永磁同步电机空间矢量控制建模与仿真.docx

左伟玲（株洲南车时代电气股份有限公司制造中心，湖南 株洲 412001）摘 要：本设计通过了解和掌握永磁同步电机结构、特点和国内外学者对其最新研究成果，研究永磁同步电机控制理论中经常涉 及到的矢量坐标系变换原理,在此基础上给出两种不同坐标系变换的数学模型,并在 matlab/simulink 建立坐标系变换仿真模型并 进行仿真研究，然后对逆变器进行数学分析并掌握空间电压矢量脉宽调制的基本原理，设计永磁同步电机空间电压矢量脉宽调 制控制系统，最后在 matlab/simulink 环境下进行建模与仿真,并给出仿真结果以及对仿真结果进行分析，仿真结果表明理论分析 的正确性。关键词：永磁同步电机；空间矢量控制；数学模型永磁同步电动机的定子绕组与一般交流电动机的定子绕组相同, 转子采用永久磁铁, 因此转子磁链（磁通）是恒定的, 电动机方程（电压 方程、磁链方程和转矩方程）相对于异步电动机来说都较为简单, 在控 制过程中, 磁链的观测模型也不需要进行计算。永磁同步电动机按定子 绕组感应电势波形的情况来分类时, 一般可分为：正弦波永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor, pmsm） 和梯形波永磁同步电 机（brushless dc motor, bldc）。介于前者在现实中应用更为广泛, 本 论文主要应用的也是正弦波永磁同步电机。永磁同步电动机具有很多 优点, 这些优点也在实际应用中得到了很好的发挥, 例如：根据它谐波 少、转矩精度高的特点, 常用于伺服系统和高性能的调试系统；永磁同步电机有转轴上无滑环和电刷的特点, 这也解决了其它电机因电刷而 带来的使用寿命问题。与此同时, 永磁同步电动机还具有体积小、功率 密度高、转子转动惯量低、运行效率高、调速范围宽等诸多优点。值得注图 2 基于 svpwm 的 pmsm 控制系统仿真建模框图 如图所示, 系统主要仿真模块为： 坐标转换模块、速度控制器模块、电流控制器模块、矢量控制模块、空间电压矢量控制模块、电压逆变器模块、永磁同步电机模块。 系统部分参数为：总仿真时间为 0.3s；系统零时段负载起动转矩控制系统结构模型意的是, pmsm 是一种强耦合、非线性时变的多变量系统, 这也为其控制工作带来了一定难度, 而加强对其基本构造和工作原理的理解能有 助于克服这一问题。空间矢量控制技术优点众多, 近几年发展非常迅速, 尤其在永磁 同步电机中的使用, 更是再次凸显了它的好处。本论文通过对空间矢量 控制技术和永磁同步电机的学习及分析, 在熟练掌握相关数学模型的 建立和 matlab/simulink 的使用后, 将建立两种不同坐标系变换的数学模型和基于 svpwm 控制技术的永磁同步电动机系统模型, 并在 mat lab/simulink 环境中进行仿真。最终与理论分析相比较, 验证仿真结果 的正确性。1tl=5nm。（1）速度环闭环时, 系统定子三相相电流、转速、转矩、矢量切换时间、矢量所处扇区响应情况。图 3 转速闭环时 svpwm 控制系统转矩响应放大图根据对永磁同步电机svpwm 控制系统的理解及前期研究, 可得到永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制系统设计框图如图 1 所示。图 1 永磁同步电机 svpwm 控制系统设计框图本控制系统采用的是双闭环控制, 即速度环和电流环, 由图 1 可 看到, 其主要构成为：三个 pi 控制器（picontroller）、两相旋转（dq）和两相静止坐标系（）坐标变换的变换器（dq/coordinate converter）、三相静止（abc）和 两相旋转坐标系变换的变换器（abc/dq coordinate converter）、逆变器（inverter）、空间电压矢量调制器 （space vector pulse width modula tion,svpwm）。系统运行过程：给电机输入一模拟三相定子电流 ia、ib、ic,当传感器 检测到这一电流时, 该三相电流通过 abc/dq 坐标变换器被变换为实际 定子的直轴电 id 和交轴电 iq。q参考定子交轴电流 i* 通过比对实际转速和参考转速, 再经 pi 控 制器处理后获得。将参考定子直轴电流 i* 设为 0, 把上述 i 、i* 、i 、i* 四dd d q q个变量比较过后交由 pi 控制器处理, 从而分别产生定子直轴、交轴电压 vd 和 vq。将得到的电压量通过 dq/ 坐标转换器处理后输入空间电 压矢量调制器, 从而产生一系列触发脉冲, 以控制逆变器, 驱动其产生 三相电压, 最终驱动永磁同步电机。2 控制系统仿真分析 永磁同步电机空间矢量脉宽调制控制系统仿真模型如图 2 所示,模型仿真环境为 matlab/simlink。图 4 转速闭环时电机三相定子电流、转速、转矩、矢量切换时间和矢量所处扇区响应图由图 4 仿真波形, 可以得到结论如下：a. 系统在 0s0.05s 之间转速响应以斜率 20000 上升，延迟时间 td= 0.025s、上升时间 tr=0.046s、调节时间 ts=0.05s, 无超调量, 系统动态响 应快。系统起动时, 带动负载速度快, 转速在 0.05s 内稳定在设定值 n=- 29 -科技创新与应用2014 年第 5 期科 技 创 新1125t/h 超临界墙式切圆褐煤锅炉冷态空气 动力场试验研究李广伟张海潮(国电科学技术研究院，江苏 南京 210031)摘 要：为了解某电厂 1125 t/h 超临界墙式切圆褐煤锅炉大修后炉内空气动力场的分布特性，进行了锅炉冷态空气动力场试 验。对锅炉一、二次风风速进行了调平，并对炉内实际切圆及贴壁风速进行了测量。试验结果表明，经调整后，各粉管及燃烧器喷 口风速均匀，二次风挡板特性较好，实际切圆大小及贴壁风速合理。关键词：超临界；墙式切圆锅炉；冷态空气动力场；试验研究引言 锅炉燃烧工况的稳定性和经济性对大型发电机组安全、经济运行有着至关重要的作用，而燃烧工况的优劣在很大程度上决定于燃烧器及炉膛的空气动力工况。辽宁某电厂 1 号锅炉由于在前一阶段 运行中发现存在着水冷壁壁温高、左右侧汽温偏差大，主再汽温偏 低等现象而进行机组大修。另外结合机组节能降耗科研项目的需 要，所以大修过程中决定要在启动前做冷态动力场试验，以检验炉 内空气动力工况。通过冷态调整、试验、测试等手段以改善炉内动力 工况，为机组热态运行及燃烧调整提供可靠的理论依据。1 设备概况 锅炉主要设计参数见表 1。表 1 锅炉主要设计参数参数表 bmcrbrl t/h11251065 mpa.g .25. 425.4 571571 t/h967.8857.52 / mpa.g4. 343/4 .1234.09/3. 883 / 3 15.9/569308. 6/569 286. 99283 !/ !# 20 /2 0 20 /2 0 注: 1) bmcr 指锅炉最大连续蒸发量工况；2) brl 指额定工况。该电厂锅炉由哈尔滨锅炉厂有限责任公司自主开发研制，型号 为 hg-1125/25.4-hm2 的超临界压力、螺旋管圈、低 nox 直流煤粉 燃烧器、一次中间再热、单炉膛平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢 构架的变压本生直流炉。制粉系统采用中速磨煤机冷一次风机正压 直吹式制粉系统。设计煤种为 20%铁法烟煤与 80%平庄褐煤的混 煤。2 试验内容及方法2.1 试验项目 通过对设备运行状况摸底，进行了以下试验项目：（1）一、二次风调平试验；（2）二次风挡板调节特性试验；（3）炉内实际切圆测量 与贴壁风速测量；（4）燃尽风摆动执行机构检查。2.2 冷态模拟试验参数的确定 根据相似原理2，应满足模型与实物几何相似、边界条件相似及保持气流运动状态进入自模化区。在冷态试验时，应使炉内气流的 雷诺数 re 冷与热态的雷诺数 re 热相等或超过临界雷诺数 re 临。当 re 冷re 临时，流动工况进入自模化区，由于冷态空气的运动黏度 小，re 临较小。试验时的风量远大于进入自模化区风量，炉内的流动 能达到进入自模化区的要求。由于试验在实际运行锅炉上进行，几 何相似完全满足，因此只要满足冷、热态下各气流动量比相等的边界条件即可。经过对本台锅炉冷态模化计算可知，锅炉冷态一次风 速在 26.3m/s，二次风速在 35.8m/s 左右时，即可以保证和热态炉内 工况相似。3 试验结果及分析1000r/min。b. 系统在稳态运行时,0.05s 后都进入稳态阶段, 系统稳态输出误 差已趋近零, 反应出该模拟系统控制精度较高, 稳态特性良好, 波形与 理论分析结果相符, 静态性能稳定。c.系统起动时，定子起动转矩 6.7nm，系统稳定运行后,定子转矩稳（a） svpwm 交轴电流响应图（b） svpwm 转矩响应图定在设定值 5nm。转矩脉动控制在 0.2nm 内，系统运行稳定。q（2）速度环开环时，在系统空载情况下给定幅值为5a 的方波参考 交轴电流 i* 信号时，系统交轴电流、转速和转矩响应。由图 5 仿真波形, 可得出结论如下：在参考交轴电流5a 切换时, 转矩响应时间为 0.00035s, 转矩动态 响应快速。波形符合理论分析, 具有较好的动态特性。3 结束语 本论文通过对矢量坐标变换、逆变器、空间电压矢量脉宽调制等技术的原理分析及建模仿真, 主要设计了一个基于空间电压矢量脉宽调 制技术的永磁同步电机控制系统, 并在 matlab/simulink 对其进行仿真模拟。系统设计步骤为：系统构架、模块设计、系统设计和系统仿真结果 分析。在这次完成论文的过程中, 我对所学的电力电子技术、自动控制 原理、电机与拖动以及控制系统的 matlab 仿真与设计等知识有了更 深层次的理解, 并在学习过程中积累了许多宝贵经验。从仿真结果的数 据和波形来看, 系统的设计完全符合前期设计要求, 验证了理论的正确 性。（c） svpwm 转速响应图（d）svpwm 转矩响应放大图 图 5 转速开环时系统交轴电流、转速和转矩响应图- 30 -参考文献1李静,程小华.永磁同步电机的发展趋势j.防爆电机.2009, 44(05):17-19.2谭蒂娃.永磁同步电机的发展j.伺服控制.2010, 22(11)