永磁同步电动机PWM变频调速系统的建模与仿真

使电机电磁噪音近似为限带白噪声 ( 在线性频率坐 标系中, 各频率能量分布是均匀的 ) , 尽管噪Biblioteka Baidu的总 分贝数未变, 但以固定开关频率为特征的有色噪音 强度大大削弱。正因为如此 , 即使在 IGBT 已被广泛 应用的今天, 对于载波频率必须限制在较低频率的 场合 , 随机 PWM 仍然有其特殊 的价值; 另 一方面, 也说明消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地 提高工作频率 , 因为随机 PWM 技术提 供了一个分 析、 解决问题的全新思路。 PWM 控制技术一直是变频技术的核心技术之 一。任何控制算法的最终实现几乎都是以各种 PWM 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的 PWM 控制方案就不下十几种, PWM 控制技术的发展 经历了一个不断创新和不断完善的过程。到目前为 止, 还有新的方案不断提出。由于 PWM 可以同时实 现变频变压及抑制谐波的特点, 因此在交流传动乃至 其它能量变换系统中得到广泛应用。 PWM 控制技术 大致可以分为三类, 正弦 PWM( 包括电压 , 电流或磁 通的正弦为目标的各种 PWM 方案 , 多重 PWM 也应归 于此类 ) , 优化 PWM 及随机 PWM 。正弦 PWM 已为人 们所熟知, 而旨在改善输出电压、 电流波形, 降低电源 系统谐波的多重 PWM 技术在大功率变频器中有其独 特的优势; 优化 PWM 所追求的则是实现电流谐波畸 变率( THD) 最小, 电压利用率最高, 效率最优, 转矩脉 动最小 , 以及其它特定优化目标。
性 , 适用于各种永磁同步电动机 PWM 控制系统的 仿真研究。
图 2 35HzPWM 供电永磁同步电动机仿真波形
图1
永磁同步电动机 PWM 变频调速系统仿真结构图 图 3 50HzPWM 供电永磁同步电动机仿真波形
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结论
本文利用 SIMULINK 构造出以定子电压、定子
电流、电磁转矩、转速为状态变量的永磁同步电动 机 PWM 控制的仿真模型 , 构架简洁直观, 方便实 用。对永 磁同步 电动机 PWM 控制 动态 过程的 仿 真, 可以为设 计更完备的电机 控制和调速系 统方 案、改善电机的运行状况提供新的手段。从各类仿 真波形可以看出 , 模型具有极 高的稳定性和 可靠
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前言
永磁同步电动机转子使用永磁材料励磁, 使电
( 2) 交 器采用交
交变频供电同步电机控制系统
逆变
交循环变流电路 , 由普通晶闸管组成 , 提
动机的体积和重量大大减小, 电机结构简单、 维护方 便、 运行可靠、 损耗较小, 效率和功率因数都比较高。 然而 , 永磁同步电机存在启动困难、 失步等缺点 , 变 频调速技术的应用能很好地解决这些问题。同步电 机控制系统常见有如下几种: ( 1) 无换向器电机控制系统 采用交- 直 - 交 电流型逆变器给普通同步电机供电 , 整流及逆变部 分均由晶闸管构成 , 利用同步电机电流可以超前电 压的特点 , 使逆变器的晶闸管工作在自然换相状态。 同时检测转子磁极的位置, 用以选通逆变器的晶闸 管, 使电机工作在自同步状态 , 故又称自控式同步电 机控制系统。其特点是直接采用普通同步电机和普 通晶闸管构成的系统 , 容量可以做得很大, 电机转速 也可做得很高, 如法国地中海高速列车即采用此方 案, 技术比较成熟。其缺点是由于电流采用方波供 电, 而电机绕组为正弦分布, 低速时转矩脉动较大。
供三相正弦电流给普通同步电机。采用矢量控制后 可对励磁电流进行瞬态补偿 , 因此系统动态性能优 良 , 已广泛应用在轧机主传动控制系统中。其特点 是容量可以很大, 但调速范围有一定限制 , 只能从同 步速往下调。 ( 3) 正弦波永磁同步电机控制系统 电机转子 采用永磁材料 , 定子绕组仍为正弦分布绕组。如通 以三相正弦交流电 , 可获得较理想的旋转磁场, 并产 生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技术使 d 轴电流 分量为零 , 用 q 轴电流直接控制转矩, 系统控制性能 可以达到很高水平。缺点是需要使用昂贵的绝对位 置编码器 , 采用普通增量式码盘实现上述要求虽有 一些限制 , 但采取一定措施后仍是可能的。目前研 究的重点放在如何消除齿谐波及 PWM 控制等造成 的转矩脉动。 ( 4) 方波永磁同步电机控制系统 又称为无刷 47
参考文献 :
[ 1] [ 2] 辜承林. 机电动力系统分析[ M] . 湖北 : 华中科技大学出版社 , 1998. 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 ( 第二版 ) [ M ] . 北京 : 机械工业 出版社 , 2000. [ 3] 韩利竹 , 王华 . MATLAB 电子仿真与应用 [ M ] . 北京 : 国防工业 出 版社 , 2001.
计算机与自动控制
必然会有两类模块之间的信号流动 , 这就需要中间 接口模块。当 SIMULINK 常规模块的信号送入电气 系统模块时, 应根据其性质, 采用可控电压源或可控 电流源作为中间环节 ; 反之, 当电气系统模块中的信 号反馈给 SIMULINK 常规模块构造 的系统时, 应采 用电压或电流测量模块。 图 1 是永磁同步电动机 PWM 变频调速系统的 仿真结构图, 主要设计环节有 PWM 信号发生器、 逆 变器及永磁同步电机模型。 PWM 信号发生器是一 个封装的子系统 , 内含离散三角波发生器, 其三角波 信号与输入正弦信号进行 比较, 通过 选择器, 产生 PWM 脉冲信号; 逆变器也是一个封装的子系统 , 由 六个功率器件模块构成, PWM 信号发生器单元的输 出作为控制脉冲, 控制六个功率器件的通断。电机 模型是电气系统模块库中的永磁同步电机模型 , 只 需输入相应的参数和负载转矩。 仿真数据: 永磁同步电机, 极对数 3, 转动惯量 0. 0018kg m 2 , 定子电阻 1. 4 , Ld= 5. 6mH, Lq= 6. 8 mH, f= 0. 15Wb, 负载转矩 5Nm 。图 2 是转子速参 照系 , 永磁同步电动机 35Hz PWM 变频调速时的仿 真波 形。图 3 是 转子速 参照系 , 永 磁同步 电动 机 50Hz PWM 变频调速时的仿真波形。
Modeling and Simulating of PWM Frequency Inverter System for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor
XIA Ling( Huangshi Inst itute of Architectural Design & Research, Huangshi Huibei, 435001, China) Abstract: This paper introduces the characteristics of PWM control technology, and it found the simulating mod el for interior permanent magnet synchronous motor PWM control in MATLAB environment . Via the simulation of dynamic process for interior permanent magnet synchronous motor, it analyzes the inst an taneous characteristics and change law of PWM control technology for interior permanent magnet syn chronous motor. And the validity of the simulation model is tested and verified via the simulations. Key words: interior permanent magnet synchronous motor; simulation; PWM
3 永磁同步电动机 PWM 变频调速系统的仿真
Mathworks 公司 的 MATLAB 仿真软 件能很好地 实现各类电机的各种 控制方案的仿 真。 SIMULINK 是 MATLAB 程序的扩展 , 是一个开 放的编程 环境。 SIMULINK 提供了十分丰富的模型库 , 大大缩短了整 个控制系统的建模与仿真时间。 对一个复杂的控 制系统, 若仅用 SIMULINK 提 供的基本模块来构造模型, 相当费时费力。如用基 本模块和电气系统模块库中的模块共同构成仿真模 型 , 则方便得多。电气系统模块库中有 6 个子模块 库 : 电源、 基本电气元件、 电力电子器件、 电机、 连接 和测量子模块库。如 PWM 变频调速系统的仿真模 型中 , 逆变器和电机就可以采用电气系统模块。但 电气系统模块和常规 SIMULINK 模块必竟是两类本 质不同的模块, 对于同时使用两类模块的仿真模型,
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PWM 技术
从上世纪 70 年代开始至 80 年代初, 由于当时
大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管, 载波频 率一般最高不超过 5kHz, 电机绕组的电磁噪音及谐 波引起的振动引起人们的关注。为求得改善, 随机 PWM 方法应运而生。其原理是随机改变开关频率 48
2004 年第 4 期
电机电器技术
2004 年第 4 期
电机电器技术
计算机与自动控制
永磁同步电动机 PWM 变频调速系统 的建模与仿真
夏玲 ( 黄石建筑设计研究院第 4 所, 湖北 黄石 435001) 摘 要: 介绍了 PWM 控制技术的特点, 并在 MATLAB 环境下, 构造永磁同步电动机 PWM 控制的仿 真模型 。通过对永磁同步电动机的动态过程进行仿真 , 分析永磁同步电动机采用 PWM 控 制技术的瞬态运行特征以及瞬态过程中各电磁量的变化规律。 同时, 也验证了仿真模型 的正确性 。 关键词: 永磁同步电动机; 仿真 ; PWM
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电机电器技术
2004 年第 4 期
直流电机控制系统, 转子采用永磁材料, 定子为整距 集中绕组, 以产生梯形波磁场和感应电动势, 如通以 三相方波交变电流, 当电流和感应电动势同相位时, 理论上可产生平稳的电磁转矩。其主要特点是磁极 位置检测和无换向器电机一样, 非常简单 , 选通及系 统控制容易实现。其缺点是由于定子电感的存在, 实 际上电流达不到理想的方波, 在换相时刻的叠流现象 会造成转矩脉动, 对系统低速性能有一定的影响。 PWM 控制 是 交流 调 速系 统的 控 制 核心 , A. Schonung 和 H. stemmler 于 1964 年首先提出把 这项 技术应用到交流传动中, 从此为交流传动的推广应 用开辟了新的领域。从最初采用模拟电路完成三角 调制波和参考正弦波比较, 产生 正弦脉宽调制 SP WM 信号以控制功率器件的开关开始, 到目前采用 全数字化方案, 完成优 化的实时在线 的 PWM 信号 输出, 可以说直到目前为止 , PWM 在各种应用场合 仍占主导地位, 并一直是人们研究的热点。 用计算机对永磁同步电动机的动态过程进行仿 真可以从理论上揭示其瞬态运行的特征以及瞬态过 程中各电磁量的变化规律。它可以为构成更完备的 电机控制和调节系统方案提供直接的依据, 为改善电 机的运行状况, 更好地满足生产需要提供了新的手段。 MATLAB 语言是目前国际上流行的一种仿真工 具语言, 它具有强大的矩阵分析和运算功能。建模仿 真可视化功能 SIMULINK 是 MATLAB 五大通用功能 之一, 它是基于 MATLAB 语言环境下实现动态系统建 模、 仿真的一个集成环境 , 具有模块化、 可重载、 图形 化编程、 可视化及可封装等特点, 可大大提高系统仿 真的效率和可靠性。SIMULINK 提供了丰富的模型库 供系统仿真使用, 另外用户也可根据自己的需要开发 所需的模型 , 并通过封装扩充现有的模型库。 本文介绍一种利用 SIMULINK 功能建立永磁同 步电动机 PWM 调速模型及仿真方法, 并通过实例 仿真 , 验证仿真模型的正确性。