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1、综合训练项目三题目：永磁同步电机矢量控制调速系统仿真1学期期： 2014-2015 学年第学 业：自动化专1班级班级： 2011 姓名：官均涛1105010105 号：学 指导教师：侯利民辽宁工程技术大学成绩评定表评定指标标准评定评定标准合格不合格矢量控制系统原理分析充分性仿真模型搭建合理仿真结果分析分析充分性设计报告答辩内容充实答辩效果总成绩日期年月日综合训练项目三题目： 永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目的：通过搭建仿真模型， 克服了传统教学中枯燥、抽象、难于理解等弊端，消化知识单元六中矢量控制的理论知识，达到良好的教学效果。要求 : 利用 MATLAB/simulink 中的电力系统工具
2、箱搭建 PMSM矢量控制系统仿真模型，通过调节 PI 参数，得到良好的动静态性能，观察系统突加减变负载运行工况下的速度、电流及转矩变化情况。任务： 1、学习永磁同步电机矢量控制技术；2、搭建永磁同步电机矢量控制系统仿真模型；3、调试 PI 调节器参数满足各种工况；4、针对仿真模型进行演示答辩，考查其掌握程度。成果形式：现场演示 +书面报告永磁同步电机矢量控制调速系统仿真目录1 永磁同步电动机的矢量控制原理.11.1永磁同步电动机的矢量控制原理.11.2永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系.11.3永磁同步电动机的矢量控制策略.22 永磁同步电动机矢量控制系统i=0 控制的 simulin
3、k 仿真 .4d2.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模.42.2永磁同步电动机矢量控制系统的simulink 仿真 .52.2.1空载启动仿真 .52.2.2转速突变仿真 .62.2.3负载突变仿真 .83 仿真结果分析 .11综合训练项目三1 永磁同步电动机的矢量控制原理1.1 永磁同步电动机的矢量控制原理近二十多年来电动机矢量控制、 直接转矩控制等控制技术的问世和计算机人工智能技术的进步，使得电动机的控制理论和实际控制技术上升到了一个新的高度。目前，永磁同步电动机调速传动系统仍以采用矢量控制技术为主。矢量控制实际上是对电动机定子电流矢量相位和幅值的控制。 本论文采用按转子磁链定向的方式。
4、由式 (16) 可以看出， 当永磁体的励磁磁链和直、 交轴电感确定后，电动机的转矩便取决于定子电流的空间矢量，而的大小和相位又取ii ss决于和也就是说控制和； 便可以控制电动机的转矩。 一定的转速和转矩 iiii qqdd ii ，和和；和跟踪指令值， 通过这两个电流的控制， 使实际对应于一定的 iiii qqqddd 便实现了电动机转矩和转速的控制。由于实际馈入电动机电枢绕组的电流是三相交流电流、和，因此，三iii CBAi 得到： 必须由下面的变换从和相电流的指令、和iiii qdABCnsois c iA（ 1） 222di ns(i ) ) cosiBi333q i22C)sin(c
5、os()33式中，电动机转子位置信号由位于电动机非负载端轴伸上的速度、位置传感器提供。通过电流控制环，可以使电动机实际输入三相电流、和与给定的指令iii CBA 、和一致，从而实现了对电动机转矩的控制。iii ABC 上述电流矢量控制对电动机稳态运行和瞬态运行都适用。而且和是各自ii qd 独立的；因此，便于实现各种先进的控制策略。1.2 永磁同步电动机矢量控制运行时的基本电磁关系永磁同步电动机的控制运行是与系统中的逆变器密切相关的，电动机的运行性能受到逆变器的制约。最为明显的是电动机的相电压有效值的极限值和相 Ulim 电流有效值的极限值要受到逆变器直流侧电压和逆变器的最大输出电流的限Ili
6、m U 时，Y 制。当逆变器直流侧电压最大值为接的电动机可达到的最大基波相电压 c 有效值：（2）cc UUUmil 6321永磁同步电机矢量控制调速系统仿真轴系统中的电压极限值为d-q 而在 u 3U: limlim (1)电压极限圆电动机稳态运行时，电压矢量的幅值：22（3）uuudq 将式（ 24）代入式（ 29）得：22)R i ( Liu ( )Li Riq1qdqdf1d（4）22)ieR( Xi Ri)(Xi q10ddqq1d由于电动机一般运行于较高转速， 电阻远小于电抗， 电阻上的压降可以忽略不计， 上式可简化为2222e i i ( ) (i ( X )L L (Xi )u
7、dqdqd0qfqd（ 31）u，有 以代替上式中的ulim222（5）) (u/i(Li ) (LmldfqdqiLL 时，式（32）是一个椭圆方程，当当时（即电动机为表面凸L L qdqd /L ,0 出式转子磁路结构时），式（ 32）是一个以（）为圆心的圆方程，下面dfLL 为例，将式（ 32 以）表示在的平面上，即可得到电动机运行时的电压 ii qdqd 极限轨迹电压极限圆。 对某一给定转速， 电动机稳态运行时， 定子电流矢量不能超过该转速下的椭圆轨迹， 最多只能落在椭圆上。 随着电动机转速的提高， 电压极限椭圆的长轴和短轴与转速成反比地相应缩小，从而形成了一族椭圆曲线。(2)电流极限
8、圆电动机的电流极限方程为：222ii i （ 6）mdqilI 3i为电动机可以达到的最大相电流基波有效值， 式，上式中 Ilimlimlim 平面上坐标原点为圆心的圆。（ 33）表示的电流矢量轨迹为一以 ii qd 也不能电动机运行时，定子电流空间矢量既不能超出电动机的电压极限圆，超出电流极限圆。 1.3 永磁同步电动机的矢量控制策略i 0 时，从电动机端口看，相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有d等于 90°交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交， ，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其值为2综合训练项目三i pT（ 7）sfei0控制时的相量图如图8 所示：di
9、 0 矢量控制相量图图 8 d 从图中可以看出，反电动势相量与定子电流相量同相。对表面凸出示 IE00转子磁路结构的永磁同步电动机来说， 此时单位定子电流可获得最大的转矩。 或者说，在生产所需要转矩的情况下， 只需最小的定子电流， 从而使铜耗下降，效 i 0 率有所提高。这也是表面凸出示转子磁路结构的永磁同步电动机通常采用d 控制的原因。i 0 控制时忽略定子电阻从电动机的电压方程()和转矩方程可以得到采用di0 采用（ 35）可以看出，在逆变器极限电压下电动机的最高转速为式（ 35）。从式 d 控制时，电动机的最高转速既取决于逆变器可提供的最高电压、 也取决于电动机的输出转矩。电动机可达的最
10、高电压越大，输出转矩越小，则最高转速越高。（8）ulimbTL emq22 )( f pf i 0 的控制方式，按转子磁链定向并使对于隐极永磁同步电动机控制系统， d 定子电流和转子磁通是互相独立的，控制系统简单，转矩恒定性好，可以获得很宽的调速范围，适合于需要高性能的数控机床、机器人等场合。3永磁同步电机矢量控制调速系统仿真2 永磁同步电动机矢量控制系统i=0控制的simulink仿真d 2.1永磁同步电动机矢量控制系统的建模0i为检测出的电动机转速和角度空控制系统原理图。图中，9 为和图d 间位移，和为检测出的实际定子三相电流值。iii CBA 在图 11 中采用了三个串联的闭环分别实现电
11、动机的位置、 速度和转矩控制。 转子位置实际值与指令值的差值作为位置控制器的输入，其输出信号作为速度的指令值，并与实际速度比较后，作为速度控制器的输入。 速度控制器的输出即为转矩的指令值，转矩的实际值可根据给定的励磁磁链和经矢量变换后得到的、i d 实际转矩信号与转矩指令值的差值经转矩控制器和矢量变换由转矩公式求出。iq j e 后，即可得到电动机三相电流的指令值，再经电流控制器便可实现电动机的控制。i 0 控制系统框图图9同步电动机矢量控制系d 根据图9 利用中的 simulinki 0 控制的仿真模型，如图10 所示：统d 4工具建立永磁综合训练项目三0 i图 10 永磁同步电动机矢量控制
12、系统控制的仿真图dsimulink 仿真2.2 永磁同步电动机矢量控制系统的本章分析了永磁矢量控制是当前高性能交流调速系统一种典型的控制方案。 同步电动机矢量控制的原理， 建立了系统的数学模型，给出了系统的实现方案， 环境下对系统进行了仿真试验。在 空载启动仿真 分，空载，启动过程的仿真波形如以下各图所示： 1000 转/指令转速5永磁同步电机矢量控制调速系统仿真图 20 转速波形图图 21 转矩波形图图 22 定子三相电流波形图仿真中，电动机空载启动，t=0.025s前转速、转矩和电流均大幅震荡， 在 t=0.07s 2%。/转分，稳态误差为 时转速达到稳定值转速突变仿真指令转速由 1000
13、 转/分突变为 800 转/分，负载转矩 Tm=2N.m，启动过程的仿真波形如以下各图所示：6综合训练项目三转速波形图图23转矩波形图24图7永磁同步电机矢量控制调速系统仿真三相电流波形图图25开始攀升， Te0.04s，转矩电动机负载启动， t=0.02s 前为震荡过程， t=0.02s 到所以该时间段转速开始稳定波动， t=0.04s 由于此间电磁转矩小于负载转矩，并在800t=0.1s，指令转速突变为 1000 转/分，直到下降。 t=0.08s 时转速稳定在指令值是转矩提升过程。伴随转 0.11s下，紧接着 t=0.1s 到 0 转/分，此时转矩突然下降到后转矩稳定波动于 t=0.11
14、s 矩变化，转速做出了相应的下降变化，电流突然变小； 分。转 /2N.m，转速回升，于 t=0.16s 稳定在指令值负载突变仿真电机的电流、速度、推力等参数都会发生很大永磁同步电机的负载突变时 , 安全运行等提供理控制策略实施、 的变化，负载突变特性可为系统的优化设计、 负载转矩由一个数据突变到另这里的负载突变指在转速一定的情况下，论基础。 一个数据。，启动过程的仿真波形如 5N.m 分，负载转矩由 2N.m 突变为 /1000 指令转速转 以下各图所示：8综合训练项目三转速波形图26 图转矩波形图27图9永磁同步电机矢量控制调速系统仿真28 三相电流波形图图5N.m 突升到同，当负载转矩在前转速、转矩、电流变化与。时达到 5N.m 时，电动机转速并不受影响，转矩也在t=0.1s10综合训练项目三3 仿真结果分析对于电流 id=0 控制方式启动响应速度相对较缓慢，转速有一个比较大的脉动。当空载时，转速，转矩，定子电流都有一个脉动，经过调节，转速能够快速跟踪给定值。三相定子电流呈正玄波变化， 从各中参数的变换可以看出系统能很快稳定在所设定的参考值下， 证明永磁同步电机矢量控制系统的稳定性及调速性能很好。11