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永磁同步電機矢量控制的分析

更新日期:2018-01-18
摘要:上次我們有介紹過永磁同步電機的控制方法,可知此電機的控制方法有三種。那么對于永磁同步電機矢量控制的分析又是怎樣的呢?接下來一同探討下吧!
永磁同步電機
 
 
上次我們有介紹過永磁同步電機的控制方法,可知此電機的控制方法有三種。那么對于永磁同步電機矢量控制的分析又是怎樣的呢?接下來一同探討下吧!
 
隨著高功能永磁材料、電力電子技術、大規模集成電路和核算機技術的發展,永磁同步(PMSM)的應用領域不斷擴大,在數控機床,機器人等高精度控制范圍得到了廣泛的應用。
 
因為對電機控制功能的要求越來越高,永磁同步電機矢量控制系統能夠完成高精度、高動態功能、大范圍的調速或定位控制,永磁同步矢量控制系統的研討已成為中小容量交流伺服系統研討的要點之一,怎么樹立有用的仿真模型越來受到人們的重視。本文在分析永磁同步數學模型的基礎上,用MATLAB語言中的Simulink和Power System B1ock模塊樹立了控制系統的仿真模型,對得出的仿真成果進行了如下的分析。
 
1、永磁同步電機數學模型
 
永磁同步的數學模型依據以下假定:
 
① 疏忽飽滿、渦流、磁滯效應的影響;
 
② 電機的電流為對稱的三相正弦波電流;
 
③ 永磁體磁動勢叵定,即等效的勵磁電流安穩不變;
 
④ 三相定子繞組在空間呈對稱星形散布,定子各繞組的電樞電阻電樞電感持平。
 
永磁同步電動機是交流同步調速系統的首要環節,分析其數學模型對把握其調速特性尤為重要。取轉子永磁體基波勵磁磁場軸線為d軸,q軸順著旋轉方向超前d軸90度電視點,dq軸系伴隨轉子以角速度ωr一道旋轉,它的空間坐標以d軸與參閱軸α間的電視點θr來表明,則理想永磁同步在dq旋轉坐標系中的數學模型能夠寫成如下形式:
 
QQ截圖20180118113054.png
 
依據數學模型用Simulink樹立了永磁同步的模塊如圖2.1所示:
 
QQ截圖20180118104415.png
 
2、永磁同步電機交流伺服系統控制原理
 
QQ截圖20180118113112.png
 
由上式能夠看出,永磁同步的電磁轉矩根本上取決于定子電流在q軸上的重量。因為永磁同步的轉子磁鏈安穩不變,所以遍及選用按轉子磁鏈定向的矢量控制,控制的本質就是通過對定子電流的控制來完成交流永磁同步電動機的轉矩控制。轉速在基速以下時,在定子電流給定的情況下,控制id=0能夠更有用的發生轉矩,這時電磁轉矩Tem=Pniqψr,可見電磁轉矩就隨著iq的改變而改變,這種控制辦法最為簡略。可是轉速在基速以上時,因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數,電機感應電動勢隨著電機轉速成正比例的增加。電動機感應電壓也隨著進步,可是又要遭到與電機端相連的逆變器的電壓上限的約束。
 
在實踐控制中,系統檢測到的是流入電機的三相定子電流,所以有必要進行坐標改換,把三相定予坐標上的電流重量經park,clarke改換成轉子坐標系上的電流重量。要完成定子坐標系到轉子坐標系的改換有必要在控制中實時檢測電機轉子的方位,常用的轉子方位檢測傳感器有增量式光電編碼器,肯定式光電編碼器和旋轉變壓器。方位信號指令與檢測到的轉子方位相比較,通過方位控制器的調整,輸出速度指令信號,速度指令信號與檢測到的轉子速度信號相比較,經速度調理器的調理,輸出控制轉矩的電流重量i*q,電流重量給定信號與通過坐標改換的電機實踐電流重量比較,通過電流控制器核算,其輸出量經反park改換用于核算發生PWM驅動IGBT,發生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子,驅動電機作業。
 
QQ截圖20180118112747.png
 
3、系統仿真
 
圖4.1三相永磁同步電機矢量控制仿真框圖依據轉子磁場定向的三相PMSM矢量控制系統仿真框圖如圖4.1所示。圖中PI模塊為速度環PI控制器,依據電機實踐速度及給定速度來斷定電流轉矩重量;PWM模塊選用電流滯環控制(如圖4.2),使電機實踐電流跟從給定電流改變,詳細完成如圖4.3;模塊dq2abc完成2r/3s改換,詳細完成如圖4.4,其間函數模塊Fcn、Fcnl和Fcn2一同完成2r/3s改換;MMD模塊為電機丈量模塊,它實時測量電機的速度、電流、轉子方位等信號:PMSM模塊為MATLAB提供了永磁同步電機模型,它的具體實現如圖2.1。
 
4、仿真圖形及成果分析
 
QQ截圖20180118104650.png
 
仿真中用到的電機參數如下:定子電阻為2.875Ω,定子直軸電感和交軸電感都為8.5e一3H,永磁磁極與定子繞組交鏈的磁鏈為0.175Wb,轉動慣量0.8e一3kgm2,極對數6,給定轉速為ωr=500rpm,在t=0.03s時,負載轉矩由ON·m突變為6N·m,見圖(5.1)。
 
由上述仿真成果可知,普通三相永磁同步電機選用依據轉子磁場定向的矢量控制計劃,且速度外環選用PI控制時,速度響應進程中有必定超調見圖(5.2)。當突加負載時,速度當即下降,然后逐步康復安穩見圖(5.3):若在速度外環選用PID控制,即在速度外環加一個小的微分環節D并恰當下降比例放大系數P,可有用下降超調量,而且縮短電機發動和突加負載時電機抵達穩態的時刻。交軸實踐電流始終盯梢交軸給定電流見圖(5.5),且發動進程中和突加負載時,兩者改變起伏較大,而安穩時兩者都根本安穩,穩態時電磁力矩安穩見圖(5.4),以便平衡外加負載;速度安穩時三相定子電流為規整的正弦電流,且相位順次相差約120°。
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