两种基于Matlab对永磁同步电动机矢量控制系统的仿真方法

1、D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s微特电机2005年第7期 两种基于Matlab 对永磁同步电动机矢量控制系统的仿真方法收稿日期:2005-01-04两种基于M a tl ab 对永磁同步电动机矢量控制系统的仿真方法刘明丹1,刘念2(1.四川农业大学,四川雅安625014;2.四川大学,四川成都610065Two K i n ds of S i m ul a ti on M ethods for the Vector Con trol Syste m of Per manen tM agnet SynchronousM otor Ba sed on M

2、a tl abL I U M ing -dan 1,L I U N ian2(1.Sichuan Agricultural University,Ya an 625014,China;2.Sichuan University,Chengdu 610065,China 摘要:重点分析了应用M atlab /Si m ulink 对永磁同步电动机动态过程分析时建立电机仿真模型时的两种方法,一种是用电机状态方程系数阵A,B ,C,D 及State -Space 模块并辅以一些运算模块搭建电机模块;另一种是以S -函数方式实现。并分别给出了两种建模方式的主要步骤。关键词:Matlab 仿真;永磁同步电

3、动机;矢量控制;S -函数中图分类号:T M 341文献标识码:A 文章编号:1004-7018(200507-0026-03Abstract:T wo kinds of research and devel opment work on the vect or contr ol of per manent magnet synchr onous mot or with the ai m of si m ulati on are analyzed .The first is using the mot ors constant A,B ,C,D of state f or mula,and s

4、tate -s pace module with the ai m of calculati on .The second is realized by using S -functi on .And the main method thr ough the modeling is given separately .Keywords:M atlab si m ulati on;per manent magnet synchr o 2nous mot or;vect or contr ol;S -functi on随着计算机软硬件技术的迅猛发展,市场上出现了多种计算机仿真软件。近年来,在电气控

5、制领域的仿真研究方面比较流行使用Matlab 软件。它在W indows 平台上工作,具有极强的科学计算能力和图形处理能力,并配有多种实用工具箱,既可以用语句编程的方法实现控制系统的仿真,又可以利用图形化的模块搭建控制系统模块,实现与语言编程一样的控制思想。也就是说,在应用Matlab /Si m u 2link 建立电机仿真模型时,主要有两种方法。一种是用电机状态方程系数阵A,B ,C,D 和State -Space 模块并辅以一些运算模块搭建电机模块,这与完全以Matlab /Si m ulink 的运算模块搭建相似;还有一种是以S -函数方式实现。S -函数可以用Matlab 或C 语言

6、编写,表示各种动态系统。它使用一种特殊的调用句法来使用Si m ulink 的方程求解程序。其形式通用,可以构造连续的、离散的和混合型系统,所以几乎所有的Si m ulink 中的模块都可以用S -函数来描述。1用S -函数搭建永磁同步电动机仿真模块1.1永磁同步电动机公式建立分析永磁同步电动机的最常用方法是d -q 轴数学模型,它不仅可以用于分析电机的稳态运行性能,也可用于分析电机的瞬态性能。基于转子的同步旋转坐标系来考察瞬间的电流、电压和磁链矢量,如图1所示,直轴即d 轴与转子磁链相量f 同向,而交轴即q 轴与产生的反电动势E 0相量同向。反电动势的幅值可以表示如下:E 0=p f f 其

7、中:p 为电机极对数。图1永磁同步电动机空间矢量图这种简化的数学模型基于以下假设:(1忽略电机铁心的饱和;(2不计电机中的涡流和磁滞损耗;(3电机的电流为对称的三相正弦波电流。永磁同步电动机(无起动绕组的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程如下:电压方程:u d =dd d t -q +R 1i d u q =dq d t -d +R 1i q 0=d 2d d t +R 2d i 2d0=d 2q d t+R 2q i 2q62微特电机2005年第7期D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s 两种基于Matlab 对永磁同步电动机矢量控制系统的仿真方法磁链方程

8、:d =L d i d +L m d i 2d +L m d i fq =L q i q +L m q i 2q2d =L 2d i 2d +L m d i d +L m d i f2q =L 2q i 2q +L m q i q 电磁转矩方程:T em =p (d i q -q i d =pL m d i f i q +(L d -L q i d i q 式中:u -电压;i -电流;-磁链;L m d 、L m q -定转子间的d 、q 轴互感;L d 、L q -定子绕组的d 、q 轴电感,L d =L m d +L 1,L q =L m q +L 1;L 2d 、L 2q -转子绕组的

9、d 、q 轴电感,L 2d =L m d +L 2,L 2q =L m q +L 2。1.2永磁同步电动机模型为建立永磁同步电动机矢量控制的系统仿真模型,首先需要一个比较准确反映电机特性的电机模型。在Si m ulink 中已经提供了一个永磁同步电动机的仿真模块,它封装了电机的主要电压方程和机械方程。但是,由于它不能反映电机初始位置等与电机起动效果直接相关的量,不能完全反映电机的主要特性,所以在进行系统仿真的时候不能直接应用这一模块。在建立仿真模块时,首先利用Matlab /Si m ulink 提供的编程环境,建立电机的仿真模块和相应模块;在代入软件样例中的电机参数后,比较自建模块和已有模块

10、的仿真结果,验证自建模块的准确性;然后,根据这一模块和参数设计双环控制系统,验证矢量控制方法的准确性。S -函数描述的永磁同步电动机模型如图2所示。首先根据上述公式,建立以电机电压模块和机械模块为基础的状态方程:i d i qr =(u d +r p L q i q -R 1i d /L d(u q -r p L d i d -r p f -R 1i q /L q (T e -T l /Jr p(1T e m =p (d i q -q i d =p L m d i f i q +(L d -L q i d i q (2其中:状态变量为i d ,i q,r ,;输入变量为u A ,u B ,u

11、C ,T l ;输出变量为i a ,i b ,i c ,i d ,i q ,T e 。根据上述定义,就可以建立相应的S -函数。永磁同步电动机仿真模块的一个特点是可以反映电机转子初始位置对电机起动的影响。图2以S -函数搭建的永磁同步电动机仿真模块图2以Matlab /Si m ulink 的运算模块搭建Mathworks 公司的MAT LAB 仿真软件能很好地实现各类电机的各种控制方案仿真。Si m ulink 是Matlab 程序的扩展,是一个开放的编程环境。Si m u 2link 提供了十分丰富的模型库,大大缩短了整个控制系统的建模与仿真时间。对一个复杂的控制系统,如用基本模块和电气系

12、统模块库中的模块共同构成仿真模型,则方便得多。电气系统模块库中有6个子模块库:电源、基本电气元件、电力电子器件、电机、连接和测量子模块库。如P WM 变频调速系统的仿真模型中,逆变器和电机就可以采用电气系统模块。但电气系统模块和常规Si m ulink 模块必竟是两类本质不同的模块,对于同时使用两类模块的仿真模型,必然会有两类模块之间的信号流动,这就需要中间接口模块。当Si m ulink 常规模块的信号送入电气系统模块时,应根据其性质,采用可控电压源或可控电流源作为中间环节;反之,当电气系统模块中的信号反馈给Si m ulink 常规模块构造的系统时,应采用电压或电流测量模块。图3是永磁同步

13、电动机P WM 变频调速系统的仿真结构图,主要设计环节有P WM 信号发生器、逆变器及永磁同步电动机模型。P WM 信号发生器是一个封装的子系统,内含离散三角波发生器,其三角波信号与输入正弦信号进行比较,通过选择器,产生P WM 脉冲信号;逆变器也是一个封装的子系统,由六个功率器件模块构成,P WM 信号发生器单元的输出作为控制脉冲,控制六个功率器件的通断;电机模型是电气系统模块库中的永磁同步电动机模型,只需输入相应的参数和负载转矩。3结论(1以S -函数方式实现的仿真模块中,首先调用S 函数,在根据需要给定系统的输入输出口,这就构成了电机仿真子系统模块。且该模块可以反映转子初始位置对电机起动

14、的影响。72D 设计分析e s i g n a n d a n a l y s i s微特电机2005年第7期 两种基于Matlab 对永磁同步电动机矢量控制系统的仿真方法图3以Matalab /Si m ulink 运算模块搭建的仿真结构图(2采用Matlab 环境下的Si m ulink 的电力系统仿真工具,可以较快速地完成一个电机控制的仿真建模,且无需编程,仿真直观,为系统从设计到硬件实现打下了基础。(3用Matlab /Si m ulink 进行永磁同步电动机系统的仿真可以做到对整个系统的一体化仿真,因此是一种电机调速系统一体化仿真的通用方法。采用的结构化和模块化的方法便于对系统进行改

15、进和扩展。(4本文的工作为永磁同步电动机这一特殊电机的建模和仿真提供了一种行之有效的方法。参考文献1FREDE B.New advanced contr ol methods f or doubly salient per 2manent magnet mot orJ .I EEE Trans .App licati on 1995,31(3:1502202韦格,许镇琳,王秀芝.电气传动系统仿真新工具-MAT LAB512电气系统模块库J .电气传动,2000,(1:40553唐任远.现代永磁电机理论与设计M .北京:机械工业出版社,19974曾朝晖.内永磁同步电动机的电流控制策略J .电气传

16、动,1996,(2:36385韩利竹,王华.MAT LAB 电子仿真与应用M .北京:国防工业出版社,20016辜承林.机电动力系统分析M .湖北:华中科技大学出版社,20017陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版M .北京:机械工业出版社,2000作者简介:刘明丹(1965-,男,讲师,主要从事电子技术、电机与拖动教学与研究工作。刘念(1956-,男,教授,主要从事大电机安全运行监控,电气设备的人工智能监控等研究工作。为进一步提高本刊的编辑质量,请您对此文在读者服务卡上圈上数字代码:有价值,请圈15;没有价值,请圈16。(上接第23页可见,对高速电机,由于换向周期短,在电感作用之下,相电流总

17、处于过渡过程而无法达到稳态,因而电流波动也较低速电机大,这在高速电机的设计和控制中要引起足够重视。电机换流时间的长短和稳态电流值直接影响转矩脉动的大小,根据仿真结果选择最佳的换向时刻对改善电机性能必将起到极好的指导作用,这为高速电机性能分析及控制系统的设计提供了有效的分析手段。5结语本文采用解析计算和数值运算相结合的方法,即便在反电势无法解析计算时也能对电机稳态特性进行精确仿真,进一步拓宽了数值仿真的应用范围,有较强的通用性。采用该法对一台高速永磁无刷直流电动机的换向特性仿真分析,其结果与此电机的计算参数刚好吻合,表明了这一方法的实用性和准确性。参考文献1李鲲鹏.高速电机电路模型和铁耗的分析与计算D .东南大学硕士学位论文,20032贺益康,严岚.永磁无刷直流电动机稳态特性的状态空间分析J .电工技术学报,2002,17(1:17223Zhu Z Q.The Electr om agnetic Perfor mance of B rushless Per manceMagent DC Mot or -with Paticular R