永磁同步电机控制系统的电流滞环与电压空间矢量控制的仿真.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 9年 6月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f Be ij i n g Un i v e r s i t y o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e VOI 25 No 2 J u n 2 0 0 9 文章 编号 1 0 0 4 6 0 1 1 2 0 0 9 0 2 0 0 3 9 0 4 永磁同步电机控制系统的电流滞环与 电压空间矢量控制 的仿真 徐 大利 叶安 丽 马鸿雁 北京建筑工程学院 电气与信息工程学院 北京1 0 0 0 4 4 摘要 通过对永磁 同步电机 P MS M 数学模 型的分析 在其以定子磁链 为状态变量的状 态空间 表达 式的基础上 验证 了永磁 同步电机定子磁链 可观测 在 Ma t l a b S i mu l i n k仿真环境 下 分别搭 建 了电流滞环跟踪控制与电压空间矢量控制的仿真模型 通过 分析仿真结果得到结论 电压空间 矢 量控 制 的磁链 优 于 电流滞 环跟 踪控 制 控 制性 能更 好 关键词 永磁同步电机 矢量控制 定子磁链 中图分类号 T M3 4 1 文献标志码 A S i m u l a t i o n o f PM S M Co n t r o l S y s t e m Ba c e d o n Hy s t e r e s i s Cu r r e nt Co nt r o l a n d S VPW M Co n t r o l Xu Da l i Ye An l i M a Ho n g ya n S c h o o l o f E l e c t r i c i t y a n d I n f o r ma t io n E n g i n e e r i n g B UC EA B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 A b s t r a c t B a s e d o n t h e ma t h e ma t i c mo d e l o f p e r ma n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r P MS M a n d t h e s t a t e s p a c e e q u a t i o n s o f PM SM u s i n g s t a t o r f l u x a s s t a t e ve c t o r t h e o b s e r va b i l i t y o f s t a t o r f l ux i s p r o v e d Th e s i mu l a t i o n mo d e l s o f P MS M c o n t r o l s y e t e m h y s t e r e s i s c u r r e n t c o n t r o l a n d S VP WM c o n t r o 1 a r e c o n s t r u c t e d b y Ma t l a b S i mu l i n k By a n a l y s i s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s t h e c o n c l u s i o n t h a t t he pe r f o r ma n c e o f SVPW M c o nt r o 1 f o r i t s b e t t e r s t a t o r f l u x i s b e t t e r t h a n h y s t e r e s i s c u r r e n t c o nt r o l i s o bt a i ne d Ke y wo r d s PM SM v e c t o r c o n t r o 1 s t a t o r f l u x 矢量控制是永磁同步电机 P MS M 的一种重要 的控制方法 电流滞环跟踪控 制与电压空间矢量控 制 S VP WM 是常用的两种逆变器控制方式 在 目 前对永磁同步电机的仿真研究 中 关 注磁链 的文章 较少 1 加 但是磁链对电机 的电磁转矩影响很大 磁 链质量对 电机性 能具有重要的意义 本文对电流滞 环跟踪控制与 电压矢量控制两种控制方式进行 比较 时 重点探讨了磁链对永磁 同步电机性能的影响 1 P MS M 矢量控制原理与建模 1 1 P MS M 数学模型 P MS M矢量控制基本 思想是在转子 磁链定 向 的 d q 轴坐标系下 将定子电流分解成产生磁通 的励 磁电流分量和产生转矩的转矩 电流分量 并使两分 量相互垂直 彼此独立实现转矩和磁通的解耦控制 在 d q轴坐标 系下 P MS M 的数学 模型如下所 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 1 6 作者 简介 徐大利 1 9 8 3 一 男 硕士研 究生 研 究方 向 建筑设备 与节能 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 0 9 定 示 1 1 5 8 5 9 U d R i a p 一 c J a q R i 9 户 La i d f L口 i q P d 一 i 1 2 3 4 5 式中 P为微分算子 R 为 电枢绕组电阻 为转 子角速度 r 为永磁体产生的磁链 是常数 L L 为d q轴线圈的 自感 为电磁转矩 1 2 P MS M 磁链的可观测性 由式 5 可以看到 磁链对 电机的电磁转矩具有 重要的意义 因而有必要观测电机的磁链 而对电机 磁链的观测首先要分析电机磁链的可观测性 文献 2 分析 了一具体参数的永磁 同步 电机磁 链的可观测性 本文在文献 2 的基础上 验证 了通 用永磁同步电机磁链的可观测性 线性定常连续系统能观测性判据为l 3 J 能观测 性 判 别 矩 阵 Q C CA CA 一 满 秩 即 B 0 1 0 J C D I 1 0 0 l 0 J I 1 l Lq J 1 f L d 0 J 1 0 1 1 由于永磁同步 电机的电气时间常数远远小于机 械时间常数 所以 可以看做是随时间缓慢变化的 定值变量 这样可 以认为 P MS M 的状 态空间表达 式为线性定常连续系统 得到能观测性判别矩 阵为 r a n k Q0 选择 为状态变量 d 为输入 其中 0 i i 为输出 得到 P MS M 状态空间表达式 户 R R 一 L 口 f f 0 其中 为电角度 标准状态空间表达式为 Ax Bu Y C x Du 7 比较式 6 与式 7 得到 A R u L Ld R L L 8 Qo l L 0 R L台 1 0 L d 0 1 0 0 1 L L R L 一 壶 o L 所以 r a n k Q0 2 Q 0 满秩 因此 P MS M 的磁链 可观 测 1 3 电流滞环跟踪控制与电压空间矢量控制的建模 电流滞环跟踪控制的 目的是使三相定子电流严 格地跟踪正弦的 电流给定信号 其基本 思想是将 电 流给定信号与检测到的逆变器实际输出电流信号相 比较 若实际电流大于给定电流值 则通过改变逆变 器的开关状态使之减小 反之增 大 电流滞环跟踪 控制 P MS M 在 Ma t l a b S i mu l i n k仿真环境下建模如 图 1所 示 J S t a t o r f u x c a c u l a t e和 S t a t o r f l u x s t a t e o b s e v e r 分别为磁链计算模块及磁链观测模块 电流型控制方式的 目的是输 出电流的正弦化 从而在空间建立圆形磁链轨迹 产生恒定的电磁转 矩 把逆变器和交流 电动机视 为一体 以磁链轨迹 为圆的目标来形成 P WM 控制信号称为磁链跟踪控 制 由于磁链轨迹可借助电压空间矢量相加得到 故 又称电压空间矢量控制 电压空间矢量控制易于实 现 数字 化控制 6 一 0 O 1 0 上 一 0 第 2期 徐大利等 永磁同步电机控制系统的电流滞环与电压空间矢量控制的仿真 4 1 2 仿真 结果 分析 图 1 电流滞环跟 踪控制 P MS M 模型 由式 1 5 可搭建 P MS M 仿 真模块 其参 数为 定 子 电 阻 R 0 6 1 8 Q 直 轴 电感 L 0 0 0 7 4 1 8 H 交轴 电感 L 0 0 1 2 2 8 5 H 转子磁链 a i r 0 1 1 2 8 Wb 转动惯量 J 5 5 9 1 0 m 极对数 P 2 两种控制方案均采用 i d 0的速度 电流双 闭 环 P I 控制 仿 真条件为给定转速 1 0 0 0 r rai n 负载 0 5 N m启动 0 1 S时负载增至 1 N m 仿真 时间 0 2 S 两种控制方式下 的速 度响应如 图 2和 图 3所 示 电流滞环跟踪控制与 电压空 间矢量控制的速度 向应在快速性与稳定性方面均满足要求 图 2 电流滞环跟 踪控制速度响应 两种控制方式 下的 电磁转矩 响应如 图 4 图 5 所示 电压空间矢量控制 的电磁转矩 响应脉动幅值 稳定且开关频率固定 电流滞环跟踪控制 比电压空 间矢量控制的 电磁转矩 响应质量差 表 现为脉 动振 荡幅值大且波动较大 我们还可 以看到 电流滞环 跟踪控制的开关频率不固定 显示为时变性 其原 因 在于器件开关频率取决于反馈 电流到达上下限值的 时间 而反馈 电流的变化率是时变的 因而滞环控制 的开关频率不固定 而且变化范围很大 频率高处是 频率低处的 5倍左右 而频率越高电路开关损耗越 高并将导致电路效率降低 图 3 电 压空间矢量控制速度响应 图 4 电 流滞环跟踪控制电磁转矩响 应局部 首先通过磁链观测器与电流型磁链计算模块磁 链 比较可知 磁链观测器 的磁链以较快速 度收敛 于 4 2 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 0 9 正 图 5 电压空间矢量控制电磁转矩响应局部 磁链真实值 验证 了磁链观测器的正确性 两种控制方式下的磁链响应如图 6 图 9所 图 6 电流滞环跟踪控制磁链 Ax i s 图7 电压空间矢量控制磁链 xAx i s 图 8 电流滞环跟踪控制磁链 局部 图 9电压空间矢量控制磁链局部 示 电流滞环跟踪控制 比电压空间矢量控制的磁链 质量差 表现为脉动幅值大且不规则 而电压空间矢 量控制的磁链要明显优于 电流滞环跟踪控制的磁 链 与两种控制方法的电磁转矩对 比看 可以得到 电压空间矢量控制的电磁转矩的优 良性能正是得益 于其高质量的磁链 3 结论 本文在分析 P MS M 数学模型的基础上 验证 了 P MS M 磁 链 的 可观 测性 利用 仿 真 工具 Ma t l a b S i mu l i n k搭建了电流滞环跟踪控制与电压空间矢量 控制的仿真模型 通过对比得到以下两点结论 1 电流滞环跟踪控制 的开关频率不固定 高于 电压空间矢量控制的开关频率 开关损耗大 对开关 器件的要求较高 增加成本 2 电压空间矢量控制的磁链优于电流滞环跟踪 控制 电磁转矩的性能更好 参考文献 1 舒志兵 交 流伺服运 动控制 系统 M 北京 清华大 学 出版社 2 0 0 6 2 X u J u n f e n g Wa n g F e n g y a n X i e S h a o f e n g e t a 1 A N e w o o n t r o l me t h o d f o r p e r ma ne n t ma g ne t s y nc h r o n o u s ma c h i ne s w i t h o b s e r v e r C A n n u a l I E E E P o w e r E l e c t r o n i