基于Matlab永磁同步电机调速系统仿真.pdf

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1、中国航空学会控制与应用第十三届学术年会4．04基于Matlab永磁同步电机调速系统仿真王大伟胡勤丰南京航空航天大学航空电源重点实验室南京21001摘要随着自动控制理论、矢量控制技术、功率变换技术、微机技术等领域的发展，交流调速和伺服系统的研究取得了巨大的成果，可以获得和直流电机系统相媲美的性能。永磁同步电机以其独特的性能在交流调速和伺服系统中得到广泛的应用。本文利用Matlab／Simulink工具箱搭建了永磁同步电机调速系统的仿真模型，基于矢量控制，采用经典控制理论中的根轨迹分析方法设计调节器【11，针对系统的超调和扰动抑制问题进行分析并提出解决方案。仿真结果表明：

2、根据根轨迹方法设计的调节器能能够较好的抑制超调和动态降落，使调速系统获得良好的动、静态性能，对实际系统的设计具有重要的指导意义。关键词永磁同步电机仿真交流调速SVPWM根轨迹分析1PMSM调速系统仿真模型建立基于矢量控制理论，针对PMSM，通过坐标旋转变换和转子磁场定向，将电机定子电流分解为励磁(直轴)分量id和转矩(交轴)分量i。，得到类似于直流电机的解耦数学模型，使PMSM调速系统性能接近或达到直流电动机调速系统的性能。本文中，采用直轴分量id为0的控制策略‘2】【31。数学模型的建立做以下假设：转子永磁磁场在气隙空问分布为正弦波，电枢绕组的反电势波形亦为正弦；忽

3、略定子的铁心饱和，磁路线性：不计铁心和涡流损耗。永磁同步电机在dq0坐标系下的线性数学模型如式(1)所示(恒功率变换)：ldd～si—d％_pn蚶^出‰2足‘+厶云+Pnc％Leie+P．C％grI⋯一』。2以y^z=，牟+R。‰+乃式中ud、u。分别为定子直、交轴电压，id、iq分别为定子直、交轴电流，R。为定子绕组电阻，Ld、La分别为定子直、交轴电感，∞。为机械角速度，T。、T1分别为电磁转矩和负载转矩，、l，f为转子永磁磁链，P。为电机极对数，J、氏分别为转子机械转动惯量和旋转摩擦系数。本文以一台隐极式电机为研究对象，其参数为：R。=2．875f2，L=0．0

4、085H，vf=O．175Wb，pn=4，J=0．0008kg·m2，Ro,=0．0004N’m’s。调速系统采用转速、电流双闭环控制，其仿真模型如图1所示，包括调节器、坐标变换、PWM产生、逆变、电机本体以及检测环节六个主要部分‘4II51。2调节器设计系统输出响应形式取决于系统闭环传递函数的极点，而各项留数由零点和极点共同决定，但留数只决定了响应的初值，对系统的输出影响相对较小。本文采用根轨迹方法，分析调节器参数的变化对系统动、静态性能的影响趋势。在保证系统稳定的前提下，根据开环系统的极点选择校正环节中国航空学会控制与应用第十三届学术年会4．04的零点，选择合适的

5、增益使系统响应各瞬态分量都具有较快的衰减，从而获得优良的动、静态性能。图1仿真模型2．1电流环调节器设计电流环主要环节有：逆变器、电枢回路、采样滤波延迟。理沦上只要直流逆变电压能够产生电机稳定运行的交直轴电压，电机就能稳定运行，故本文在设计电流调节器时忽略逆变延迟环节。忽略逆变环节的交轴电流环系统框图如图2。为方便分析k咿-kqi在这里分别称为电流调节器的增益和校正零点；E中为反电势；k。i、T。i分别为滤波环节的增益和时间常数，分别取值I和0．0001。图2电流环系统框图电流环的开环极点为．338．25、．10000、0。为保证各闭环极点都离虚轴较远，选择校正零点为

6、．400，根轨迹如图3所示。卟、、999Ao§99o99o：§94,8o．9q、、、÷、、、：、、、：、i＼’、薹、“、由m‰go品1}、～一j～j、、I、Pola．．564札o“‰～j、、：辑KD、画hd蕊ot。8e+ooI6e+oolmpoo即“!粕孵时：矍：÷一一eort一-篙Gai9嚣：21．15I一，j二二二9莴鬻!m毒裂弼o7jjI，，粤：豢黼!Fmauene9#弑墨‘i融姑一7：iFmquen爨cy,(m撂札e。瓣)／24／I』／，jj州0,e99o99§o烽94o97实轴(1)图3：电流环校正零点为．400的根轨迹iq(A)l／厂yIiq(由『Iiq(

7、A)『t(s)0n∞50010015n02n∞50030．0350．0400450∞图4电流响应波形根据图3中所标注的分离点和汇合点，分别取增益5、15、30，给定电流为1A，0．025s加入单位阶跃反电势的电流响应波形分别如图4中a、b、C所示，性能指标如表1所示。本文中界定调整2中国航空学会控制与应用第十三届学术年会4．04时间和恢复时间的误差范围均为稳态值的士5％，动态降落为降落值相对稳态值的百分比。由图4和表1可以看出：当增大调节器增益时，响应的上升、恢复时间缩短，动态降落减小，超调量略有上升。表明电流调节器校正零点为．400时，保证了响应各