方波或梯形波电流驱动永磁同步电机，这样就造成两种同步电动机在原理、模基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 11 型以及控制方法上有所不同，为了区 别由它们组成的永磁同步电动机，一般把由正弦波驱动的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机，而由方波或梯形波驱动的永磁同步电动机称为方波型永磁同步电动机，由于其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似，所以又称无刷直流电动机。 由上可知，永磁同步电机运行时存在着两个旋转磁通势一是定子旋转磁通势，又称电枢旋转磁通势 Fa，它由定子三相电流通过定子三相绕组产生。 二是转子旋转磁通势，又称励磁旋转磁通势 Fo，它由转子磁钢的磁通势产生。 要想使永磁同步电机连续运转，必须保证电枢旋转磁通势 Fa，与励磁旋转磁通势 Fo以同一转速 沿同一方向旋转，即通入定子电流的角频率与转子的旋转角频率一致，而且由定子，转子所产生的两磁场应保持一定的角度。 这样才可以有效的避免永磁同步电机在旋转起来以后的失步问题，保证了永磁同步电动机运行的稳定性和安全性。 如图 ，通常 Fa与 Fo 呈度角，这样可以获得最大的转矩。 图 同步电机磁动势图 综上可知，永磁同步电机具有以下的特点 : （ 1）电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。 （ 2）永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力。 （ 3）永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。 以上详细说明了永磁同步电机的结构特点与运行原理，为下面的介绍永磁同步电机的数学模型提供结构方面的基础。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 12 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机数学模型的建立，首先应该建立电机的空间参考坐标。 同感应电机一样，将正向电流流经一相绕组产生的正弦磁动势波的轴线定义为相绕组的轴线，并将 A 轴作为ABC 轴系的空间参考坐标假定感 应电动势的正方向与电流的正方向相反，取逆时针方向为转速和电磁转矩的正方向，负载转矩正方向则与此相反。 图 为电机永磁同步电机的 ABC轴空间参考坐标系。 图 永磁同步电机 ABC 坐标系 在建立数学模型之前，先做如下假设 （ 1）忽略铁心饱和，不计涡流和磁滞损耗 （ 2）永磁材料的电导率为零 （ 3）转子上没有阻尼绕组 （ 4）相绕组中感应电动势波形为正弦 （ 5）定子绕组的感应电动势波形为正弦波形，磁动势为正弦形分布。 如 图 ，在 ABC 轴系中，定义定子电流空间矢量为 )(32 2 CBAs iiii   （ ） 其中 j2321 。 基于 Matlab/Simulink 的永磁同步电机矢量控制系统的设计与仿真 13 图 中，取转子永磁体产生的励磁磁场的基波部分，于是 f 为励磁空间矢量。 f 同转子一道旋转，在 ABC 坐标中的 相位决定于电角度 r。 于是可写出以轴系表示的定子电压矢量方程 )( rjfsssss edtddtdiLiru  （ ） 其中， su 为定子电压空间矢量， sR 为定子相电阻 sL 为电机等效同步电感。 与感应电机不同的是，三相永磁同步电机内的气隙不一定是均匀的。 这样，式 中的同步电感就不一定是常数，会给问题的分析带来很大的困难。 为此，常采用双轴理论来研究同步电机问题。 此时取永磁体基波 励磁场轴线 (磁极轴线 )为 d 轴 (直轴 )，顺着转子旋转方向超前 d 轴 90 电。