基于SVPWM的感应电机矢量控制PSIM／MATLAB联合仿真.pdf

l 匐 似 基于S V P WM的感应电机矢量控制 P S I M MA T L A B 联合仿真 CO si m ul at i on m et hod of PSl M M ATLAB f or i nduct i on m achi n e vect or cont r ol sy st em b ased 01 1 SVPW M 陈爽 段国艳 唐伟 CHE N Sh u an g DUAN Gu o y a n T ANG W e i 四川工程职业技术学院 德阳 6 1 8 0 0 0 摘 要 在阐述空间矢量脉宽调制技术 S V P WM 基本原理的基础上 搭建了感应电机按转子磁链定 向的矢量控制系统仿真模型 为充分发挥P s I M 和M A T L A B s i m u n k 各自在电力变换和控制算 法领域的强大优势 本文采用P S IM和M A T L A B 联合仿真的方法建模 仿真结果表明 该方法 可以大幅度提高仿真速度 为电力电子系统的开发与设计提供了新的思路 关键词 感应电机 S V P WM P S I M M A T L A B s i m u n k 联合仿真 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 1 上 一0 0 9 5 0 3 D o i 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 4 0 1 I 2 7 0 引言 近年来 随着电力电子技术和微 电子技术的 快速发 展 空 间矢量脉 宽调制 S VP WM 技术 被 引入感应 电机矢量控制 其原理就是利用逆变 器开关状态的不 同组合 输 出对称三相交流电源 使 电机 实际磁 链尽可能 的逼近 圆形 S VP WM与 传统S P WM相 比 大幅度提高了感应 电机的控制 性能 具有广泛的应用前景 但研究表明 随着 电力电子系统复杂性的提 高 单 一仿真软件很 难 在各个层面兼顾系统的仿真 要求 因此 本文 利 用MAT L AB S i mu l i n k 在控 制算法方 面的优势 结 合P S I M在 电力变换领域 的强 大仿真能 力 采 用P S I M MAT L AB 联合仿真 的方 式 建立 了基 于 S V P WM的感应电机矢量控制系统仿真模型 1 空间矢量脉宽调 1J S V P WM 原理 S V P WM控制技术将逆变器和感应电机视为一 个整体 以三相对称交流电源供电时如何使电动机 获得幅值恒定的圆形磁场为目标 它的数学模型是 建立在电机统一理论和电机等效坐标变换理论基础 之上的 物理意义直观 数学模型简单 便于实现 数字控制 并具有转矩脉动小 噪声低 母线电压 利用率高的优点 因此 目前无论在开环调速 系统 或闭环调速系统 中均得到了广泛的应用 由于介绍 S VP WM原理的文献较多 在此将不再赘述 只给 出S VP WM的原理框图 如图1 所示 图 1 SVP W M原 理 框 图 S VP WM原理框图由以下几部分组成 输 出参 考 电压矢量 所在扇区N判断模块 中间变量x Y z 计算模块 边界矢量作用时间计算模块 比 较器 装载值 计 算模块 6 路S VP WM脉 冲产生模 块 由图 1 可知 实现S VP WM实时调制需要定子 参 考 电 压 矢 量 在 两 相 静 止 坐 标 系 上 的 电压 分 量 l i s a 14 s B P WM周期T P w M 以及直流母线电压V c 作为输入信号 在完成扇区N和 中间变量X Y Z 的计算后 再根据计算结果配合 推算 出扇区 边界矢量 和 的作用时 间T T 以及三个全 比较器 的装载值T T T 进而产生S VP WM信 号控制逆变器的各开关元件 2 感应 电机 矢量控 制系统 的P S l M MA T L A B 联合仿真 2 1 P S l M 仿真软件简介 P S I M是专 为 电力 电子 和电机控 制设计 的仿 收掊日期 2 0 1 3 1 0 1 1 作者简介 陈爽 1 9 8 1一 男 湖南桑植人 工学硕士 研究方向为电力电子与电力传动等 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 9 5 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 化 真软件 具有仿真快速 用户界 面友好 波形处 理功能丰富的特点 为电力电子 和电机控制提供 了强大而高 效的仿真 环境 P S I M作为优 秀的开 放式仿真平 台 可以和其他公司的仿真软件联合 仿真 为用户提供了高效的仿真 环境 比如在 电 机控制 领域 主 电路部 分用P S I M实现 控 制部 分用MAT L AB S i mu l i n k 实现 用户可以充分利用 P S I M在电力变换方面 的仿真能力 与MAT L AB S i mu l i n k 在控制算法方面 的强大功能进行优势互 补 将会大幅减少仿真时间 缩短开发周期 2 2接口程序S i mC o u p le 嘀 介 为增强P S I M在 控制算 法上 的仿真能 力 从 P S I M6 0 版本开始提供 了实现P S I M和MAT L AB S i mu l i n k 联合仿真的接 口程序S i mC o u p l e r 该接 口 程序包含两个部分 P S I M中的I n Ou t L i n k No d e s 和S i mu l i n k 中的S i mCo u p l e r Mo d e l B l o c k 利用I n Ou t L i n k No d e s 在P S I M和S i mu l i n k 之 间建立接 口 其中I n L i n k No d e s 从S i mu l i n k 获取信息 O u t L i n k No d e s 将信息送回给S i mu l i n k 在 同一个电路中 可以使用 多个I n Ou t L i n k 图2 P S I M环境下的主电路仿真模型 No d e s 在P S I M和S i mu l i n k 之间交换信息 但必须事 先在P S I M中排列各个I n O u t L i n k No d e s 的顺序 以 便在S i mu l i n k 中使S i mC o u p l e r Mo d e l B l o c k 的各个 输入 输出口按相同的排列顺序显示出来 2 3 P S I M仿真环境下的主电路仿真模型 在P S I M仿真环境下建立主电路仿真模型 主 要包括VS I Vo l t a g e S o u r c e I n v e r t e r 三相感应 电机 负载 传感器等模块 主电路通过O u t L i n k No d e s 为控制 电路提供电动机三相定子电流和转速 信 息 以便实现基于转子磁链定向的矢量控制 0 图3 S i mu l i n k 环境下感应电机矢量控制系统仿真模型 9 6 1 第3 6 卷第1 期2 0 1 4 0 1 上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 1 訇 似 而 由S i mu l i n k 中S VP WM模块产生的6 路脉冲信号由 I n L i n k No d e s 经过开关控制器决定逆变器各开关管 的工 作状 态 电机模 型参 数 如下 定 子 电阻尺 1 5 Q 定子漏感 0 0 2 H 转子电阻 R 2 Q 转子漏感 0 0 3 H 磁化电感 O 0 8 5 H 极对 数p 2 转动惯量J 0 1 k g m 在P S I M环境下建立 的主电路仿真模型如图2 所示 其中 输 出信号为 三相定子 电流 f f 以及转速 输入信 号为S i mu l i n k 中S VP WM模块输 出的6 路P WM控制 信号 2 4 M A T L A B S imu n k 环境下的控制系统模型 在S i mu l i n k 仿 真环境下 建立基 于S VP WM的 感应电机矢量控制 系统仿真模型 如 图3 所示 其 中 P S I M仿真环境下的主电路仿真模型在S i mu l i n k 中f 1 S i mC o u p l e r 模块代替 其输入输出端 口数 量和 排列方式与P S I M中事先设定的保持一致 3 仿真结果及分析 从 建模 仿 真过 程 来 看 联 合仿 真 较 全部 在 P S I M中建模要方便快捷 而较完全 在S i mu l i n k 中 仿真 则 大幅 缩短 了仿 真 时 间 仿 真 结果 既可 在 P S I M中观 测也可在S i mu l i n k 中观 测 两种仿真环 境下所得波形基本一致 但P S I M中仿真波形的后 处理功能更加丰富 可任意观测波形 如图4 所示 为P S I M环境下观测的仿真波形 从上至下依次为 感 应电机a 相定子 电流 转速 n以及 电磁 转矩 波形 4 结论 本文充分 发挥P S I M和MAT L AB S i mu l i n k 分 别 在功 率变 换 和控 制算 法方 面 的优 势 进行 感 应 电机矢量控制 系统的联合仿真 由仿真结果可 见 采用该 方法具 有建立模 型简单 仿真 结果和 S i mu l i n k 中非常接近 仿真波形后处理功 能丰富 等特点 特别是P S I M采用理 想元件模 型 采 用 高效的仿真算 法 克服 了其 他软件 在闭环 控制系 4 0 0 4 0 O O 5 1 1 5 2 T i m e s 图4 定子电流 i s 转速n 以及电磁转矩 仿真波形 统仿真过程 中收敛失败的问题 并大幅提高仿真 速度 缩短 了仿真时 间 对于在系统 开发设计阶 段 希望通过调整参数获得系统最佳性能 进一 步缩短开发周期具有重要意义 同时也 改善 了电 力电子 系统的设 计手段 为电力电子 电路 的建模 仿真提供 了新的途径 参考文献 1 杨贵杰 等 空间矢量脉宽调制方法的研究 J 中国电机 工程学报 2 0 0 1 5 2 杨大 柱 感应 电机 S VP WM控制 系统 的仿 真研究 J J 电机 技术 2 0 0 9 5 3 陈爽 段国艳 等 基于模糊自适应速度调节器的感应电机 矢量控制 系统研 究 J 制造业 自动化 2 0 1 1 6 4 9 5 2 4 李洁 王伟 等 电力电子系统的P S I M MAT L AB 联合仿 真方法 J 电力电子技术2 0 1 0 5 8 6 8 8 5 1 P i n g Hu a Zh a n g Gu i J i e Ya n g Ti e Ca i Li S t u d y o n t h e Ve c t o r Co n t r o l M e t h o d o f I M f o r Va r i a b l e S p e e d Dr i v e Ba s e d o n DS P I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t Ro b