运控课程设计

1、基于脉振高频电压注入法永磁同步电机矢量控制系统仿真1绪论由于永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor 缩写为 PMSM）具有体积小、效率高、可靠性好以及对环境的适应性强等特点，使得永磁同步电动机驱动逐渐取代传统的直流驱动方式，在各种高性能驱动系统中得到了广泛的应用。高频信号注入法是利用电动机的空间凸极效应，通过向电动机定子绕组注入高频电压/电流信号，检测相应的定子电压/电流幅值，由于电压/电流幅值在空间上的各向异向性，从而估计出转子实际位置，特别在零速到低速有非常好的控制效果。该方法主要分为旋转高频电压信号注入法、旋转高频电流信号注入法、脉动高频电压

2、信号注入法三种，其中前两种方法的均需要大量的坐标变换和数字滤波，运算比较复杂，而且只适用于凸极效应比较明显的内插式、内埋式永磁同步电机，对面装式永磁同步电机无能为力。脉动高频信号注入法则具有结构简单，适用范围广的优点，对于面装式永磁同步电机也有很好的控制效果。矢量控制是永磁同步电机主要应用的两种控制方式之一。为了更好地验证两种控制方式在交流调速系统设计过程中各部分输出特性的正确性，并为其设计提供必要的设计参数，利用Matlab/Simulink工具箱搭建系统的仿真模型将会为实际系统的设计提供充分的理论依据。国内对于感应电机和无刷直流电机的无传感器控制研究相对永磁同步电动机来说要多一些，也取得了

3、一定的成果。但是国内的无传感器控制技术研究与国外的研究现状相比，尚有一定的差距。多停留在理论研究阶段，还没有达到实际应用的阶段。2永磁同步电机的矢量控制原理2.1永磁同步电机的数学模型图 2-1 是永磁同步电动机的模型图。图中，a- b-c 为定子三相静止轴系，以上标 s 表示；d-q 为转子两相旋转轴系，以上标 r 表示。q 轴沿转子旋转方向超前 d 轴 90，r 为磁极位置角（电角度）。图2-1 永磁同步电机模型图这里仍然沿用理想电机模型的一系列假设：1. 不考虑电机的磁路饱和，所有的磁路都是线性的；2. 电机的电枢反电势为正弦；3. 电机中的涡流损耗和磁滞损耗可以忽略不计。这样经过一系列

4、推导可以得到永磁同步电动机定子基于转子坐标系（d-q 轴系）的数学模型：定子磁链方程为：d=Ldid+r（2-1）q=Lqiq定子电压方程为：ud=Raid+Pd-wrq（2-2）uq=Raid+Pq+wrdPMSM电磁转矩方程为：Tem=np.(diq-qid)（2-3）PMSM的运动方程为：Jnp.PWm=Tem-TL（2-4）式中：ud、uq为定子基于 d-q 轴系的电压；id、iq为定子基于 d-q 轴系的电流；d、q为定子基于 d-q 轴系的磁链；Ld、Lq为定子基于 d-q 轴系的等效电感；Ra 为定子电阻；r 为转子永磁磁链；wr为转子电角速度；wm为转子机械角速度。2.2永磁同

5、步电机的矢量调速原理图 2-2 是永磁同步电动机的矢量控制原理框图。 在与转子磁链同步旋转的旋转座标系上，建立电机的数学模型，并基于该模型分别对速度、转矩实现闭环控制。双闭环系统中外环为速度环，内环为电流环。转矩控制在电流环上实现，采用最大转矩控制方法。控制回路的内环为电流环，应用 3/2 变换将采样到的电流值从三相静止坐标系转换到与转子磁链同步旋转的两相坐标系上，实际上得到了转矩电流分量iq和励磁电流分量id。采用最大转矩控制方式时，励磁电流给定分量id*为零，使转矩电流分量达到最大。转矩电流给定分量iq*由速度环计算给出。电流环中给定电流分量与实际电流分量的差值经过电流调节器计算，得到 d

6、-q 轴系的电压分量ud和uq 。再应用 2/3 变换将两相电压分量从与转子磁链同步旋转的两相坐标系分解到三相静止坐标系上，即得到了三相输出电压的指令值。最后以PWM 方式输出三相电压信号，经过逆变器功率输出部分后，即得到了电机的三相实际控制电压。控制回路的外环为速度环，计算转矩电流给定分量iq*，其值为转速指令wr*和转速反馈wr的差值经过转速调节器计算出的结果。控制过程中，转矩的扰动通过速度的变化传递给电流环进行补偿。图2-2 PMSM调速原理框图上述按转子磁场定向并使id=0的永磁同步电动机的调速控制系统中，定子电流与转子永磁磁通互相独立（解耦），控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽

7、的调速范围，非常适用于永磁同步电机的调速控制。3高频信号注入法3.1高频信号注入法在低速时的应用在低速时，定子电压值较小，由于信号噪声比很小加之其它干扰因素，就是采用了精确的观测器也难以对定子电压进行精确测量，基于反电动势的 MRAS控制方法较适合于中、高速范围内的速度、位置估计，对低速范围应采取其它方法。高频信号注入法是利用电动机的空间凸极效应，通过向电动机定子绕组注入高频电压/电流信号，检测相应的定子电压/电流幅值，由于电压/电流幅值在空间上的各向异向性，从而估计出转子实际位置，特别在零速到低速有非常好的控制效果。该方法主要分为旋转高频电压信号注入法、旋转高频电流信号注入法、脉动高频电压信

8、号注入法三种，其中前两种方法的均需要大量的坐标变换和数字滤波，运算比较复杂，而且只适用于凸极效应比较明显的内插式、内埋式永磁同步电机，对面装式永磁同步电机无能为力。脉动高频信号注入法则具有结构简单，适用范围广的优点，对于面装式永磁同步电机也有很好的控制效果。3.2脉动高频电压信号注入法原理分析图3-1 面装式永磁同步电机如图 3-1 所示面装式 PMSM，dq轴系是实际的磁场定向坐标，d 轴与永磁励磁磁场f一致， r为转子位置角。 dq轴是转子位置估计坐标，与 dq 坐标的夹角为，即有： 在d轴上注入高频脉动电压信号ucd=uccoswct，式中wc为电压交变频率，Uc为其幅值。将ucd变换到

9、d 轴上，则应有:角度不同，由饱和性凸极效应对注入信号的调制也不同。这种变化反映在高频电流响应中，这个电流响应便会载有转子位置估计误差的信息。在 dq 坐标中由上面公式综合得：说明电流幅值与脉动电压大小，频率有关，还直接与位置误差有关。为了检测到定子电流，将其变换到 ABC 轴系中：通过低通滤波器将式的高频分量滤掉，余下的电流信号为：其中便载有有用的位置误差信息r，利用这个信号可以构成各种反馈控制系统。3.3脉动高频信号注入法模型系统仿真结构框图如图 3-2 所示：图3-2基于脉振高频注入法的PMSM控制系统仿真原理图高频信号注入法比较适合低速时的转速估计，但不适于高速区，因为反电动势过大，电

10、压矢量方程已不再成立，不能及时跟踪系统的动态过程，会在突加、突卸负载或者转速指令变化较快大时出现跟踪失败。所以，应发挥各种估计方法的优势，取长补短，在电机从低速到高速运行的不同速度区间，分别选择合适的估计方法。4坐标变换4.1三相/两相变换（3/2变换）现在先考虑上述的第一种坐标变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组a、b 之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系间的变换，简称 3/2 变换。图4-1中绘出了 A、B、C 和 a、b 两个坐标系，为方便起见，取 A 轴和 a 轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。由于交流磁动势的大小随时间在变化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。图4-1 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在 a、b 轴上的投影都应相等，因此写成矩阵形式，得：考虑变换前后总功率不变，在