基于PMSM伺服系统的建模与仿真设计

㈩（１）
圈２交流永磁同步电机的数学模型
Ｆｋ．２ ｌＶＩａｔｈ融ｔｉｃａＩ ｒＩ删０ｆ ｐｅｍ瑚订ｌｔ盯强曰ｄ
科眦ｈｒｏｒｎ８ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）
万方数据
圈３伏安法测电机阻值和电感
Ｆ龟．３ Ｖ０ｌｔ鳓ｅｔｒｙ ｍ睫女蒯ｍｏⅫ’
商ｓＩａｎｃｅ ａｎｄ砌ｕｃ“Ｉｎｃｅ
（总第８５期）
基于ＰＭＳＭ伺服系统的建模与仿真设计（蒋明军等）
－ｐ
Ｖ２（ＯｌＯ）
Ｖ６（ＩｌＯ）
八一ⅧⅨ呻口一 Ｖｌ（００１）
Ｖ５（１０Ｉ）
，ｌ ｒ，
瓦＝ｕＩ
圈４正六边形磁链轨迹 Ｉ诹．４ Ｈｅ煳ｇ（ｍａｌ ｎｕｘ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
豳５定子合成磁场 Ｈｇ．５ Ｓｙｎｔｈｅｔｉ∞Ｉ ｍａｇｎｃｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ
为了方便求解功率开关器件的开通时间，可根据转子磁场与电机定子【，相绕组的夹角并引入调制 时间变量进行计算
系统仿真时，给定转速５００ ｒ／ｍｉｎ，控制系统的调制频率为１０ ｋＨｚ，在ｆ＝０时刻启动．负载扭矩ｔ ＝１．５ Ｎ·ｍ．图１２～图２０，图２２，图２４是各参鲢随时间ｆ（ｓ）变化的仿真图，纵坐标表示各仿真参缝，横
万方数据
坐标表示时间ｆ（ｓ）的变化。．
测试技术学报
斌 脚 罂 …
２０１１年第ｌ期
图１２定子三相电流
交流永磁同步电机伺服系统仿真结果的准确性和实用性是系统仿真的关键．因此，系统建模的准确 性是系统仿真成败的关键．交流永磁同步电机的仿真模型呵以从ＳＩＭＵ ＬＩＮＫ模块库中直接涮用ＰＭｓＭ 模块．对于不同的永磁同步电机，需设置转子磁极对数、定子绕组、磁链等相关参数，对于模拟系统程序 算法的各功能子模块可以建立分别的子系统或Ｍ函数．对于连续系统仿真的离散化，其伺服系统仿真 的准确性依赖于所使用的仿真箅法．因此，我们选择系统离散的龙格库塔算法实现电压型逆变器供电下
对于功率开关分量的选取是依据转子位置所处的扇区而定的，转子角度扇区计算的仿真模块如 图７，Ｎ＝口／３６０。取整，口为转子磁场与电机定子Ｕ相绕组的夹角．
通过转子的位置角度可以计算出定子合成磁场相邻向量的大小，并计算出调制周期内各功率管开关 分量的大小。其仿真子模块模型如图８和图９．
万方数据
６２
测试技术学报
２们１年第ｌ期
图７转子位置扇区仿真模块 ｎｇ．７ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕＩｅ ｏｆ ｍｔｏｒ ｐ碱ｔｉｏｎ ｓｅｃｔｏｒ
圈８相邻基准向量比重计算仿真模块
ａｄｊ踟ｌ Ｆ蟾．８ Ｓｉｍｕ－ａｔｉｏｎ ｎ１０ｄｕｌｅ ｏｆ
ｂａ鸵ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ睫ｌｃｕｌａｔｉ∞
圈９功率开关器件开通分量仿真模块
碘 鲻 髂 薛 霹
ｑ删哪ｌｌｐ呻∞ｔ Ｆ蜒．９‰ｍｌａｔｉ∞ｎＩ）ｄｕｋ ｏｆ ｐ，ｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅ“ｃｅ
功率开关器件开通分量通过与频率为１０ ｌ【｝七的调制三角波进行比较后，通过系统滞环比较产生６ 路ＰＷＭ调制驱动波形如图１０．
万方数据
（总第８５期）
基于Ｉ，ＭｓＭ伺服系统的建模与仿真设计（蒋明军等）
圈１６同步电机定子绕组线电压波形 Ｆ培．１６ Ｌｉ眦ｖ０Ｉｔ耀ｅ ｗａｖｅｆａｎｎ ｏｆ ｓｙｎｃｈ删１０曝ｍｏｔｏｒ ｓ协ｔｏｒ
圈１７电流反馈ｂ和ｆ。
啦．１７（）Ｉ咖ｔ矧ｂａｃｋ ０ ａｎｄ ｆ口
３．３系统仿真分析
１）从图１８和图１９控制系统的速度（ｒ／ｍｉｎ）随时间ｆ（ｓ）的输出曲线可以看出，交流同步电机由于机 械时间常数和电气时间常数很接近，系统运行时易产生振荡．因此，控制系统需加深度电流负反馈以减 少电机电气时间常数，避免控制系统振荡．但是如果电流反馈过深会造成控制系统动态响应变差．因此， 应根据实际系统进行反馈深度调节．
Ｆ龟．１２ Ｔｈｒｅｅ．ｐｈａ鸵ｃｕｒ姗ｔ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ
６ 一 × ～ 蠢－ ● 制 厦 哥
圈１４功率开关器件导通时间
Ｆ豫．１４ Ｔｉ眦ｏｆ ｐａｗｃｒ洲ｉｔｃｈ堍ｄｅｖｉｃｅ（）ｐ咖ｅｄ
圈１３转子所处扇区 ｎｇ．１３ ｓｅｃｔｏｒｓ ｏｆｔｈｅ ｒｏｔｏｒ
圈１５相邻基准向量
№．１５删ａ唧ｔ ｂａ辩ｖｅｃｔｏｒ
·收稿日期：２０１０．（１６．２９ 作者简介：蒋ＨＪＩ军（１９７５．）．男，高［．主婴从事电机｜峨动‘ｊ交流ｆｌｆＪ服控制研究
万方数据
测试技术学报
２０１１年第ｌ期
的永磁同步电机调速系统的仿真，并分析系统闭环后的性能和动态响应．
Leabharlann Baidu１仿真系统的组成
仿真系统通过模拟速度信号源给出速度信号，信号经过旋转坐标变换与系统时间变量合成出空间电 流向量，此电流向量用于产生ＳＶＰＷＭ驱动波形驱动电机旋转，检测模块检测交流永磁同步电机的转子 空间角度、定子三相电流和电机转速并输出，通过定子相电流向量分解，计算出电机直轴和交轴电流分 量用于反馈形成电流闭环，通过检测电机速度输出形成速度闭环，通过调整ＰＩＤ整定参数和系统双闭环 控制参数，监测交流同步电机伺服系统的动态响应．
（Ｎｏｖｅ一，Ｂｅｉｉｎｇ １０００７２．Ｃｈｉｍ） Ａｂｓｔ憎ｃｔ： Ｉｎ ｔｈｅ ａｎａＩｙｓｉｓ ｏｆ ｐｅｍｌａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ，ａ ｎｅｗ
ｓｉｍｕＩａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＶＰＷＭ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ∞ｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬ，ＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ， ａｃ００ｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒＯｃｅＳｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｖｅｃｔｏｒ ａｌｇｏ—ｔｈｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ∞ｎｔｒｏｌ ｓ”ｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｔａｉｌｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｆｕｎｃｔｉｏｍｌ ｍｏｄｕｌｅ ｍ。ｄｅＩｓ，弱ｗｅｌｌ ａｓ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｄ鹤ｉｇｎ ｏｆ∞ｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｅｒａｔｅ ｓｔａｂｌｙ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｓｐｅｅｄ ｃＯｎ— ｄｉｔｉｏｎｓ，ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ９０。ｄ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｃＯｎｔｒｏｌ ｆｅａｔｕｒｅＳ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍＤｄｅｌ ｓｉｍｕｌａ— ｔｉｏｎ ｐｍｖｉｄ豁ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｎｓ ａｎｄ ｔ∞ｌｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ／屺ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ００ｎｔｍＩ ｓｙｓｔｅｍ，ｂｕｔ ａｌＳｏ ｎｅｗ ｗａ”ｏｆ ｔｈｉｎｋｉｎｇ ｆｏｒ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ∞ｎｔｒｏｌ ｓ”ｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｄｅｂｕｇ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｖｅｃｔｏｒ∞ｎｔｍＩ；ｍｏｄｅｌ；硝ｍｕｌａｔｉｏｎ
交流永磁同步电机（Ｐｃｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ，ＰＭｓＭ）的特点是用永磁体取代电励磁式 电动机转子上的励磁绕组，以省去励磁线圈、滑环和电刷，具有结构简单、体积小、功率高、转矩电流比 高、转动惯量小、易于散热及维护等优点，己成为现代交流伺服控制系统的主流．
６３
圈１０ ＰｗＭ驱动波形仿真模块
啦．１０ ＳｉｍｕＩａｔｉｏｎ ｒｒｌ（）ｄｕｌｃ ｏ¨’ｗＭ ｄｒｉｖｅ ｗａｖｅｈ）ｍ
２．３控制系统仿真模型
控制系统仿真模型除了由矢量控制模块、ＰｗＭ生成模块组成以外，还包含同步电机检测模块、功率 开关模块和ＰｌＬ）调节模块等，其中同步电机检测模块检测出的三相定子电流和电机转速经反馈后，形成 电流环和测速环的双闭环控制系统，如图１１．
Ｘ＝Ｔｆ删＊００ｓ（日，＋２７０。）， ｙ＝Ｌ删＊ｃｏｓ（巩＋３３０。）， Ｚ＝Ｌ删＊００ｓ（口，＋２１０。），
建立的功率器件开通时间分量的仿真子模块模型如图６所示．
Ｗｂｒｋｓｐａｃｃ
圈６功率开关分萤仿其便块 ＦＩＢ．６ ＳｉｍｕＩａｔｉｏｎ ｎ划ｕｌｃ ｏｆ ｐａｗｅｒ州ｉｔｃ ｈｉｎＲ ｃｏｍｐｆｍｅｎｔ
６１
２．２ ｄ．ｇ轴空间矢量的建模
由于转子永磁体产生的磁链恒定不变，对交流永磁同步电机的电磁转矩的控制最终可归结为对如和 ｉ。的控制，当系统要求电机输出某一特定转矩时，只需控制流经定子三相绕组电流的合成磁场与转子磁场 正交以提供电机最大扭矩．因此，将定子磁场划分为６个区域，定子合成磁场向量可以由相邻的两个向量 合成求得，如图４，合成磁场向量与相邻基准向量的夹角可由转子与定子绕组的夹角口换算解得，如图５．
交轴给定
，，。———‘、、
速度给定
交轴ＰＩＤ调节 直轴ＰＩＤ调节
圉圉囤
高压电源 ｓⅥ，ｗＭ卜＿．１逆变电源卜—．叫同步电机
速度反馈
３／２变换ｈ—一电流反馈
检测模块
２ 系统建模
…举蠹客一＊…鲫 ｉ，Ｉ＝Ｉ—Ｐ＊∞，一Ｒ／Ｌ一腿／Ｌ Ｉ×ｌ ｉ。Ｉ＋Ｉ ｕ／Ｌ Ｉ，
ｌ∞，Ｊ 【－ ｏ
Ｐ’以／Ｌ
ｏ Ｊ 【＿∞，Ｊ ｜－一ｎ“ｊ
２）从图２０相电流（Ａ）滤波波形随时间￡（ｓ）变化可以看出，由于控制系统在低速运行时，定子电流 很小，由电流采样模块采样的电流波形畸变较大，因此，需要进行电流滤波，根据控制系统的额定转速 可知，电流的频率最大为９０ Ｈｚ，仿真系统进行了滤波设计如图２ｌ。滤波频率为５００ Ｈｚ．
万方数据
（总第８５期）
２０１１年第２５卷第ｌ期 （总第８５期）
测试技 术 学报 Ｊ０ｕＲＮＡＬ ｏＦ’Ｉ＇Ｉ西１１ ＡＮＤ ＭＥＡｓｕＲＩｃＭｌｃＮ，ｒ’１１Ｉ记¨ＮｏＩ』）ＧＹ
Ｖ０１．２５ Ｎｏ．１ ２０１ｌ （Ｓｕｍ Ｎｏ．８５）
文章编号：１６７１．７４４９（２０１１）叭．００５９．０８
基于ＰＭＳＭ伺服系统的建模 与仿真设计
蒋明军，张学松，盖绍凤，刘 斌，苗秋实
（中国兵器工业２０ｌ所信息与控制技术部。北京１０００７２） 摘要： 在分析交流永磁同步电机数学模型的基础上，利用ＭＡＴＩＡＢ／ｓＩＭＵ ＬＩＮＫ设计出一种基于Ｓ、伊． ｗＭ变频调速系统的新型仿真模型，根据宅间矢量箅法的软件设计流程实现控制系统仿真．文中详细介绍 了交流同步电机仿真模型和各功能模块模型的设计方法以及在系统仿真过程中的算法没置和连续系统的离 散化设计．由仿真结果可见，系统在高、低速情况下都能平稳运行，控制系统具有良好的动、静态控制特性． 运用控制系统模型仿真为设计交流同步电机控制系统提供了有效的手段和工具。也为实际电机控制系统的 设计和调试提供了新的思路．
关键词： 交流永磁同步电机；变频调速；矢量控制；建模；仿真
中图分类号：ＴＪ３０３＋．８ 文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７ｌ一７４４９．２０１１．０１．０ｌｌ
Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＰＭＳＭ Ｓｖｓｔｅｍ
Ｊ ＩＡＮＧ Ｍｉｎｇｊｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｘｕｅｓｏｎｇ，ＧＡｌ Ｓｈａｏｆｅｎｇ，ＬＩＵ Ｂｉｎ，ＭＩＡｏ Ｑｉｕｓｈｉ
基于ｆ】ＭｓＭ伺服系统的建模与仿真设计（蒋明军等）
６５
蔼
．蕃
鼍
倒 蜃 型 恻
鼍
啦 趟 嘲
Ｈｇ．１８
圈１８无电流环的速度输出 Ｔｈｃ ｖｅｋ）ｃｉｔｙ ０ｕｔｐｕｔ ｏｆ ｌ∞ｐ ｎｏｎ－ｃｕｒｒｃｎｔ
碘 爝 蟋 删 罂 《
也 ｝盂
蜊 麓
田２０相电流滤波波形 ｎ墨．２０ Ｐｈａ鸵ｃｕｒｒ印ｔ ｆｉｌｌｅｒｉｎｇ ｗａｖｅｆｏｒｎｌ
圈ｌｌ控制系统仿真模型 ｎ窖．Ｉ ｌ ｓｉｍｕｌ砒ｉｏｎ ｍ【）ｄｅｌ ｏｆ ００ｎｔ ｍｌ叫ｓｔｅｍ
３ 系统仿真
３．Ｉ 系统仿真参数的设置 交流永磁同步电机的参数为：额定功率Ｐ，＝１．８ ｋＷ，额定电流Ｊ＝７．５ Ａ。额定转速Ｎ＝
１８００ ｒ／ｍｉｎ，电机极对数Ｐ。＝３，定子绕组电阻尺＝１．１ Ｑ．定子交轴电感ｏ＝６．５ ｍＨ，定子直轴电感Ｌ。 ＝６．５ ｍＨ。转子磁链缈，＝０．１８ Ｗｂ，粘摩擦系数Ｂ＝０．０１５ Ｎ·Ｍ·Ｓ，电机转动惯量．『＝０．（）０２ １８ ｋｇｍ２． ３．２系统仿真波形