(完整word版)工程项目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真

1、综合训练项目三目：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PMS矢量控制

2、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+书面报告永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目录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=O控制的simulink仿真 42.1 永磁同步电动机矢量控

3、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5221空载启动仿真5222转速突变仿真6223负载突变仿真83仿真结果分析11综合训练项目三1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

4、便取决于定子电流的空间矢量is,而is的大小和相位又取决于id和iq也 就是说控制id和iq；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id和 iq,通过这两个电流的控制，使实际id和iq；跟踪指令值id和iq,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iA、iB和ic,因此，相电流 的指令iA、 ip和ic必须由下面的变换从id和iq得到：B2(1)sBn2) FR nJ3-s in(Hid) Iqc o S 2 c o S3(- 3 cos (日 +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

5、使电动机实际输入三相电流iA、iB和ic与给定的指令iA iB和ic 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id和iq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UiE和相电流 有效值的极限值I所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Uc时，Y接的电动机可达到的最大基波相电压 有效值：而在d-q轴系统中的电压极限值为uiif

6、m = 3uim :(1)电压极限圆 电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：-U2(3)将式(24)代入式(29)得：U- (-LqiqRid) 2 ( Ldid-fRiiq) 2 :(4)(-Xqiq Rid) 2(XdideoRliq) 2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u(4 Lqf (人3牡，*2口)( xdod2e)(31)以U“m代替上式中的U,有(Lqiqf。中洛荷/ 2)(5)当Ld=Lq时，式(32)是一个椭圆方程，当Ld=Lq时(即电动机为表面凸出式转子磁路结构时)，式(32)是一个以(人f/g, 0)为圆心的圆方程，下面以

7、Ld=Lq为例，将式(32)表示在idiq的平面上，即可得到电动机运行时的电压 极限轨 迹一一电压极限圆。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：id iq2= ili2m(6)上式中km=3|恤，iHm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iJq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

8、电动机的矢量控制策略id=0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Ke 二 p f isid =0控制时的相量图如图8所不：0 V thfiL 1 /图8id=0矢量控制相量图从图中可以看出，反电动势相量E。与定子电流相量I。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id=0控制的原因

9、。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id=0控制时在逆 变器极限电压下电动机的最高转速为式(35) o从式(35)可以看出，采用id= 0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。C Ulim( 8 )按转子磁链定向并使id =0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。52永磁同步电动机矢量控制系统id=O控制的simulink仿真2.1

10、永磁同步电动机矢量控制系统的建模图9为id=o控制系统原理图。图中，和二为检测出的电动机转速和角度空间位 移，iA, iB和ic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id、iq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e心后，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。直流

11、电源图9 id=O控制系统框图根据图9利用Mat I ab7. 6.0中的simul ink工具建立永磁同步电动机矢量控制系 统id =0控制的仿真模型,如图10所示：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 Mat I ab/s i mu I i nk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:永磁同步电机矢量控制调速系统仿真 图20转速波形图图21转矩波形图808。

12、11111100.02 0.04 0.06 0.08 0.10,12 0.14 0.16 0.18 0.2t（8）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,叫 启动过程的仿真 波形如以下各图所示：7综合训练项目三9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04s开始稳定波动，由于此

13、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。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(Et)p 8 8dS永磁同步电机矢量控制调速系统仿真90604020 -20- 40- 60- 80图28三相电流波形图t=0.1s前转速、转矩、电流变化与421同，