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采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2018-12-17 08:25 ? 次閱讀

1.引言

隨著高性能永磁材料、大規(guī)模集成電路電力電子技術的發(fā)展,永磁同步電機因為其功率密度高,體積小,功率因數(shù)和高效率而得到發(fā)展,且引起了國內(nèi)外研究學者的關注。傳統(tǒng)的控制方式由于引入了位置傳感器而給當前的調(diào)速系統(tǒng)帶來了一系列的問題:占據(jù)了比較大的有效空間,使系統(tǒng)編程復雜。因此無位置傳感器控制系統(tǒng)的研究變得越發(fā)的重要。

2.PMSM的坐標系和數(shù)學模型

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

永磁同步電機在定子三相(ABC)靜止坐標系下的電壓方程:

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

式中,三相繞組的相電壓瞬時值分別為A u 、B u 、C u ; A i 、B i 、C i 是相電流的瞬時值; s R 是永磁同步電機定子的每相繞組電阻; A ψ 、B ψ 、C ψ 是永磁體的磁鏈在各相繞組的投影。在d-q旋轉(zhuǎn)坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

3.SIMULINK仿真

永磁同步電機無傳感器矢量控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,在MATLAB/Simulink下建立PMSM驅(qū)動仿真分析,用id=0時的無傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示,各個模塊介紹如下:給定的參考轉(zhuǎn)速是700rpm;速度通過PI調(diào)節(jié)模塊,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制策略,該調(diào)節(jié)采用了輸出限幅;接著是電流PI調(diào)節(jié)器模塊構(gòu)成電流的閉環(huán)控制,輸出了定子的電壓dq軸分量ud和uq;I-park逆變器模塊將兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標系(dq)下的值向兩相靜止坐標系(αβ)下變化,它的輸出是αβ軸的定子電壓分量參考值Ualfa,Ubeta;SVPWM和逆變模塊用于實現(xiàn)參考電壓逆變及其調(diào)制,從而可以直接通給電機;PMSM是永磁同步電機模塊,負載轉(zhuǎn)矩是模塊Tm.反饋通道模塊有:

Clark變換模塊:實現(xiàn)三相坐標系(ABC)向兩相直接坐標系(αβ)的轉(zhuǎn)換,輸出的αβ坐標系下的電流值和電壓值作為觀測器的輸入,其中SMO模塊是反電動勢估算模塊,SMO1是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角估算模塊,這兩點是討論的關鍵問題所在。

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

3.1 滑膜觀測器模塊

由滑膜觀測器的理論可以構(gòu)造滑膜觀測器:由觀測器和控制驅(qū)動器構(gòu)成的物理模型如下:

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

控制系數(shù)z的目標是使電流的估計誤差接近0.通過合適的選擇系數(shù)k和正確的估算反電動勢。在這里標志? 表示變量是估算的。標志*表示這個量可以獲得。

離散化后的公式:

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這里Ts是采樣周期。

電機的角度估算值和反電動勢之間的關系是:

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轉(zhuǎn)子角度的計算步驟為:電流觀測器(圖4示意圖),滑模控制(圖5到圖7示意圖),以及反電動勢的計算圖。

滑膜觀測器構(gòu)成原理圖和框圖分別是:

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計算步驟是:電流觀測器,滑模控制,以及反電動勢的計算圖。

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3.2 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)

主要包括通過逆變器確定矢量所在的扇區(qū),合成矢量分解到相鄰扇區(qū)的作用時間,計算電壓空間矢量的切換點。

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

(1)判斷矢量所在的扇區(qū):

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如果Va>0,則A=1否則A=0;如果Vb>0,則B=1否則B=0;如果Vc>0,則C=1否則C=0.

扇區(qū)計算公式為:

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4.實驗結(jié)果

永磁同步電機的定子相電阻是0.195684ohm,轉(zhuǎn)動慣量是0.704905kg.m2,極對數(shù)是12對極,額定轉(zhuǎn)矩是160N.m,額定轉(zhuǎn)速是700rpm,以下是永磁同步電機滑模控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

負載突變時對調(diào)速系統(tǒng)的影響,結(jié)果分析:在仿真模型中,負載轉(zhuǎn)矩給定值是100N.m,在0.1s秒時增加到160N.m,通過以下仿真圖來分析變化的負載轉(zhuǎn)矩對系統(tǒng)影響。圖4.22是永磁同步電機在負載突變情況下的轉(zhuǎn)速波動圖,從仿真圖形可以看出電機控制經(jīng)過短時間的振動,進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在700rad/s,轉(zhuǎn)速沒受到負載轉(zhuǎn)矩波動的影響。

采用MATLAB/Simulink對永磁同步電機進行模型仿真和調(diào)速研究

5.實驗結(jié)果與分析

本文析了永磁同步電機狀態(tài)方程,設計了滑模仿真器,并進行了坐標變換,通過MATLAB/Simulink進行了模型的仿真和調(diào)速,仿真的結(jié)果表明該種控制方式是有效的,能夠估算出轉(zhuǎn)子位置信息極該種滑模控制是穩(wěn)定而且有效的,最后分析了負載轉(zhuǎn)矩擾動和系統(tǒng)參數(shù)變化對滑模控制性能的影響。結(jié)果說明基于滑模控制的永磁同步電機無傳感器控制系統(tǒng)具有很強的魯棒性,并且使用場合廣泛。

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