永磁同步电机双闭环矢量控制系统仿真实验指导书剖析

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、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：

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 版本在Simscape> SimPowerSystems> Technology>Power Electronics, 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Subsystem，双击进入添加Mux 和DeMux，user-defined Functions 选择Fcn, 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: