永磁同步电机控制系统仿真

测到的转 子 速 度 相 比 较 ， 经 速 度 控 制 器 的 调 节 ， 输 出 I 指 令信号 ( 电流控制器得给定信号 ) 。 同时 ， 经过 坐标变换后 ， 定子反馈的三相电流变为 id ， iq ， 通 过 电
流 控 制 器 使 id =0 ， iq 与 给 定 的 i*q 相 比 较 后 ， 经 过 电 流 调 节器的输出为 d,q 轴 的 电 压 ， 经 Park 逆 变 换 后 为
α、β 电 压 。 通 过 SVPWM 模 块 输 出 六 路 PWM 驱 动 IGBT ， 产生可变频率和幅 值的三相正弦电流 输 入 电
机定子 。
n
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3 PMSM 系统仿真
（3 ）
3.1
id=0 矢量控制系统的构成
它们就可以将 PSB 与 Simulink 连接到一起 。
块在 Simulink 和 PSB 之 间 起 到 了 桥 梁 的 作 用 ， 通 过 系统设计框图如图 3 所示 。 该控制系统主要由
以 下 几 个 部 分 组 成 ：主 电 路 部 分 （包 括 三 相 交 流 电
源 、 二 极 管 不 控 整 流 电 路 、 逆 变 电 源 模 块 ）， 电 路 检 测模块 （ 检测电机转速 ， 位 置 ）， 速 度 控 制 、 矢 量 变 换 及脉冲产生模块 ， 电机本体等 。 矢 量 变 换 与 脉 冲 产 生 电 路 是 PMSM 控 制 系 统 中的 核心 部 分 ， 其 子 电 路 如 图 4 所 示 。 该 电 路 模 块 有 三个输入 ， 即由 转 速 控 制 模 块 产 生 的 参 考 转 矩 信
所 围成的 6 个 扇 区 中 的 哪 一 个 扇 区 内 ， 并 可 计 算 出 该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量分别所占的 出逆变器驱动控制信号 SVPWM 信号以控制逆变器 。
Tem=pnψf iq
（4 ）
时间 ， 最后得出 DSP 的 3 个全比较寄存器 赋 值 ， 输 以 上 控 制 算 法 均 可 利 用 DSP 芯 片 的 软 件 来 完
PowerSystems （ 简 称 PSB ） 中 丰 富 的 模 块 库 ， 通 过 分
析 PMSM 数学模型的 基 础 上 ， 提 出 了 建 立 控 制 系 统
仿真模型的方法 。 在实际设计中 ， 虽 然 PSB 模 块 是
在 Simulink 基础 上 发 展 起 来 的 ， 但 PSB 中 的 模 块 与 提供的两类中间接口模块来实现这两种模块中信 号的 传递 ： 一类是电压 、 电流测量模块 ， 将 PSB 中的
服电动机的数学模型就类似于它励直流电动机的 由 图 2 可 知 ，永 磁 同 步 电 机 的 矢 量 控 制 系 统 由
四 部 分 组 成 :1. 位 置 、 速 度 检 测 模 块 ； 2. 速 度 环 ， 电 流 环 PI 控 制 器 ； 3. 坐 标 变 换 模 块 ； 4. SVPWM 模 块 和 逆 变 模 块 。 控 制 过 程 为:速 度 给 定 信 号 指 令 与 检
2
永磁同步电动机矢量控制基本原理 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 ， 按 磁 场定向坐标 ， 将 电 流 矢 量 分 解 成 产 生 磁 通 的 励 磁 电 流 分 量 id 和 产 生 转 矩 的 转 矩 电 流 分 量 iq ， 并 使 两 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 。
[1-3]
，在 现 代 交 流 伺 服 系 统 中,
诸如高性能机床进给 、 位 置 控 制 、 工 业 机 器 人 、 航 空 航天等众多领域得到了广泛应 用 。 随着适合于电机 控 制 的 专 用 数 字 信 号 处 理 器 (DSP) 的 出 现 ， 为 伺 服 系统采用先进的控制理论以及复杂的控制算法提 供了有力的支持 。
[4-6]
iq， 如图 1 所示 ， 这样 转 矩 和 被 控 量 定 子 电 流 之 间 的
关系就一目了然 。
本 文 基 于 永 磁 同 步 电 机 的 数 学 模 型 ，建 立 起 基 于 SVPWM 的 永 磁 同 步 电 机 的 矢 量 控 制 系 统 ， 采 用
Matlab/Simulink 这 一仿真工具对永磁同步电机矢量
! !
ud=Rsid+pψd-ωψq uq=Rsiq+pψq-ωψd ψd=Ldid+ψf ψq=Lqiq
（1 ） （2 ）
收稿日期 ：2010-04-07 作者简介 ： 邓干铭 ， 男 ， 福建上杭人 ， 实验师 ， 主要研究方向 ： 电机控制 。
28
电磁转矩方程为 ：
Tem=pn[ψdiq-ψqid]= pn[ψfiq+ （Ld-Lq）idiq]
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Simulink 中的 模块 大 多 不 能 直 接 连 接 ， 要 通 过 PSB
电 压 、 电 流 等 电 路 信 号 转 换 为 Simulink 可 接 受 的 信
号； 另一类是受控电压源、 受控电流源模块，将
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pO112334 PI
V
+
i
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v
++ + -
PI
- -----
i
+
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−1 Park -1
第 28 卷 第 5 期
龙
岩
学
院
学
报
Vol．28 No．5 October 2010
2010 年 10 月
JOURNAL OF LONGYAN UNIVERSITY
永磁同步电机控制系统仿真
邓干铭
（ 龙岩学院物理与机电学院 福建龙岩
364012 ）
摘要 ： 永磁同步电机广泛应用于生产和生活中 ， 而其控制系统一直是 研 究 该 种 电 机 的 难 点 所 在 ， 因此 ， 开展永磁同步电机的控制系统仿真研 究具有重要的理论意义 。 基于永磁同步电机 的数学 模 型 ， 建 立 了 基 于 SVPWM 的 永 磁 同 步 电 机 的 矢 量 控 制 系 统 ， 采 用 Matlab/Simulink 对 永 磁 同 步 电 机 矢量控制系统进 行研究 ， 并分析了控制系统的性能 ， 表明了系 统的仿真方法的有效性 。 论文工作可 为永磁同步电机的深入研究提供理论依据 。 关键词 ： 永磁同步电机 ； SVPWM ； 仿真 中图分类号 ： TM351 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1673 － 4629 (2010 ) 05 － 0028 － 04 矢 量 控 制 的 目 的 是 为 了 改 善 转 矩 控 制 性 能 ，而 最终仍然是对定子电流 is 的控制 。 由于在定 子侧的 各物 理 量 ，如 电 压 、电 流 、电 动 势 、磁 动 势 都 是 交 流 量 ，其 空 间 矢 量 在 空 间 以 同 步 转 速 旋 转 ，调 节 和 控 制都不容易 。 因 此 需 要 借 助 于 坐 标 变 换 ， 使 各 物 理 量从静止坐标系 转 换 到 同 步 旋 转 坐 标 系 ， 这 时 各 空 间矢量就都变成了直流量 。 电流矢量分解成 产生磁 通 的 励 磁 电 流 分 量 id 和 产 生 转 矩 的 转 矩 电 流 分 量
v
SVPWM
逆? 变? 器 3? 3 相?
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位 ?置 ? 与 ? 速 ? ? ? ? 度检测
c? ? ? chuagaun? ? ? ? ? 传感器信息 ? ? ? ? ?
PMSM PMSM
图2
矢量控制下的永磁同步 为 PSB 中 的 电 路 信 号 ， 这 两 类 模
成， 它不仅大大增加了系统设计的灵活性和可靠
性 ， 而且也 不 存 在 模 拟 器 件 的 特 性 漂 移 和 偏 差 ， 因 此在速度和精度方面远远优于模拟 系统 。 因此永磁 同步伺服电动机的全数字化是发展的必然 趋势 。 基于 Matlab/Simulink 的 PMSM 系统模型
3.2
在 Matlab7.0 的 Simulink 环 境 下 ， 利 用 Sim－
控制系统进行研究 , 并分析了控制系统 的 性 能 。 结 合系 统 设 计 和 验 证 需 求,通 过 仿 真 软 件 实 现 系 统 的 前期规划、中期设计以及后期 验 证,将 有 效 缩 短 产 品研发周期 , 大大提高产品 开发效率 。 图1 转矩和被控量定子电流之间的关系
假 设 永 磁 同 步 电 机 具 有 正 弦 反 电 动 势 ，其 定 子 电压 、 电流也 为 正 弦 波 形 。 假 设 忽 略 电 机 铁 心 的 饱 和 ；不 计 电 机 中 的 涡 流 和 磁 滞 损 耗 ，转 子 上 没 有 阻 尼绕组 。 在 d-q 坐标系中 ， 可以得到 PMSM 电 压和 磁通方程为 ：