【《永磁同步电机矢量控制仿真分析案例》3500字】

永磁同步电机矢量控制仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u14066永磁同步电机矢量控制仿真分析案例 1294301.1MATLAB仿真各模块分析 1279071.1.1PMSM电机本体模块 196621.1.2转速调节器模块仿真 4131461.1.3MATLAB函数模块 576271.1.4矢量控制模块仿真 9134681.1.5坐标变换模块仿真 10322311.1.6电流滞环跟踪型PWM逆变电路模块仿真 1221111.2仿真结果及分析 13184941.2.1仿真结果分析 13302391.2.2调整PI控制器参数 171.1MATLAB仿真各模块分析在前面第二章的数学模型加上第三章的矢量控制策略的基础上,搭建了永磁同步电机的矢量控制系统,借助MATLAB/Simulink仿真软件对理论分析进行验证。本章采用独立单元模块化的思想搭建双闭环控制系统,根据第三章内容选择滞环电流跟踪型逆变电路和PI转速控制器作为单独的模块,其余模块包括电机本体、函数发生器、矢量控制、逆变电路和坐标变换。通过仿真结果来验证这种模型的可行性,具体的仿真模型见图4-1。图4-1永磁同步电机结构图1.1.1PMSM电机本体模块电机本体是整个控制系统仿真里最核心的部分反映了各个特性方程之间的内部联系。把矢量控制坐标变换输出电压和作为电机模块的两个输入,根据第二章的特性方程最终得到输出,即dq轴下的电流、。根据电机的电压方程、磁链方程、运动方程建PMSM电机模块，如图4-2。图4-2dq坐标系下的三相PMSM仿真模型由图可看出输入1为相电压，输入2为相电压，输入3为负载转矩；输出1为励磁电流，输出2为转矩电流，输出3为电磁转矩，输出4则是转子电速度，输出5是a相绕组坐标坐标轴和d轴的空间电角度，输出6为d相定子磁链；输出7为q相定子磁链。数据关系推导如下：电流计算模块将式（2-28）现记为式（4-1）(4-1)将式（4-1）变换成电流方程：(4-2)由式（4-2）得到结构图4-3（a）d轴电流计算（b）q轴电流计算图4-3dq轴电流计算由自控闭环传递函数可化简下式：(4-3)同理可得q轴闭环传递函数：(4-4)2.转矩计算模块由第二章式(2-14)得(4-5)输入3负载转矩到输出3电磁转矩计算由式（4-5）经过变换可得电磁转矩方程如下：(4-6)与式（2-29）一致，根据式（4-6）建立如图4-3所示的转矩计算模块。图4-4转矩计算模块结构框图转矩计算模块的两个输入分别为励磁电流分量和转矩电流分量,经过增益模块和加乘模块可以实现电磁转矩的输出,转子磁链就是图中的LPM。根据式(4-7),可以看出电磁转矩减去负载转矩得到转动惯量与机械转速微分值的乘积。反推回来,先对电磁转矩与负载转矩作差,再乘以的增益(p1为极对数),最后经过积分环节,就实现了转速信号的输出,即式(4-8)。实际的转速再经过积分环节就实现了电机位置角的输出，位置角会送到坐标变换和坐标逆变换参与电压电流的控制过程,还会送到逆变电路模块参与整个运行。运动方程式（2-31）记为式（4-6）(4-7)又由将式（4-7）转换得下式：(4-8)式(4-8)就是输出4电角速度与输出5位置角的模块分析。综上仿真模块的数据关系与第二章的数学模型一致。1.1.2转速调节器模块仿真转速调节器模块见下图所示,输入in_1为给定转速与电机输出实际转速的误差,经过比例环节和积分环节,进入限幅模块,最后实现对期望定子电流幅值的输出。为PI控制器比例系数,为PI控制器积分系数。图4-4转速PI控制模块结构框图(4-9)图中Saturation模块是限幅模块,限制经过PI控制后的输出电流,不能无限增大，因为电机不能输出无限大的转矩,将的值限制在一定的范围内。1.1.3MATLAB函数模块输出经过两个MATLAB函数对解耦,输出dq轴电流期望值、作为下一步电流滞环控制器的给定信号,、,经过式(2-40),得到期望电磁转矩,与、函数绘图如下。图4-5电磁转矩与dq轴电流函数曲线1.MATLAB解耦程序如下：%Variabledefinitionclear;lPM=0.272;Ld=0.027;Lq=0.067;p1=4;Isn=3;k=1;foris=0:0.1:Isnp=[2lPM/(Ld-Lq)-is*is];R=roots(p);if(R(1)<R(2)),id=R(1);elseid=R(2);endiq1=sqrt(is*is-id*id);iq2=-iq1;Te1=1.5*p1*(lPM+(Ld-Lq)*id)*iq1;Te2=-Te1;Vid(k)=id;Viq1(k)=iq1;Viq2(k)=iq2;VTe1(k)=Te1;VTe2(k)=Te2;i=is;k=k+1;endM1=[VTe1;Vid]';M21=[VTe1;Viq1]';M22=[VTe2;Viq2]';figureplot(Vid,VTe1,'-',Viq1,VTe1,'-g')xlabel('id,iq')ylabel('Te')title('VariationofId&IqwithTe')根据式(3-1)～式(3-4)可知,本次仿真为最大转矩电流比控制。由第二章的式(2-43)可以对求偏微分后可得程序里p矩阵写为(4-10)对上式求解的求根公式为(4-11)因为,故取最小的那个值，即化简得(4-12)与式(3-4)一致。程序中的值为(4-13)与式(3-4)一致。因为电机是发电机，存在是负值的情况，故iq2=-iq1,Switch模块是为了保证为正数。Te1=1.5*p1*(lPM+(Ld-Lq)*id)*iq1即(4-14)与式(2-36)一致。2.函数方程如下：图4-6d轴电流解耦函数interp1为一维插值法,利用图4-5的电磁转矩与两电流分量已知的函数值,分别作出电磁转矩仅关于励磁电流分量的函数,以及电磁转矩仅关于转矩电流分量的函数值,在区间的其他点上用这两个特定函数的值作为函数的近似值。M1由上述程序可知，为电磁转矩和d轴电流的数组。abs(u)是对数组元素进行绝对值处理的函数,此处为对M1处理得到d轴电流期望值。图4-7q轴电流解耦M21由上述程序可知，为电磁转矩和q轴电流的数组。abs(u)此处为对M21处理得到q轴电流期望值,经过解耦后dq两轴变量能够独立控制。1.1.4矢量控制模块仿真矢量控制模块实现的是电压的坐标变换,将PWM逆变器输出的三相电压、、作为模块的三个输入量,根据第二章式(2-17)得到式(4-15)再根据该式搭建模块。实现向两相的变换,得到两个输出量坐标系下的电压和(4-15) 图4-8结构框图图4-9结构框图中Gain1增益图4-10结构框图中Gain增益模块将位置角和坐标系的电压和作为模块的三个输入量,根据第二章式(2-20)得到式(4-16),再根据该式搭建模块。实现向dq两相的变换,得到两个输出量dq坐标系下的电压和(4-16)图4-11结构框图 1.1.5坐标变换模块仿真坐标变换将位置角和dq坐标系下的两个电流分量、作为模块的三个输入量,根据式(2-19)建立式(4-17),根据该式搭建模块如图4-12。输出为坐标系下的两个电流分量、。（4-17）图4-12结构框图模块将坐标系下的两个电流分量、作为两个输入量,根据式(2-18)得到式(4-17),再根据该式搭建模块如图(4-17),输出定子坐标系下的三相电流、、(4-17)图4-13结构框图图4-14结构框图Gain增益图4-15结构框图Gain1增益1.1.6电流滞环跟踪型PWM逆变电路模块仿真电流滞环控制模块将给定信号、、与实际电流、、经过sum求差环节得到的差值作为滞环比较器的3个输入端,让实际电流信号能够跟踪指令电流信号,并控制逆变器的开关器件实现误差减小。滞环比较器的输出为电压源型逆变器的命令信号。当实际电流比指令电流小还有差值比环宽大时,对应的正向开关器件导通,负向开关器件关断。当实际电流比指令电流大还有差值比环宽大时,对应的正向开关器件关断,负向开关器件导通。因此只有环宽设置恰当,才能保证电机实际电流可以跟踪上指令电流。 图4-16电流滞环控制模块结构框图电压逆变模块将滞环比较器输出的命令信号作为输入量,三个定子电压为输出量。电压逆变模块采用Matlab提供的Sum模块和增益模块搭建相电压发生器与3个零阶保持器组成的采样保持器共同模拟PWM逆变器。图4-17PhaseVoltageGenerator模块结构框图 图4-18采样模块结构框图电流闭环控制的电流滞环PWM方式，其逆变器构成如图4-13所示。图4-19电流滞环跟踪PWM逆变器当指令电流减去实际电流的差值相差大于h(h:滞环比较器的阈值)时，接到直流电源正极的开关导通，使得实际电流增加，当指令电流和实际电流相差低于-h时，接到直流电源负极的开关导通，使得实际电流减小。根据滞环比较器给出的命令信号，控制6个开关器件导通和关断，输出3个定子电压。1.2仿真结果及分析1.2.1仿真结果分析电机参数设置如下表：表4-1PMSM参数设置项目参数定子绕组电阻直轴同步电感交轴同步电感转子磁链矢量极对数转动惯量直流电压给定转速仿真时间1s图4-20电机参数设置图4-21滞环比较器参数设置当PI控制器参数为、时,可得到转矩、电流、转速、电压波形曲线。图4-22PI控制器参数设置图4-23dq轴电流期望值和实际值波形图从图中能看出,在dq轴电枢电流指令发生阶跃变化时,dq轴电枢电流跟踪各自指令值情况良好,但仍有略微误差,电流在电机启动时波动较大,又很快稳定在给定值。图4-24给定转速与实际转速波形图由仿真图看出,模型的转速响应迅速而且稳定,当时,加入负载转矩导致转速突降,但随后快速稳定在平衡状态,系统稳态运行时无静态误差。图4-25PWM电压波形图波形图与第三章电流滞环控制时PWM电压波形图一致符合理论分析。图4-26三相电压波形图图4-27一相电压发生器与采样模块对比波形图上面波形为相电压发生器的三相电压波形，下面为采样保持器的波形,当采样频率为8000样本/s,重建信号与原信号一致。图4-28负载转矩与电磁转矩对比波形图从上图可知,电磁转矩起动的阶段保持恒定,当时,加入负载转矩导致电磁转矩增大,电磁转矩在负载转矩数值上下波动,具有良好的动态特性和静态特性。以上仿真波形图验证了PMSM以模块建模仿真方法的实用性,系统带负荷起动时各个响应讯速且系统能稳定运行,设定合适的模型参数前,要以第二章推导的数学模型为依据选择合理的模型,保证系统稳定运行的同时拥有良好的动静态特性。图4-29转速与位置角对比波形图从上图可直观看出转速与位置角的关系满足与理论分析一致。1.2.2调整PI控制器参数当PI控制器参数为、