永磁同步电动机PWM变频调速系统的建模与仿真
基于matlab的永磁同步电机调速系统的仿真
摘要本文首先介绍了永磁同步电机的国内外发展状况，然后介绍了永磁同步电机的结构及原理，接着建立了永磁同步电机的数学模型，并在此基础上用MATLAB 进行了仿真，最后进行了仿真及仿真结果的分析。
永磁同步电机是具有非线性、强耦合性、时变性的系统，在运行过程中会受到负载扰动等多因素影响。
以往研究永磁同步电机的做法是在硬件上搭建一个平台进行模拟，但是这样在做实验中难免会造成一些损失，而且硬件上的反馈会比较长研究周期长。
目前在国内外关于永磁同步电机调速系统的研究现状上来讲，基于MATLAB环境下仿真模型的构建下进行研究，这可极大的缩短研究周期和研究成本。
在利用MATLAB仿真模型研究永磁同步电机时，我们可以把那些扰动因数做成模拟信号给予模型，这样可以准确的定性分析实验得出结论。
关键字：永磁同步电机，空间矢量调制，MATLAB仿真，数学模型。
ABSTRACTIn the first, this paper introduces the domestic and international development status of Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM), gives a explanation about its basictheory, structure. Then it builds a mathematical model, and uses MATLAB to simulate that model.The PMSM is a nonlinear, strong-coupling and time-varying system, so in the operation process, it will be influenced by many factors such asload disturbance. Therere, it is necessary to take action when researching the control method of PMSM. The former research method is setting up a platform on hardware to perform experimensbut it is undesirable, because it often cause some loss, and the feedback cycle is longer than research cycle. As fordomestic and international current situation on the research of PMSM, it is obvious that researching under the simulation model created by MATLAB could greatly reduce the cost and cycle of researchment. When using MATLAB to build simulation model on the research of PMSM, we can transform these disturbance factors into analog signal, making a qualitative analysis to draw conclusions from them.Keywords：PMSM, SVPWM, MATLAB simulation, mathmatical model目录摘要 (I)ABSTRACT .............................................. I I 目录............................................... I II 第一章绪论 (1)1.1 研究背景及意义 (1)1.1.1 研究背景 (1)1.1.2 研究的目的及意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 国内研究历史及现状 (2)1.2.2 国外研究现状及趋势 (2)1.3 本文的主要内容 (3)第二章永磁同步电机调速系统的结构和数学模型 (5)2.1 引言 (5)2.2 永磁同步电机调速系统的结构 (5)2.3 永磁同步电机调速系统的数学模型 (6)2.3.1 PMSM在ABC坐标系下的磁链和电压方程 (6)坐标系下的磁链和电压方程 (8)2.3.2 PMSM在02.3.3 PMSM在dq0坐标系下的磁链和电压方程 (9)2.4 永磁同步电机的控制策略 (11)2.5 本章小节 (12)第三章永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 (14)3.1 引言 (14)3.2 永磁同步电动机的矢量控制 (14)3.3 空间矢量脉宽调制概念 (15)3.4 SVPWM模块的建立 (17)3.5 本章小结 (23)第四章基于Matlab的永磁同步调速系统仿真模型的建立 (24)4.1 引言 (24)4.2 MATLAB软件的介绍 (24)4.3永磁同步电机调速系统整体模型的建立 (25)4.4仿真参数调试及结果分析 (28)4.5本章小结 (29)第五章总结与展望 (30)5.1全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (33)第一章绪论1.1 研究背景及意义1.1.1 研究背景随着电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的发展，交流调速系统逐步具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流调速系统应用越来越广泛。
永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真
永磁同步电动机矢量控制调速系统建模与仿真第1章引言随着电动机在社会生产中的广泛应用，电机研究成为必不可少的研究课题。
电动机是生产和生活中最常见的设备之一，电动机一般分为直流电动机和交流电动机两大类。
交流电动机的诞生已经有一百多年的历史。
交流电动机又分为同步电动机和感应(异步)电动机两大类。
直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，通过改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。
20世纪80年代以前，在变速传动领域，直流调速一直占据主导电位。
随着交流调速技术的发展使交流电机的应用更加广泛，但是其转矩控制性能却不如直流电机。
因此如何使交流电机的静态控制性能与直流系统相媲美，一直是交流电机的研究方向。
1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。
矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。
矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。
矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。
永磁同步电机（PMSM）采用高能永磁体为转子，具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、高效率等优点，成为了高精度、微进给伺服系统的最佳执行机构之一。
永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统已经向数字化方向发展，因此如何建立有效的仿真模型具有十分重要的意义。
对于在Simulink中进行永磁同步电机（PMSM）建模仿真方法的研究已经受到广泛关注。
第2章 电压空间矢量技术的基本原理PWM 控制技术是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变频、调压及减少谐波含量的一种控制技术。
小功率内燃机车用永磁同步电机调速系统的建模与仿真
AUTO PARTS | 汽车零部件小功率内燃机车用永磁同步电机调速系统的建模与仿真孟凡顺柳州铁道职业技术学院 广西柳州市 545616摘 要： 由于结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高等特点，近年来永磁同步电动机（PMSM）已成为轨道交通领域研究的焦点。
本文介绍了PMSM在控制系统中的优势，利用Matlab|simulink仿真软件，采用坐标变换、SVPWM算法，建立PMSM及其矢量控制系统的仿真模型。
通过观测定子三相电流、电机转速、转矩以及d、q轴电流的变化，对系统中的参数进行调整。
结果表明，该调速系统调速特性好、响应速度快，验证了采用d i=0的SVPWM矢量控制对PMSM的可行性与合理性。
关键词：SVPWM矢量控制 永磁同步电机 MATLAB仿真1 引言PMSM作为内燃机车的关键动力执行机构，与异步电动机相比具有体积小、功率因数高、过载能力强等特点，已逐渐被业界公认为未来轨道交通牵引传动的一个发展趋势。
随着PMSM的发展以及永磁材料的不断发掘和改善，PMSM在电动汽车领域的应用已逐渐成熟，但在轨道交通领域还处于起步阶段，因此具有一定研究意义[1]。
结合内燃机车的工况，本文对PMSM 调速系统进行建模与仿真，搭建矢量控制系统模型，通过调整相关参数，得到了平稳的电流、电机转速、转矩等数据，验证了矢量控制对内燃机车永磁同步牵引系统的可行性与合理性[2]，为PMSM在内燃机车上的应用积累经验。
2 永磁同步电机的数学模型为了简化分析，对PMSM进行理想化假设：（1）PMSM为理想电机；（2）忽略铁芯饱和的影响；（3）不考虑磁滞损耗和涡流损耗；（4）输入电机的工作电流是对称的三相正弦电流。
在同步旋转坐标系下电动机定子绕组电压方程为：（1）式中：d u、q u为定子电压在d-q轴的分量；d i为定子电流在直轴上的电流分量；qi为定子电流在交轴上的电流分量；R为定子上的电阻；dψ为定子磁链在直轴上的磁链分量；qψ为定子磁链在交轴上的磁链分量；eω是电角速度。
PMSM调速系统SVPWM控制的建模仿真[1]
![PMSM调速系统SVPWM控制的建模仿真[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/279561c689eb172ded63b7c4.png)
2 SVPWM 控制原理
整个控制系统的核心就是 PWM 控制器 , 它以 一定规律控制逆变器开关器件的通断状态将参考 电压变成一定频率和幅值的脉冲序列 , 实现对电机 的控制 ,并能有效地抑制和消除谐波 , 因此研究高 性能的 PWM 控制技术十分关键 。
SVPWM 也称磁通正弦 PWM 法
扇区号
Ⅱ
Ⅵ
Ⅰ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅴ
m , p = 4; 逆变器直流母线电压 U dc = 300 V , 载波频
2
3. 1. 3 基本矢量作用时间计算
率为 2 kHz。空载启动 ,转速给定为 100 rad / s,在 0.
1 s时加入负载转矩 5 N ・m ,仿真时间为 0. 3 s。
基本矢量作用时间按照下式来计算 ,式中 Ts 是 逆变器开关周期 , U dc为逆变器直流母线电压 。
8 个导通状态 ,包括 6 个非零矢量 (称作基本电压矢
量 )和 2 个零矢量 ,这些电压矢量如图 3 所示 , 它们 在圆周空间呈均匀分布 。因此为了使逆变器输出 的电压矢量接近圆形 , 必须对这 8 种基本电压矢量 进行时间组合 ,例如当电压矢量位于图 3 所示的 Ⅰ 区时 ,用相邻的基本电压矢量合成 :
,它是以对称
模块 、 矢量切换点计算模块 、 PWM 波形生成模块 。
3. 1 SVPWM 模型算法 3. 1. 1 3 s/2 r坐标变换 3 s/2 s模块将三相参考电压变换为两相静止参
三相正弦电压供电时交流电机的理想磁通圆为基 准 ,用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去 逼近这个基准圆磁通 , 由两者的比较结果决定逆变
3u α ) TS / 2U dc
( 7)
脉动 ,而 SVPWM 方式则能较好的对转矩脉动进行 抑制 ,运用到实际中可更有效地降低机械系统的 振动 。
永磁同步电动机调速控制系统仿真研究
111111111 0 前言永磁同步电机调速技术的发展得于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。
电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。
脉宽调制方法(PWM和SPWM)、变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。
永磁同步电动机调速系统是一个多变量、强耦合的复杂系统，其动态特性极其复杂，它是由一组高阶的非线性微分方程决定的，由于控制系统控制方式的复杂性，使动态特性的变化十分繁琐。
所以，对调速系统特性的分析研究，最好好在着手实际系统之前，先利用计算机仿真，由仿真的各方面结果给实际系统的设计、调试等方面提供借鉴和参考。
利用仿真实验对永磁同步电动机调速系统进行研究，从而为实际系统的设计提供可靠的参数。
本文在仿真过程中，采用MATLAB/SIMULINK软件。
1 永磁同步电动机的数学模型1.1 永磁同步电动机的结构和工作原理永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。
永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。
其定子和异步电动机的定子结构基本相同。
空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速0n 为060fn p，f 为定子电流频率，p 为电动机极对数。
永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、永磁磁钢及磁辘等部分组成.永磁体转子产生恒定的电磁场。
当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。
两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。
如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
永磁同步电动机的定子与绕线式的定子基本相同。
但可根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。
永磁同步电机建模与仿真
安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计（2020届）题目永磁同步电机建模与仿真指导教师专业年级学号姓名刘李二〇二0年四月三十日安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计（论文）任务书专业年级学生学号姓名刘李任务下达时期：2019年12月21日设计（论文）日期：2019年12月21日至2020年4月30日设计（论文）题目：永磁同步电机建模与仿真设计（论文）主要内容和要求：本设计的主要内容本文共分为四章，主要针对永磁同步电机的建模与仿真进行相关研究。
第一章主要概述了永磁同步电机的应用与发展现状；第二章介绍了同步电机的理论基础，简要介绍了同步电机的原理和结构及起动运行；第三章介绍了永磁同步电机的控制策略；第四章着重介绍了永磁同步电机的建模与仿真，用MATLAB软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。
指导教师签字：安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计(论文)指导教师评阅书指导教师评语(包含①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）；建议成绩：指导教师签字：年月日安徽矿业职业技术学院成人教育毕业设计(论文)答辩及综合成绩专业年级学生学号学生姓名摘要永磁同步电机是一种利用永磁体建立励磁磁场的小功率同步电动机。
它以体积小，损耗低，效率高等优点广泛应用于伺服驱动系统。
永磁同步电机构成的永磁交流伺服系统目前已经向数字化方向发展，进一步适应了高速高精度机械加工的需要。
系统中的电流环、速度环和位置环的反馈控制全部数字化。
因此，如何建立有效的永磁同步电机控制系统的仿真模型成为电机控制算法的设计人员迫切需要解决的问题，它对于建立电机控制系统仿真模型方法的研究具有十分重要的意义。
本文提出了永磁同步电机PMSM 控制系统仿真建模的方法，在Matlab/ Simulink 环境下，通过对PMSM 本体、dq 坐标系向abc坐标系变换及反变换、三相电流源逆变器、ASR和ACR等功能模块的建立与组合，构建了永磁同步电机控制系统的速度和电流双闭环仿真模型。
永磁同步机变频调速系统MATLAB建模与仿真
定转矩， 突加扰动时系统波动较小， 充分说明系统 具有较好的鲁棒性． 采用该 PMSM 仿真模型可以便 捷地实现、 验 证 id = 0 控 制 算 法， 同时也为实际 PMSM 系统的设计和调试提供了有效途径 ．
Speed Ｒesponse curve of dq coordinate（ 2000r / min）
图1 Fig． 1 变频调速系统原理框图
Matlab / Simulink 环境下， 通过这些功能模块的有机 组合， 建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模 型， 实现双闭环控制． 根据永磁同步电机变频调速系统原理结构 ， 在 Matlab7． 0 / Simulink 仿真环境下， 利用 SimPowerSystem 里面丰富的模块库， 在分析永磁同步电机数学 模型的基础上， 建立永磁同步电机控制系统的仿真 模型
65532014025 DOI： 10． 6052 /1672定子磁链方程：
引言
重量轻、 能量 永磁同步电机（ PMSM） 具有体积小、 转换效率高、 运行可靠性高及调速范围广等优点， 已 经逐步取代直流伺服电动机而用于高性能的交流伺 服系统中
［ 1 －2 ］
{
ψd = L d id + φf ψq = L q i q
{
u d = Ｒ s i d + pψ d － ω r ψ q u q = Ｒ s i q + pψ q － ω r ψ d
（1）
20120925 收到第 1 稿， 20130723 收到修改稿． * 国家自然科学基金资助项目（ 50907011 ） 、 福建省杰出青年科学基金（ 2012J06012 ） 、 福建省高校杰出青年人才培育基金（ JA1108 ） 通讯作者 Email：aaa7997@ sina． com
MATLABSIMULINK永磁同步电动机变结构调速标准系统建模与仿真
基于MATLA P SIMULINK永磁同步电动机变结构调速系统的建模与仿真上海交通大学（上海市，200030）王微子周顺荣摘要研究如何利用变结构控制理论设计永磁同步电动机的调速控制系统，这种控制系统基于同步电动机的转子磁链定向控制理论；论文中还对该系统进行数学建模，并通过MATLA B SIMULINK a行了仿真实验。
关键词永磁电机调速系统仿真1引言永磁同步电动机转子旋转时转子磁场在定子绕组中产生正弦波形的反电势，采用这种电机的调速系统一般称之为正弦型永磁同步电动机（PMSM调速系统。
PMS多采用变频器供电，并引入矢量控制理论对电机实行磁场定向控制，大大改善了电机的调速性能和运行特性。
本文详细论述了如何使用变结构控制理论来设计PMS啲调速系统。
文中采用特定方法不断改变控制系统的结构参数，并设计系统的控制率，从而使电机的起动、运行、调速和制动达到预期的效果，并且系统对模型参数和外部干扰具有很好的适应性，鲁棒性很好。
论文最后还利用MATLAB^件提供的仿真工具SIMULINK对PMSI的变结构控制系统进行了可靠的仿真实验。
2 PMS碉速系统的数学模型采用转子磁链定向的矢量控制（即i s d= 0）方法对PMSMI速时，要求电机定子三相电流合成的空间综合矢量i s应该位于q轴上，此时定子电流全部用来产生转矩。
若令I = i s，p m W r，则电磁转矩方程为r = x / （z这种控制方式最为简单，只须准确检测出转子空间位置（d轴），通过控制逆变器输出使三相定子电流的合成矢量位于q轴上即可。
设电机转子的初始位置恰好为d 轴与A轴重合处，转子旋转后d轴与A轴夹角为宀转子瞬时角速度。
则当定子三相电流满足下列关系时，其合成矢量i s必与q轴重合= v^2/3 ■ T * ro'tf tilt十9（F ）"i. = /w * r • 回+ w - i2（r）* （2）u x /2a * r ・ w（如 + 9（r按式（2｝进行电流控制、即町探证＜=「M电鐵转矩其中町为曲流联转矩控制是电机调速的关键，拖动控制系统的基本运动方程为T T dn d n= 375 di =九山八瞪八K ；T*电机转过前角度冷満足 则可推出PMSM 转子磁链定向控制系统矩阵形式的状态方程如下设输出为【 0]A =T OfH - 札 • 0」 :丄〕C = K.0」f I 0] H =则柑PMSM 电机矢带控制的状态方押X s AX + H/ - GT t [Y = HX ) 机调速控制中的应用设输入R （t ）为一理想的参考指令，表示电机起动、稳定运行或制动时的 性能要求，希望输出丫（t ）能很好地跟踪指令R （t ）变化，设跟踪误差向量为 E （ t ），则6()0'（7>3变结构控制理论在电£(t) = Y(t) - K(t)据童帖构控制埠思.取切换确数为$(<)= CE {t )= c[r(n - /?(；)]⑻ 式中•矢ht (：称作权*ft 矩阵•文中從仿真时取C = [0.5 0.5]由式⑺和⑻可得 S = CE = F - A 心C x ( HAX + HRI - HGT t ■ Jt) ( * } 变结构控制到达的条件为5(1)x< 0 因此由式(8)算出的S (t )符号可知' 符号，结合式(*)即可得出控制变 量I 的取值范围。
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永磁同步电动机PW M变频调速系统的建模与仿真夏玲(黄石建筑设计研究院第4所,湖北黄石435001)摘 要:介绍了PW M控制技术的特点,并在MAT LAB环境下,构造永磁同步电动机PW M控制的仿真模型。
通过对永磁同步电动机的动态过程进行仿真,分析永磁同步电动机采用PW M控制技术的瞬态运行特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。
同时,也验证了仿真模型的正确性。
关键词:永磁同步电动机;仿真;PW MModeling and Simulating of PWM Frequency I nverter Systemfor I nterior Permanent Magnet Synchronous Motor XI A Ling(Huangshi Institute of Architectural Design&Research,Huangshi Huibei,435001,China) Abstract:T his paper introduces the characteristics of PW M control technology,and it found the simulating m od2 el for interior permanent magnet synchron ous m otor PW M control in M A T LA B environment.Via thesimulation of dynamic process for interior permanent magnet synchronous m otor,it analyzes the instan2 taneous characteristics and change law of PW M control technology for interior permanent magnet syn2 chron ous m otor.And the validity of the simulation m odel is tested and verified via the simulations. K ey w ords:interior permanent magnet synchronous m otor;simulation;PW M1 前言永磁同步电动机转子使用永磁材料励磁,使电动机的体积和重量大大减小,电机结构简单、维护方便、运行可靠、损耗较小,效率和功率因数都比较高。
然而,永磁同步电机存在启动困难、失步等缺点,变频调速技术的应用能很好地解决这些问题。
同步电机控制系统常见有如下几种:(1)无换向器电机控制系统 采用交-直-交电流型逆变器给普通同步电机供电,整流及逆变部分均由晶闸管构成,利用同步电机电流可以超前电压的特点,使逆变器的晶闸管工作在自然换相状态。
同时检测转子磁极的位置,用以选通逆变器的晶闸管,使电机工作在自同步状态,故又称自控式同步电机控制系统。
其特点是直接采用普通同步电机和普通晶闸管构成的系统,容量可以做得很大,电机转速也可做得很高,如法国地中海高速列车即采用此方案,技术比较成熟。
其缺点是由于电流采用方波供电,而电机绕组为正弦分布,低速时转矩脉动较大。
(2)交—交变频供电同步电机控制系统 逆变器采用交—交循环变流电路,由普通晶闸管组成,提供三相正弦电流给普通同步电机。
采用矢量控制后可对励磁电流进行瞬态补偿,因此系统动态性能优良,已广泛应用在轧机主传动控制系统中。
其特点是容量可以很大,但调速范围有一定限制,只能从同步速往下调。
(3)正弦波永磁同步电机控制系统 电机转子采用永磁材料,定子绕组仍为正弦分布绕组。
如通以三相正弦交流电,可获得较理想的旋转磁场,并产生平稳的电磁转矩。
采用矢量控制技术使d轴电流分量为零,用q轴电流直接控制转矩,系统控制性能可以达到很高水平。
缺点是需要使用昂贵的绝对位置编码器,采用普通增量式码盘实现上述要求虽有一些限制,但采取一定措施后仍是可能的。
目前研究的重点放在如何消除齿谐波及PW M控制等造成的转矩脉动。
(4)方波永磁同步电机控制系统 又称为无刷742004年第4期 电机电器技术 计算机与自动控制直流电机控制系统,转子采用永磁材料,定子为整距集中绕组,以产生梯形波磁场和感应电动势,如通以三相方波交变电流,当电流和感应电动势同相位时,理论上可产生平稳的电磁转矩。
其主要特点是磁极位置检测和无换向器电机一样,非常简单,选通及系统控制容易实现。
其缺点是由于定子电感的存在,实际上电流达不到理想的方波,在换相时刻的叠流现象会造成转矩脉动,对系统低速性能有一定的影响。
PW M控制是交流调速系统的控制核心,A. Schonung和H.stemmler于1964年首先提出把这项技术应用到交流传动中,从此为交流传动的推广应用开辟了新的领域。
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较,产生正弦脉宽调制SP2 W M信号以控制功率器件的开关开始,到目前采用全数字化方案,完成优化的实时在线的PW M信号输出,可以说直到目前为止,PW M在各种应用场合仍占主导地位,并一直是人们研究的热点。
用计算机对永磁同步电动机的动态过程进行仿真可以从理论上揭示其瞬态运行的特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。
它可以为构成更完备的电机控制和调节系统方案提供直接的依据,为改善电机的运行状况,更好地满足生产需要提供了新的手段。
M A T LA B语言是目前国际上流行的一种仿真工具语言,它具有强大的矩阵分析和运算功能。
建模仿真可视化功能SI M U LI NK是M A T LA B五大通用功能之一,它是基于M A T LA B语言环境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境,具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点,可大大提高系统仿真的效率和可靠性。
SI M U LI NK提供了丰富的模型库供系统仿真使用,另外用户也可根据自己的需要开发所需的模型,并通过封装扩充现有的模型库。
本文介绍一种利用SI MU LI NK功能建立永磁同步电动机PW M调速模型及仿真方法,并通过实例仿真,验证仿真模型的正确性。
2 PW M技术从上世纪70年代开始至80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般最高不超过5kH z,电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。
为求得改善,随机PW M方法应运而生。
其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。
正因为如此,即使在IG BT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PW M仍然有其特殊的价值;另一方面,也说明消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,因为随机PW M技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。
PW M控制技术一直是变频技术的核心技术之一。
任何控制算法的最终实现几乎都是以各种PW M 控制方式完成的。
目前已经提出并得到实际应用的PW M控制方案就不下十几种,PW M控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。
到目前为止,还有新的方案不断提出。
由于PW M可以同时实现变频变压及抑制谐波的特点,因此在交流传动乃至其它能量变换系统中得到广泛应用。
PW M控制技术大致可以分为三类,正弦PW M(包括电压,电流或磁通的正弦为目标的各种PW M方案,多重PW M也应归于此类),优化PW M及随机PW M。
正弦PW M已为人们所熟知,而旨在改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PW M技术在大功率变频器中有其独特的优势;优化PW M所追求的则是实现电流谐波畸变率(TH D)最小,电压利用率最高,效率最优,转矩脉动最小,以及其它特定优化目标。
3 永磁同步电动机PW M变频调速系统的仿真Mathw orks公司的MAT LAB仿真软件能很好地实现各类电机的各种控制方案的仿真。
SI MU LI NK 是MAT LAB程序的扩展,是一个开放的编程环境。
SI MU LI NK提供了十分丰富的模型库,大大缩短了整个控制系统的建模与仿真时间。
对一个复杂的控制系统,若仅用SI MU LI NK提供的基本模块来构造模型,相当费时费力。
如用基本模块和电气系统模块库中的模块共同构成仿真模型,则方便得多。
电气系统模块库中有6个子模块库:电源、基本电气元件、电力电子器件、电机、连接和测量子模块库。
如PW M变频调速系统的仿真模型中,逆变器和电机就可以采用电气系统模块。
但电气系统模块和常规SI MU LI NK模块必竟是两类本质不同的模块,对于同时使用两类模块的仿真模型,84计算机与自动控制 电机电器技术 2004年第4期必然会有两类模块之间的信号流动,这就需要中间接口模块。
当SI MU LI NK 常规模块的信号送入电气系统模块时,应根据其性质,采用可控电压源或可控电流源作为中间环节;反之,当电气系统模块中的信号反馈给SI MU LI NK 常规模块构造的系统时,应采用电压或电流测量模块。
图1是永磁同步电动机PW M 变频调速系统的仿真结构图,主要设计环节有PW M 信号发生器、逆变器及永磁同步电机模型。
PW M 信号发生器是一个封装的子系统,内含离散三角波发生器,其三角波信号与输入正弦信号进行比较,通过选择器,产生PW M 脉冲信号;逆变器也是一个封装的子系统,由六个功率器件模块构成,PW M 信号发生器单元的输出作为控制脉冲,控制六个功率器件的通断。
电机模型是电气系统模块库中的永磁同步电机模型,只需输入相应的参数和负载转矩。
仿真数据:永磁同步电机,极对数3,转动惯量0.0018kg ・m 2,定子电阻1.4Ω,Ld =5.6mH ,Lq =6.8mH ,Ψf =0.15Wb ,负载转矩5Nm 。
图2是转子速参照系,永磁同步电动机35H z PW M 变频调速时的仿真波形。
图3是转子速参照系,永磁同步电动机50H z PW M 变频调速时的仿真波形。
图1 永磁同步电动机PW M 变频调速系统仿真结构图4 结论本文利用SI MU LI NK 构造出以定子电压、定子电流、电磁转矩、转速为状态变量的永磁同步电动机PW M 控制的仿真模型,构架简洁直观,方便实用。
对永磁同步电动机PW M 控制动态过程的仿真,可以为设计更完备的电机控制和调速系统方案、改善电机的运行状况提供新的手段。
从各类仿真波形可以看出,模型具有极高的稳定性和可靠性,适用于各种永磁同步电动机PW M 控制系统的仿真研究。
图2 35H zPW M供电永磁同步电动机仿真波形图3 50H zPW M 供电永磁同步电动机仿真波形参考文献:[1] 辜承林.机电动力系统分析[M].湖北:华中科技大学出版社,1998.[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2000.[3] 韩利竹,王华.M AT LAB 电子仿真与应用[M].北京:国防工业出版社,2001.□942004年第4期 电机电器技术 计算机与自动控制。