永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书.doc
双闭环永磁同步电机矢量控制仿真研究
TECHNIQUE RESEARCH双闭环永磁同步电机矢量控制仿真研究Research on Vector Control Simulation of Double Closed Loop Permanent MagnetSynchronous Motor大连交通大学电气信息工程学院严航 (Yan Hang) 唐明新(Tang Mingxin) 聂启鹏(Nie Qipeng)永磁同步电机因其运行稳定、体积小、结构灵活等优点，在空调压缩机、电梯传动、船舶推进以及电动汽车领域都有着越来越广泛的应用。
在此根据永磁同步电机的结构，通过数学模型对永磁同步电机进行描述，并在Matlab/Simulink中搭建了一种用于汽车能量回收的矢量控制模型。
采用空间矢量脉宽调制技术和速度、电流双反馈的方式，控制永磁同步电机恒转速输出。
同时该双闭环永磁同步电机矢量控制能够在高性能电机驱动控制系统方面提供一定的指导意义。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；电动汽车；MATLAB/Simulink软件Abstract: Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is widely used in air-conditioning compressor, elevator drive, ship propulsion and electric vehicle because of its stable operation, small size and flexible structure. Accordi ng to the structure of permanent magnet synchronous motor, the permanent magnet synchronous motor is describ ed by mathematical model, and a vector control model for vehicle energy recovery is built in MATLAB/Simulink. The output of permanent magnet synchronous motor (PMSM) at constant speed is controlled by space vector pulse wi dth modulation (SVPWM) and double feedback of speed and current. At the same time, the vector control of doub le closed-loop permanent magnet synchronous motor can provide guidance for high performance motor drive con trol system.Key words: Permanent magnet synchronous motor; Vector control; Electric vehicle; MATLAB/Simulink software 【中图分类号】TM743【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2019）05-0072-061 引言当今时代，全球气温变暖、生物多样性的锐减及雾霾的肆虐使得环境保护成为人们关注的大问题。
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。
永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真
摘要本文首先简要介绍了正弦波永磁同步电动机（PMSM）的结构特点和数学模型，在此基础上阐述了永磁同步电动机矢量控制的思想和自控变频调速方法。
着重介绍了正弦波脉冲宽度调制（SPWM），电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）和电压空间矢量PWM（SVPWM）三种控制技术，并分别给出了基于这三种变频控制技术的永磁同步电动机矢量控制双闭环调速系统的Simulink仿真模型。
应用PID控制器设计方法进行系统参数整定，并进行动态仿真分析校正，最终达到了较为理想的稳、动态性能指标。
其中着重分析了转速微分负反馈在双闭环调速系统中抑制超调、改善动态性能和增强抗扰性能的作用。
关键词：永磁同步电动机矢量控制 SPWM CHBPWM SVPWM 仿真AbstractFirstly,this paper briefly describes the structural features of Sinusoidal Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) and it’s mathematical model.Then elaborating the theory of the Vector control and the method of Controlled frequency.It presents three control technology of SPWM,CHBPWM and SVPWM.It also gives the simulation model of double closed-loop control system of PMSM.We design the parameters of PID while simulating.Finally,we achieve the ideal performances of the system.It mainly analysises funtion of controlling overshoot and improving performances of the differential negative feedback of speed.Key words:PMSM Vector Control SPWM CHBPWM SVPWM Simulation目录摘要 (I)1 引言 (1)2 永磁同步电动机的数学模型 (1)2.1 永磁同步电动机的简介 (1)2.2 矢量控制原理 (2)2.2.1 矢量控制的基本原理 (2)2.2.2 矢量控制中的坐标变换 (2)2.2.3 矢量控制的磁链定向方式 (3)2.3 永磁同步电动机在dq0坐标系下的数学模型 (3)3 同步电动机变压变频(VVVF)调速系统 (4)3.1 同步电动机变压变频调速的特点及基本类型 (4)3.2 永磁同步电动机自控变频调速系统 (5)4 永磁同步电动机矢量控制调速系统Matlab/Simulink仿真 (6)4.1 基于SPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2 基于CHBPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (6)4.2.1 电流滞环跟踪PWM（CHBPWM）控制技术 (6)4.2.2 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (7)4.2.3 CHBPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (9)4.3 基于SVPWM技术的PMSM矢量控制调速系统 (15)4.3.1 电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术 (15)4.3.2 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统仿真模型 (20)4.3.3 SVPWM-PMSM矢量控制调速系统性能分析 (21)4.4 本章小结 (22)5 总结与展望 (23)参考文献 (24)永磁同步电动机矢量控制调速系统Simulink仿真1 引言随着技术的飞速发展，人们的生活水平提高，各种自动化调速系统在人们生产生活中的应用不断增多，且使用环境也日益复杂，直流调速系统由于其结构复杂、制造困难、成本高等缺点日渐难以满足各种生产生活的要求。
《机电系统建模与仿真》实验指导书(研究生)
《机电系统建模与仿真》实验指导书王红茹编写适用专业：机械工程________________________科技大学机械工程学院2015 年 11 月实验一：多闭环直流伺服系统仿真分析实验学时： 2实验类型：综合实验要求：必修一、实验目的1.掌握运用 MATLAB/Simulink 进行多闭环伺服控制系统仿真分析的方法。
二、实验容及原理主要针对工程领域常用的自动控制系统－－双闭环控制系统进行建模与仿真实验，并对其原理进行详细介绍。
采用 PI 控制器的转速负反馈单闭环调速系统能在系统稳定的前提下实现转速无静差，但不能满足调速系统对动态性能要求较高时的场合，且对扰动的抑制能力也较差。
双闭环调速系统是在单闭环调速的基础上，将转速和电流分开控制，分别设计转速、电流两个控制器，且转速控制器的输出作为电流控制器（环）的给定输入，从而形成转速、电流双闭环控制。
这种双闭环调速系统是直流调速的一种典型形式。
以双闭环 V-M调速系统为例，介绍运用 MATLAB/Simulink 进行双闭环控制系统动态分析的方法。
双闭环V-M 调速系统的结构如图 1.1 所示。
图中，直流电机参数： P nom10kW ， U nom220V ， I nom53.5A ， n nom1500r / min ，电枢电阻R a0.31，系统主电路总电阻R 0.4，电枢回路电磁时间常数T a0.0128s ，机电时间常数 T m0.042s；三相桥平均失控时间T s0.00167 s ，触发器放大系数K s30 ；电流反馈系数 K i0.072V / A ，电流环滤波时间常数T oi0.002s ；转速反馈系数 K t0.0067V min/ r ，转速环滤波时间常数T on0.01s 。
.专业资料 ... .. ..电流环滤波电流反馈系数扰动信号1K iT oi s131 -I i+R11 +P i+4 T on s 1I n 1sK s1 / R aT m sC e给定P n++-电机 转速环sT oi s 1电流T s s T a s 1传动 电势 信号--1转速滤波平衡转速 电流环调节器装置系数可控硅电机-调节器 滤波平衡2整流器电枢1K tT on s 1转速环滤波转速反馈系数图 1.1 双闭环 V-M 调速系统的动态结构图①电流环、转速环选型原则。
永磁同步电机矢量控制matlab仿真
永磁同步电机矢量控制matlab仿真永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）的矢量控制（也称为场向量控制或FOC）是一种先进的控制策略，用于优化电机的性能。
这种控制方法通过独立控制电机的磁通和转矩分量，实现了对电机的高性能控制。
在MATLAB中，你可以使用Simulink和SimPowerSystems库来模拟永磁同步电机的矢量控制。
以下是一个基本的步骤指南：1.建立电机模型：使用SimPowerSystems库中的Permanent Magnet SynchronousMachine模型。
你需要为电机提供适当的参数，如额定功率、额定电压、额定电流、极对数、转子惯量等。
2.建立控制器模型：矢量控制的核心是Park变换和反Park变换，用于将电机的定子电流从abc坐标系变换到dq旋转坐标系，以及从dq坐标系变换回abc坐标系。
你需要建立这些变换的模型，并设计一个适当的控制器（如PI控制器）来控制dq轴电流。
3.建立逆变器模型：使用SimPowerSystems库中的PWM Inverter模型。
这个模型将控制器的输出（dq轴电压参考值）转换为逆变器的开关信号。
4.连接模型：将电机、控制器和逆变器连接起来，形成一个闭环控制系统。
你还需要添加一个适当的负载模型来模拟电机的实际工作环境。
5.设置仿真参数并运行仿真：在Simulink的仿真设置中，你需要设置仿真时间、步长等参数。
然后，你可以运行仿真并观察结果。
6.分析结果：你可以使用Scope或其他分析工具来查看电机的转速、定子电流、电磁转矩等性能指标。
这些指标可以帮助你评估控制算法的有效性。
请注意，这只是一个基本的指南，具体的实现细节可能会因你的应用需求和电机参数而有所不同。
在进行仿真之前，建议你仔细阅读相关的文献和教程，以便更好地理解永磁同步电机的矢量控制原理。
永磁同步电机矢量控制系统仿真研究
永磁同步电机矢量控制系统仿真研究摘要：随着电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，永磁交流调速系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统等高科技领域中占据了日益重要的地位。
永磁同步电动机具有能量转换效率高、体积小，运行可靠性高、调速范围广，动、静特性好等优点，这使得永磁同步电动机技术得到了迅速发展。
PWM控制技术从最早追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到磁通正弦，得到了不断创新和完善。
本文是在此基础上，参照了众多学者的研究，对永磁同步电机进行了矢量控制的研究，并通过建立仿真模型，对矢量控制下永磁同步电机进行仿真，并对结果进行分析。
关键词：永磁交流调速，PWM控制技术，永磁同步电动机1 PMSM数学模型介绍精确的电机数学模型是电机控制理论得以研究与实现的基础，因此首先给出三相永磁同步电动机数学模型。
推导前作如下假设：1）定子三相绕组对称，Y型连接；2）反电动势正弦；3）铁磁部分磁路线性，即不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；4）转子无阻尼绕组，永磁体没有阻尼作用；PMSM在a-b-c坐标系统中电压方程用矩阵形式表示为：（1）其中定子电枢相电阻；、、定子绕组端电压瞬时值；、、定子绕组相电流瞬时值；、、磁链瞬时值；微分算子，。
PMSM定子绕组电感系数是转子位置角的函数，其电压方程、磁链方程都是含有时变系数的微分方程组，在分析PMSM工作过程时用解析法求解时变系数方程组是比较困难的，需要采取数值法求解，不便于工业控制应用。
因此采用park变换矩阵，将PMSM数学模型变换到固定在其转子上的两相旋转坐标系d-q坐标系中，将上述含时变系数的微分方程组变换为易于求解的常系数微分方程组，这对于分析PMSM动态过程和稳态过程都是十分有意义的。
从而得到建立在dq旋转坐标中和三相静止坐标中电机模型之间具有如下关系：（2）（3）PMSM中定子绕组一般为无中线的Y型连接，固。
12-永磁同步电机双闭环调速系统设计
课程设计任务书
系别：
机电学院
专业：
10电气
学 生 姓 名：
学 号：
课程设计题目：
永磁同步电机双闭环调速系统设计
起迄日期:
6月17日~6月28日
课程设计地点:
电机与拖动控制实验室
指导教师:
计 任 务 书
1．本次课程设计应达到的目的：
通过本次课程设计，让学生巩固所学的电力拖动自动控制系统的相关内容，加深对控制理论在电力拖动调速系统中应用的理解，并学会将所学的知识应用到实际中，达到在应用中掌握知识的目的。
6月17日
6月17日~18日
6月19日~22日
6月23日~25日
6月26日~28日
6月28日
下达任务书
完成原理设计
原理验证
安装调试
撰写设计报告
课程设计答辩
教研室主任审查意见：
负责人签字：年月日
（3）能实现起停、正反转等控制，有必要的保护和制动措施。
课 程 设 计 任 务 书
3．对本课程设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
（1）选定供电方案；
（2）设计主电路，选择主电路的参数；
（3）设计整流器的相控触发电路；
（4）设计保护电路及计算其相关参数。
（5）编写设计说明书，包括：①设计过程和有关说明；②系统电路图；③控制程序（或流程图）；④电气元器件的选择和有关计算；⑤电气设备明细表；⑥参考资料、参考书及参考手册；⑦其他需要说明的问题，例如操作说明书、程序的调试过程、遇到的问题及解决方法、对课程设计的认识和建议等。
4．主要参考文献：
1陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002
双闭环直流电动机调速系统仿真课程实验指导书
ns 1 ns
（13）
式中 Kn—电流调节器的比例系数；
n —电流调节器的超前时间常数。
转速开环增益 按照典型Ⅱ型系统的参数选择方法， （ T n 2T i Ton ） n hT n ，
KN h 1 2h 2Tn 2
KN
a，确定时间常数
整流装置滞后时间常数 Ts 按表 1，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.00167s。 电流滤波时间常数 Toi=0.005s。 电流环小时间常数 Ti 取 Ti Ts Toi 0.00167 0.005 0.00667s 。
b，选择电流调节器结构
电流调节器选择 PI 型，其传递函数为
三、 实验步骤 1、系统建模
A．控制对象的建模 建立线性系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）根据系统中各环节的物理定律，列写描述据该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递函数；
（3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。 下面分别建立双闭环调速系统各环节的微分方程和传递函数。 B．额定励磁下的直流电动机的动态数学模型 图 1 给出了额定励磁下他励直流电机的等效电路，其中电枢回路电阻 R 和电感 L 包含整流装置内阻和平波电抗器电阻与电感在内，规定的正方向如图所示。
按小时间常数近似处理，取 Tn 2Ti Ton 0.01334 0.005 0.01834s 。
b，选择转速调节器结构
由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按 典型Ⅱ型系统设计转速环。故 ASR 选用 PI 调节器，其传递函数为
WASR ( s ) K n
WACR ( s ) K i
is 1 is
永磁同步电机转速电流双闭环控制系统研究
永磁同步电机转速电流双闭环控制系统研究0 引言随着永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机得到了广泛的应用。
建立永磁同步电机控制系统的仿真模型，对验证各种控制算法，优化整个控制系统具有十分重要的意义。
本文运用模块化的思想，借助Simulink的仿真建模，将整个控制系统分成几个独立的模块：坐标变换模块、本体模块、SVPWM矢量调制模块和电压逆变模块。
并对这些模块进行有机整合，搭建出控制系统的仿真模型。
1 坐标变换模块：坐标变换模块的目的是将同步电机的定子相电流变换到与i1、i2同步的旋转坐标系中。
与参考输入相比较，得到的偏差作为电流调节器（PI）的输入。
2 SVPWM调制模块：空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM），以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准，用逆变器的8 种开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，使电机获得幅值恒定的圆形磁场（正弦磁通），从而达到较高的控制性能。
SVPWM 方法通过8 个基本空间矢量中两个相邻的有效矢量及零矢量，并根据各自作用时间不同来等效电机所需的空间电压矢量。
3 Universal Bridge（电压逆变模块）模型：逆变器对BLDC来说，首先是功率变换装置，也就是电子换向器，每一个桥臂上的一个功率器件相当于直流电动机的一个机械换向器，还同时兼有PWM电流调节器功能。
对逆变器的建模，采用Simulink的SimPowerSystem工具箱提供的三相全桥IGBT模块。
由于在Matlab中SimPowerSystem工具箱和Simulink 工具箱不是随便可以相连的，中间必须加上受控电压源（或者受控电压源、电压表、电流表）。
逆变器根据电流控制模块所控制PWM信号，顺序导通和关断，产生方波电流输出。
4 永磁电机本体模块：该模块完成转子角速度、转子位置角和电磁转矩的计算，将0到无穷的角度转换成-180到180度的角。
然后通过角度选择确定转角作用的有效角度。
6 仿真结果：对搭建的基于PMSM 控制系统模型进行仿真试验。
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验24、SIMULINK建模我们借助SIMULINK，根据上节理论计算得到的参数，可得双闭环调速系统的动态结构图如下所示：图7 双闭环调速系统的动态结构图（1）系统动态结构的simulink建模①启动计算机，进入MATLAB系统检查计算机电源是否已经连接，插座开关是否打开，确定计算机已接通，按下计算机电压按钮，打开显示器开关，启动计算机。
打开Windows开始菜单，选择程序，选择MATAB6.5.1，选择并点击MATAB6.5.1，启动MATAB程序，如图8，点击后得到下图9：图8选择MATAB程序图9 MATAB6.5.1界面点击smulink 中的continuous,选择transfor Fc n（传递函数）就可以编辑系统的传递函数模型了，如图10。
图10 smulink界面②系统设置选择smulink界面左上角的白色图标既建立了一个新的simulink模型，系统地仿真与验证将在这个新模型中完成，可以看到在simulink目录下还有很多的子目录，里面有许多我们这个仿真实验中要用的模块，这里不再一一介绍，自介绍最重要的传递函数模块的设置，其他所需模块参数的摄制过程与之类似。
将transfor Fc n（传递函数）模块用鼠标左键拖入新模型后双击transfor Fc n（传递函数）模块得到图11，开始编辑此模块的属性。
图11参数表与模型建立参数对话栏第一和第二项就是我们需要设置的传递函数的分子与分母，如我们需要设置电流环的控制器的传递函数：0.01810.0181()0.2920.0180.062ACR s s W s s s++=⋅=，这在对话栏的第一栏写如：[0.018 1]，第二栏为：[0.062 0]。
点击OK ，参数设置完成。
如图12。
图12传递函数参数设置设置完所有模块的参数后将模块连接起来既得到图7所示的系统仿真模型。
在这里需要注意的是，当我们按照理论设计的仿真模型得到的实验波形与理想的波形有很大的出入。
永磁同步电机矢量控制系统仿真实验设计
永磁同步电机矢量控制系统仿真实验设计
周晓华，蓝会立，王 晨，张 银，杨 叙，廖凤依，吴国强
（广西科技大学 电气与信息工程学院，广西 柳州 545616）
摘 要：利用 Matlab/Simulink 仿真平台建立了永磁同步电机的电流滞环跟踪调制矢量控制系统和 SVPWM 调制
矢量控制系统的仿真模型，给出了相关模型参数。针对永磁同步电机负载起动、参考转速变化、负载转矩变化等
情形，开展了两种永磁同步电机矢量控制系统的仿真实验教学。实验结果与理论推导一致，验证了所建立仿真模
型的正确性。
关键词：永磁同步电机；矢量控制；电流滞环跟踪调制；SVPWM 调制；仿真实验
中图分类号：TM921
文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2020)01-0126-06
Design on simulation experiment of vector control system for permanent magnet synchronous motor
127
子电流分量；ψf 为转子永磁励磁磁链。 定子电压方程为
ud Rsid p d q uq Rsiq p q d
（2）
式中：ud、uq 分别为 d、q 轴定子电压分量；Rs 为定子 电阻；p 为微分算子；ω 为转子角速度。
电磁转矩方程为
Te pn ( d iq qid )
平台，设计了永磁同步电机电流滞环跟踪调制矢量控 制 和 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 （ space vector pulse width modulation，SVPWM）矢量控制的仿真实验。通过电 机起动、参考转速及负载转矩变化等动态过程的仿真 实验教学，激发了学生的学习兴趣，加深了学生对永 磁同步电机矢量控制系统的理解和应用，提高了教学 质量。
永磁同步电机系统仿真
转矩与电流成正比关系 永磁同步电机系统的转矩与电流的相位差有关 转矩和电流的调节可以通过控制算法实现 了解转矩和电流的关系有助于优化电机性能
电压方程：描述电机的电压与 电流之间的关系
磁链方程：描述电机的磁链与 电流和磁通之间的关系
转矩方程：描述电机的转矩与 电流和磁通之间的关系
运动方程：描述电机的转速与 转矩和电机参数之间的关系
添加标题
常见仿真软件：ANSYS Maxwell、COMSOL Multiphysics、FEMM等
添加标题
适用场景：ANSYS Maxwell适用于电磁场仿真，COMSOL Multiphysics适用于多物理场耦合仿真，FEMM 适用于电机电磁场仿真
添加标题
精度和稳定性：ANSYS Maxwell和COMSOL Multiphysics精度较高，稳定性较好，而FEMM适用于简单模 型仿真，精度和稳定性相对较低
永磁同步电机系统 仿真的应用和发展 趋势
工业自动化：用于控制机器人、自动化生产线等 新能源汽车：作为驱动电机，提高能效和性能 航空航天：用于控制无人机、卫星等高精度设备 医疗器械：用于精密手术器械的控制和操作
添加 标题
高效能：随着技术的进步，永磁同步电机系统 的仿真将更加高效，能够更快地得到精确的结 果。
永磁同步电机系统 的仿真软件
Simulink：用于动态系统建模和仿真，支持多种永磁同步电机模型 FEMTO-ST MCU：专门用于电机控制系统的仿真，包括永磁同步电机 dSPACE：实时仿真系统，可用于永磁同步电机控制算法的验证 MATLAB/Simulink：电机控制系统设计和分析工具，适用于永磁同步电机仿真
永磁同步电机系统仿 真
汇报人：XX
目录
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验
“双闭环控制直流电动机调速系统”数字仿真实验一、引言1.直流电机调速系统概述直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。
直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。
直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。
直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。
本实验的题目是双闭环直流电机调速系统设计。
采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。
由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。
而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。
所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。
转速、电流双闭环控制直流调速系统根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。
基于实验题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。
本实验的重点是设计直流电动机调速控制器电路，实验采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
双闭环永磁同步电机伺服系统 仿真算例
双闭环永磁同步电机伺服系统一．系统介绍译文：这个算例使用的永磁同步电机（1.1KW，3000rpm）由转速闭环和电流闭环共同控制。
电路描述:这台三相电机由脉宽调制逆变器来供电，电机额定值是1.1kw,220v,3000rpm.脉宽调制逆变器完全由标准simulink模块建立。
它的输出通过受控电压源作用与永磁同步电机的定子绕组。
作用到电机转轴的负载转矩初始值设置为3n.m 在0.04秒时，跳变为1n.m。
两个控制环被使用，内环是用来稳恒电机的定子电流的，外环是控制电机的转速的。
观察定子电流的波形是很“吵杂”的，这是使用脉宽调制变频调制可以预料到的。
当负载在0.04s减小时，电流的幅值也减小了。
由PWM产生的噪声同样可以在电磁转矩的波形中看到，然而电机的惯性阻止了它出现在转速的波形中。
二．系统电路元件简介（从左至右）1.转速给定模块 700rpm2.比较器3.PI调节器4.低电平输入模块5.矢量运算器6.电流跟踪式PWM逆变器7.电压测量元件8.负载转矩信号输入模块9.永磁同步电机10.电机测试信号分配器11.信号放大器双闭环回路包括：三相定子电流反馈环，转速反馈环。
由于转子角位移反馈环参与的是矢量控制，并不直接控制电机运行，因此它不再算作第三个独立的闭环。
三．重要模块介绍对于上述的11个模块，相信大家对1，2，3，4，7，9，11都能根据已学的专业知识很直接的理解，所以这里不再重点介绍了。
下面要重点介绍的是大家比较陌生的以下四个模块：5.矢量运算器 6.电流跟踪式PWM变频器 8.负载转矩信号输入模块 10.电机测试信号分配器。
其中更为重要的是：矢量运算器和PWM 变频器。
由于本系统采用了矢量控制技术和变频调速，所以它们是这个系统的两个核心控制元件，也是这个算例的难点。
矢量运算器（dq2abc）:它的左侧有四个输入端，从上至下分别是：交轴电流输入端(iq)，直轴电流输入端（id），零序电流输入端（i0）,转子角位移输入端（the）。
永磁同步电动机两种矢量控制方式的仿真研究
2 转子磁场定向下的永磁同步电动机数学模型
永磁同步电动机是交流同步调速系统的主要环节，分 析其数学模型对把握其调速特性尤为重要。取转子永磁体基 波励磁磁场轴线为 d 轴，q 轴顺着旋转方向超前 d 轴 90 度 电角度，dq 轴系随同转子以电角度ωr 一道旋转，它的空间 坐标以 d 轴与参考轴 as 间的电角度θr 来表示，则理想永磁
通过 MATLAB 语言中的 Simulink 和 Power System Block 模块建立了控制系统的仿真模型，并将
得出的仿真结果进行了分析比较。
关键词: 永磁同步电机; 矢量控制; 仿真
中图分类号：TP391.9
文献标识码: A
Simulation of Permanent Magnet Synchronous Motor Using Two Vector Control Methods
PMSM 测量
图 5 转子磁场定向前馈型矢量控制电路仿真
4.3 永磁同步电机反馈型矢量控制
反馈型矢量控制又名直接型矢量控制，这类控制系统 也有多种组成方案，图 6 仅是其中一种方案的 MATLAB 仿真模型。图中最关键的部分是磁通运算器，用 simulink 建立了磁通运算器模块如图 7 所示。根据永磁同步电机在 同步旋转 d,q,0 坐标系中的电压方程，将检测到得两相定 子电流和电压用于计算磁链参数，于是可以得到 d,q,0 坐 标系的磁链ψ d 和ψ q ，经过矢量合成可以得到全交链磁通
GU Guang-xu, DENG Zhi-quan
(Department of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224003, China)
调速永磁同步电动机优化设计与矢量控制系统联合仿真
• 对表贴式永磁同步电动机采用id=0控制策略时的SVPWM 矢量控制系统进行了仿真，通过 Maxwell/Rmxprt、 Simplorer 以及 Matlab/Simulink 三个软件进行联合仿 真可以更准确的检验电机设计方案的在整个控制系统中的 性能表现，同时也有助于实现控制算法的仿真设计，具有 很大的实际意义。
– g1-g6逆变器6个 IGBT的开关信号以 及负载转矩 load ， 设置为 From Simulink。
• 3.3 Simulink下的设置
– 表贴式永磁同步电动机最常见的控制方式是转子磁场定向 的矢量控制，常见的控制策略是id=0控制，电机的转子装 有编码器，用来检测电机的d轴位置与A轴之间的夹角和转 速，速度的给定值与反馈值输入转速环PI调节器，输出q轴 电流的给定值isq，isq输入到电压前馈单元计算定子电压d、 q轴分量Usd、Usq，电流环PI调节器输出值与电压前馈单 元输出值相加，再经过反Park变换后得到两相静止坐标系 下的给定值Uα、Uβ，用来实现SVPWM算法。
• 转矩与转子角度仿真结果
• 定子三相电流仿真结果
4. 全文总结
• 利用 RMxprt 中的 Optimization工具，以齿槽转矩最小 化为目标进行了最优化求解，得到了永磁电机齿槽转矩最 小时的设计方案，这一过程十分便捷， Optimization 工 具在电机的优化设计中具有非常大实际价值；
L(PhaseC,PhaseC) Setup1 : Transient
-0.4876 3.1521 -0.4812 -0.4841 -0.4812 3.1669
永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书
题目1永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验目的1. 加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理2. 掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法1. 永磁同步电机双闭环控制系统建模2. 电流控制器设计3. 电流环动态跟随性能仿真实验4. 转速控制器设计5. 转速环抗负载扰动性能仿真实验6. 给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论三.预习内容注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索Simulink 的启动 在 MATLAB^键入 >>Simulink ，进入 Simulink library , 2014版本的可直接点击MATLAB^面上的Simulink library ，在Simulink 界面 上选择File->New->Model 。
如图1所示：图1 Simuli nk 界面在Simulink —级标题下点击source 将step （阶跃函数）拖入空白文件作为实验要求：一二|一=二二fa-frw|wir-I4MVUMWil^nl转速给定，也可用两个ramp 函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图 2：图2转速给定在Simulink —级标题下点击 Ports & Subsystems 选择Subsystem 放入空 白文件并双击，删除In1和Out1的连线，如图3：图3子函数模块选择 Simulink>Continuous 下的 integrator 、Simulink>discontinuous 下 的 Saturation 、Simulink>math operation 下的 gain 和 Add,连好线后保存并 返回，作为PI 调节器，其中saturation 可设置上下限为100和-100，如图4：EOE1㈢』SRfflECvmvpl> DtocvK 白■tihing ZjBnzFirbJRM □UoTtrt«|iE «I4 *1Q WBMAO Lwtttfi Tjt.«i^rT^ihcp击<4 世更jHirz 詡n*胛―5dnu ^QIFEVt -^ti -Zcrh±d F jTKlicjniBkK>»4C^n-ndrii ：.4liE<kk-却 wjn 1 Contwlir Vna^ 3戸tsnr CortnJ &ysJer "ibbhm Wljrfh?rfiTMiKa ；K N II I 士Mrt 11UHLrteddbl Z Edfer VlhECV L 榔 Tge乜虹Hl Bcckl^l PDLCrtVEZ3Enizi ■tuiMrtrtefT!>ooSTm-i一二upFr/fi -derailbCcriQ^tJeT Jfl - 'X J ^^jk>-3iii —印心皿One»3to*MWHIfNFAB4BS^WfW图4 PI 子函数模块设置此PI 调节器输出结果作为lq 的电流给定，同样方法得到一个 PI 调节器， 输出结果作为电压给定，并设置 saturation 上下限为380和-380, Simulink 下 math operation 选择sum 双击并修改第二个“ +”为“-”，如图5：图5转速和电流反馈PI 调节选择Simulink>Ports & Subsystems 下的Subsystem 拖入并双击进入子系 统，并添加2个In1和1个Out1如图6：图6接口模块Simulink>math operation 下选择 Trigonometric Function 、Product 、Subtract 、Add 加入文件，设置好后保存并退出，作为逆 Park 变换，如图7：st&pl. ---------------- ------------------ Im* CJutl ■ -------- —Ini Outl pPIPillr Lith>-flry BrO-^S-e*1 列«.—■ 二 i和応 Edm W l^lp忸口■ CH T *・M 亠LMIWC1k'toW^ ^nidFlnlu*drb A SdEn-^alcrTa-H H M . J F » lilGF } r ■«!P弭―iLCcrrarKir V Ll.«d SteEica £40141*1 Uh I DfSt^rrimbLDQk ： dr - El£ JpM-dbMliS- L&fl TkAHH' ■It' Opiaanibar s IM (M >E 磺Mictun LW 匪」■兀济常!IBBff m WflW -------------Si[|ru AIZ.-|Qu££-l HDW N&uipg 5ankH SKMJrr-.es&忙iVil Fu'^fiiW 4 Zd*n. 朗・h ■□■rzr -vta0i4eM4*iCamr —u ncabc: na. Spvfji m "Ik f&ffvUh ■- V'MvH- ^yKtairi CflsfWW &W*H1 T M I WK &&P台戸TboSwK P-plB E-rnh*didKd C«larLs^lcOdufe4 Bio<：l-tM H0L CKteT "OL iris** AcQMiLiUDni T IHMDCFJI . Hi-lfirfm«Ht C-Mtra TtMtENK il (!d«l R^CHI "DntTii E 昭hM^Ek ： O0C TitBtoQHW:：“-Tfr£ 询山|3口占・口『口 寸• iDFloS^»VI 4HEu u jullu-»>Caii3^M¥«WH■YiiwnSillily* j*iT1OL ：1Ei£flM 33- Z-JIH! A&- I HJ *恥enm 忻图7反Park变换再生成一个PI调节器，作为d轴电流调节器，Simulink>source中选择constant 并设置为0,如图8:图8静止坐标系电压生svpwm模块建立过程过于复杂，可参考文献[1][2]，只列出总体框图如图9和图10,其中Ts为开关周期，Udc为直流母线电压。
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题目 1：永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真
一．实验目的
1．加深理解永磁同步电机矢量控制系统的工作原理
2．掌握永磁同步电机驱动系统仿真分析方法
二．实验要求：
1.永磁同步电机双闭环控制系统建模
2.电流控制器设计
3.电流环动态跟随性能仿真实验
4.转速控制器设计
5.转速环抗负载扰动性能仿真实验
6.给出仿真实验结果与理论分析结果的对比及结论
三．预习内容
注：以下所有找不到的器件均可以通过搜索框搜索
Simulink的启动在MATLAB中键入>>Simulink，进入Simulink library，2014 版本的可直接点击MATLAB界面上的 Simulink library，在Simulink界面上选择 File->New->Model 。
如图 1 所示：
图 1 Simulink界面
在 Simulink一级标题下点击source 将 step( 阶跃函数 ) 拖入空白文件作为
转速给定，也可用两个ramp 函数相减，使转速缓慢达到预定转速，如图2：
图2 转速给定
在 Simulink一级标题下点击Ports & Subsystems 选择Subsystem 放入空白文件并双击，删除In1 和 Out1 的连线，如图 3：
图3 子函数模块
选择 Simulink>Continuous下的integrator、Simulink>discontinuous下的 Saturation、Simulink>math operation下的gain和Add，连好线后保存并返回，作为 PI 调节器，其中 saturation可设置上下限为100和-100，如图4：
图 4 PI 子函数模块设置
此 PI 调节器输出结果作为 Iq 的电流给定，同样方法得到一个 PI 调节器，输出结果作为电压给定，并设置saturation 上下限为380 和-380 ，Simulink 下math operation 选择 sum双击并修改第二个“ +”为“ - ”，如图 5：
图 5 转速和电流反馈PI 调节
选择Simulink>Ports & Subsystems 下的Subsystem 拖入并双击进入子系统，并添加 2 个In1 和 1 个 Out1 如图6：
图6 接口模块
Simulink>math operation下选择Trigonometric Function Subtract 、Add加入文件，设置好后保存并退出，作为逆Park
、Product 、变换，如图 7：
图 7 反 Park 变换
再生成一个 PI 调节器，作为 d 轴电流调节器， Simulink>source 中选择constant 并设置为 0，如图 8：
图 8 静止坐标系电压生
svpwm模块建立过程过于复杂，可参考文献 [1][2] ，只列出总体框图如图 9 和图10，其中 Ts 为开关周期， Udc 为直流母线电压。
图 9 SVPWM生成结构
图 10 SVPWM生成模块
三相桥模块：早期版本 MATLAB选择 SimPowerSystems>specialized Technology>Power Electronics 文件下的 Universal Bridge （ ATTENTION：这
一步不在 Simulink一级标题下，往下寻找）, 2014 SimPowerSystems> Technology>Power Electronics, 版本在 Simscape>
找不到可以在搜索框中
输入对应器件名称搜索。
直流母线电压源： SimPowerSystems>specialized Technology>Electrical sources 选择 DC voltage source ，电压设置为 530V，如图 11：
图 11 三相桥模块
添加 PM电机模块：SimPowerSystems>specialized Technology>Machines 选择 Permanent Magnet Synchronous Motor,在添加Step信号作为转矩输入，暂
时设置为 0，如图 12：
图 12 PMSM电机模块设置
选择 Simulink>Signal routing下的Bus selector，PMSM上的m连接到Bus selector 上的输入端，双击Bus selector,选择Signals in the bus下的项，点击中间的 select ，可以全部添加。
如图13：
图 13 输出参数设置
选择 Simulink>Signal routing下的Mux,双击将数字改为3，将 Bus selector 输出端的 A BC相电流连接到 Mux的输入端，如图，并选择simulink>Sink 添加示波器 Scope 观测电流 , 如果需要查看波形的 FFT，双击scope>parameters>history, 去掉 limit data point to last 并勾选 save data to workspace 如图 14:
图 14 电流解耦
Clark 变换： simulink>Ports& Subsystems 选择加 Mux 和 DeMux，user-defined Functions选择Fcn,
Subsystem，双击进入添其中 Iabc 为三相电流，
设置如图15：
图 15 Clark 变换参数设置
Park 变换：Clark 变换的输出 Ia 、Ib 和电机的 theta 角作为 park 变换的输入，需要添加 Mux模块，其中 Function 设置如图 16 所示：
图 16 park 变换参数设置
双击点击模型 , 点击 parameter 选项 , 根据设置的电机极对数选择对电机转
子输出的机械角度乘以极对数得到电角度 , 如图 17 红色圈所示 . 电机为感性负
载 ,Clark 电流变换的角度有 90°相位差 , 所以需要减去 90 度.
Simscape>SimpowerSystem>specialized Technology 选择 powergui 添加到仿真图中，最终仿真图如图 17 所示：
图17 总体框图
仿真参数设置 Simulation>model configuration parameters，仿真步长可以设置为定步长或者变步长，定步长，此处设置为开关周期的一百分之一即
1/600000 ，变步长可以设置最大步长为开关周期的百分之一，在不同步长情况下查看仿真结果:
图 18 仿真参数设置
如果仿真过程中出现Data logging exceeded available memory，可以在示波器 parameters 中的参数， limit to last选项后的勾去掉，或者修改图18 中仿真步长。
若要添加转矩反馈，可以添加在电流反馈环之前。
调整转速PI 参数看看结果变化。
以上得到了最简易的电路图, 反馈的转速单位为rad/s ，给定转速单位若为r/min ，需要在反馈的转速乘以30/pi 。
线电压显示： simpower 下面找到voltage measurement 添加三个到电路图，+端连接三相桥的 A 相，“ - ”连接三相桥的 B 相，其余两个分别连接B-C， C-A。
相电压显示：将三相桥的直流电压给定分为两个，中间接地ground，A B C相通过voltage measurement 与 ground 相减连接示波器即可，如图19：
图 19 实验电路全图（可加测相电压）
四．实验报告要求：
1．对电机驱动系统的转速、电流、电压等仿真波形进行分析。
2．研究转速和电流调节器参数对驱动系统动态性能的影响。
参考文献：
[1]范心明 . 基于 SIMULINK的 SVPWM仿真 [J]. 电气传动自动化 ,
2009,03:19-21+34.
[2]SVPWM的原理及法则推导和控制算法详解。