永磁同步电机伺服系统矢量控制的设计与仿真-不知不识网

本文在分析了永磁同步电机的数学模型的基础之上，详细分析了矢量控制策略及电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM），确立了id=0的矢量控制策略，分析电流与速度调节器参数的设计方法，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建系统模型并进行了系统的仿真研究。

【关键词】永磁同步电机电压空间矢量脉宽调制仿真

1 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机是一个高阶的、非线性、强耦合的多变量控制系统。要实现电机的解耦控制，必须通过坐标变换理论，将两相互相垂直的交流绕组或者是旋转的两相直流绕组代替三相交流绕组，使其等效。得出其数学模型：

转矩方程为：

Te= np（ψdiq?ψqid） = np[ψriq+（Ld?Lq）idiq] （1）

运动方程为：

Jpωr=Te?TL?Bωr （2）

其中：J为转动惯量；Te、TL分别为电磁转矩和负载转矩； ωr 为机械角速度；B是粘滞摩擦系数。

2 矢量控制系统设计

永磁同步电机伺服系统要具有较强的抗扰动能力和较高的稳定性，即系统要具有良好的动态性能和稳态性能。根据第2章确立的PMSM数学模型、坐标变换方法以及id=0的转子磁场定向控制策略和空间电压矢量脉宽调制技术，设计系统总体结构如图1所示。

电流环的主要作用是提抑制电流内部干扰，提高系统的快速性；速度环的主要作用是抑制速度波动，增强系统的抗负载扰动能力和稳定性。

2.1 电流环设计

系统对电流环设计的要求是其性能指标要输出电流的谐波分量小、响应速度快，在突然增加负载的时候不希望有超调量或者该超调量越小越好，因此本节把电流环校正成典I型系统。

2.2 速度环设计

在上一节介绍的电流环设计的基础之上，可将电流环的传递函数看作是速度调节中的一个环节。基于此，本节设计了速度环调节器，对速度环的要求是必须要具有高精度、快响应的特性。

3 SVPWM算法及仿真结果

SVPWM算法的步骤是：

（1）由电压矢量的 α、β轴分量，判断合成电压矢量所在的扇区。

（2）在扇区内根据电压矢量的大小和空间相位，计算相邻工作电压矢量的作用时间 TX、TY。

（3）根据工作电压矢量、零电压矢量的作用时间，确定逆变器三相桥臂上桥臂开关管的导通时刻。

（4）PWM波形的生成。根据以上步骤建立各模块，再加入Simulink中的测量模块、时间给定等，建立PMSM系统仿真模型。

为了验证仿真模型的正确性和有效性，本节进行仿真实验。首先设定仿真参数，矢量控制系统所用的PMSM的参数设定为：定子电阻Rs=1.74? ，直、交轴的电感Ld=Lq=0.004H，励磁磁通 ψf=0.1167Wb，转动惯量J=0.000174kg·m2 ，粘滞摩擦系数F=0.00007N·m·s，极对数p=4，直流母线电压为310V，PWM载波调制周期为1μs。给定转速n=2000r/min，系统稳定后在0.05s时加入6N·m的负载。如图2所示。

4 结论

本文对永磁同步电机调速系统的速度环和电流环进行了设计，根据PMSM的矢量控制方案和SVPWM原理，在Simulink仿真环境下建立了基于SVPWM的仿真模型，给出了仿真结果表明：本系统具有良好的转速响应特性，系统的控制性能良好。

参考文献

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[6]贾洪平，孙丹，贺益康.基于滑膜变结构的永磁同步电机直接转矩控制[J].中国电机工程学报，2006，26（20）：134-138.

作者单位

1.北方铜业股份有限公司物资设备部山西省运城市 044000

2.北方铜业股份有限公司计量检验部山西省运城市 044000