08基于MATLAB的永磁同步电机矢量控制系统仿真

第６期总第１６８期

商品储运与养护

ＳＴＯＲＡＧＥＴＲＡＮＳＰＯＲＴＡＴＩＯＮ＆ＰＲＥＳＥＲＶＡＴＩＯＮＯＦＣＯＭＭＯＤＩＴＩＥＳ设备与设施・・

基于ＭＡＴＬＡＢ的永磁同步电机

矢量控制系统仿真

□叶军军（公安海警高等专科学校机电管理系，浙江宁波３１５８０１）

【摘

要】根据永磁同步电机（ＰＭＳＭ）的数学模型及矢量控制方法，在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中建立独立的功能

模块，对电机及其控制系统的各部分进行建模，并进行了仿真分析。

【关键词】永磁同步电机；矢量控制；仿真建模；ＭＡＴＬＡＢ【中图分类号】

ＴＮ９１２【文献标识码】Ａ【文章编号】１００７－４５３８（２００８）０６－０１１０－０２

ＴｈｅＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＭａｔｌａｂｆｏｒＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ

□ＹＥＪｕｎ－ｊｕｎ

（ＭａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｅｒｖｉｃｅｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｈｅＰｕｂｌｉｃＳｅｃｕｒｉｔｙＰｏｌｉｃｅＣｏｌｌｅｇｅ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５８０１，Ｃｈｉｎａ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌａｎｄＶｅｃｔｏｒＣｏｎｔｒｏｌｏｆＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ），ＩｎＭＡＴ－

ＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ，ｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｌｏｃｋｓｈａｄｂｅｅｎｍｏｄｅｌｅｄ．ａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄｓｏｍｅｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｇｉｖｅｎａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．

【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ；ｖｅｃｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＭＡＴＬＡＢ

１引言

随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料

式中：Ｒｉ为定子绕组电阻，Ｌｄ、Ｌｑ分别为ｄ、ｑ轴电感系数，

ｉｄ、ｉｑ分别为ｄ、ｑ轴定子电压，ｗｒ为转子角速度，Ｐ为电机磁极

对数，Ｔｅ为电磁转矩，ψ为永磁体产生的磁链。

的快速发展，永磁同步电机（ＰＭＳＭ）成为近年来发展较快的一效率种电机。它与传统的异步电机相比，具有节能效果明显、高、结构轻型化、运行稳定、可靠性高、输出转矩大等优点，得到了越来越广泛的应用和重视。矢量控制是一种高性能的交流电动机的控制策略，其控制性能可以和直流电动机相媲美。本文采用一种新型的ＰＭＳＭ建模方法，将控制单元模块化，建立独立的功能模块，对仿真结果进行了分析，证明了该建模方法的快速性和有效性。

ｄｗ＝１（Ｔｅ－Ｔ－Ｆｗ）ｒＬｒ

ｄｔＪｄθ＝ｗ

ｒ

ｄｔ式中：Ｊ是转动惯量，ＴＬ是负载转矩，Ｆ机械阻尼系数。根据上面的式子可以建立ｄ－ｑ轴下的ＰＭＳＭ的模块如图

１所示：

２ＰＭＳＭ数学模型

永磁同步电机模块可工作于电动机方式或发电机方式，运行方式由电机电磁转矩符号决定（为正则是电动机状态，为负则是发电机状态）。为了简化模型，可以假定转子永磁磁极在定子上产生的感应磁通是正弦分布的，并且由于通常永磁同步电机的气隙较大，可以近似地忽略定电机铁心的磁饱和。

因此永磁同步电机在ｄ－ｑ轴的电压方程为：

ｄｉ＝１ｕ－Ｒ１ｉ＋Ｌｑｗｉ

ｄｔｄＬｄｄＬｄｄＬｄｒｑｄｉ＝１ｕ－Ｒ１－Ｌｄｗｉ－ψｗｒ

ｑｑｒｄｄｔＬｑＬｑＬｑＬｑＴｅ＝１．５Ｐ［ψｉｑ＋ｉｄｉｑ］・（Ｌｄ－Ｌｑ）・

图１

ｄ－ｑ轴下ＰＭＳＭ模型

在整个控制系统的仿真模型中，ＰＭＳＭ本体模块是最重要

【收稿日期】２００８－０５－１０【作者简介】叶军军（１９８１－），男，浙江浦江人，公安海警高等专科学校机电管理系助教，武汉理工大学硕士研究生毕业。

第６期叶军军：基于ＭＡＴＬＡＢ的永磁同步电机矢量控制系统仿真１１１

的部分，反映的是ＰＭＳＭ电机的本质属性。该模块的作用是根据矢量控制模块输出的ｄ、ｑ两轴相电压Ｕｄ、Ｕｑ求取ＰＭＳＭ的相电流ｉｄ、ｉｑ、ｉｑ子模块结构图和ｉａ是相似的，都是用来实现

要使定子电流可产生最大转矩，应采用ｉｄ＝０的控制方法。整个系统的仿真图如图２所示。

６仿真结果

ｄ－ｑ坐标变换下的电压方程。３

矢量控制与坐标变换模块

矢量控制模块实现的就是ＰＭＳＭ的矢量控制算法，其中，空间矢量变换ＡＢＣ－ＤＱ和ＤＱ－ＡＢＣ的变换矩阵分别为：

\"

###############$\"(((((((((((((((($

ＰＭＳＭ电机参数设置为：电机功率Ｐ＝１．２ｋＷ，直流电压Ｕ＝２２０Ｖ，定子相绕组电阻Ｒｉ＝２．８７５Ω，定子ｄ相和ｑ相绕组电

感Ｌｄ＝Ｌｑ＝０．００８５Ｈ，Ｊ＝０．０００８ｋｇｍ２，磁链幅值ψ＝０．１７５Ｗｂ，电极对数Ｐ＝４，额定转速ｎｅ＝１０００ｒ／ｍｉｎ。

%&&&&&&&&&&&&&&&’%&&&&&&&&&&&&&&&&’

２π）ｓｉｎθｓｉｎ（θ－３２π）ｃｏｓθｃｏｓ（θ－３１!２１!２ｃｏｓθ

２ｓｉｎ（θ＋π）３２ｃｏｓ（θ＋π）３１!２１!２１!２１

ＣＡＢＣ－ＤＱ＝

!２３ｓｉｎθ

ＣＤＱ－ＡＢＣ＝

!２３２π）ｃｏｓ２π）ｓｉｎ（θ－（θ－３３２２ｓｉｎ（θ＋π）ｃｏｓ（θ＋π）３３图３电机转速响应曲线图４电机转矩响应曲线

!２根据上面两式在ＭＡＴＬＡＢ环境下可分别得到ｄｑ／ａｂｃ和ａｂｃ／ｄｑ坐标变换的子模块，用以实现ＰＭＳＭ的矢量控制算法，

将电流转换为电压。

由图３、图４可见，电机转速在电机启动时急剧增加，而转矩急剧下降，但很快便进入稳定运行状态，此时转矩的值为转矩都出现轻微波６Ｎ・ｍ，在０．２ｓ时，由于负载减小，转速、动，但很快又达到新的稳定运行状态，此时转矩的值为１Ｎ・ｍ。

虽然由于电流滞环ＰＷＭ的原因，定子电流指令值和实际值总是在滞环宽度内有一定的差值，转矩输出有一定的脉动，但这并不影响其大体的变化趋势，那就是输出转矩总是能跟踪负载转矩，并在负载转矩上下一定的范围内波动。

４电流滞环型ＰＷＭ模块

电流滞环ＰＷＭ模块实现的是ＰＭＳＭ的滞环电流控制方

＊

ａ

＊ｂ

＊ｃ

法，输入为三相参考电流ｉ、ｉ、ｉ和三相实际电流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ，输出为逆变器控制信号，其基本思路是：当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环环宽时，对应相正向导通，负向关断；当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环环宽时，对应相正向关断，负向导通。选择适当的滞环环宽，即可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。

７结论

本文在分析ＰＭＳＭ数学模型的基础上，提出一种ＰＭＳＭ

控制系统仿真建模的新方法，即在ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ环境中建立独立的功能模块，仿真实验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，并且具有较好的静、动态特性。采用该

５整个ＰＭＳＭ控制系统的仿真模型

由于定子直轴电感和定子交轴电感相等，所以电磁转矩方

程可简化为：

ＰＭＳＭ仿真模型，可以便捷地实现控制算法，只需对部分功能

模块进行替换或修改，就可实现控制策略的改换或改进，节省了设计周期，并为快速验证所设计的控制算法提供了可行性。

Ｔｅ＝１．５Ｐ［ψｉｑ＋ｉｄｉｑ］＝１．５ψｉ・（Ｌｄ－Ｌｑ）・・

［参考文献］

［１］张崇巍，李汉强．运动控制系统［Ｍ］．武汉：武汉理工大学

出版社，２００２．

［２］陈志杰．高性能永磁同步电机矢量控制系统研究［Ｍ］．南

京：东南大学出版社，１９９３．

图２

整个ＰＭＳＭ矢量控制系统的仿真图

［３］陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版

社，１９９５．