永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型的建立與實(shí)現(xiàn)

1、電機(jī)的控制本文設(shè)計(jì)的電機(jī)效率特性如圖異步電機(jī)效率特性PMSM電機(jī)效率特性本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車電機(jī)采用SVPWM控制技術(shù)是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它是以“磁 鏈跟蹤控制”為目標(biāo)，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成份及電機(jī)的諧波損耗，能有效降 低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于各種交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，有替代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì)2?；谏鲜鲈颍疚慕Y(jié)合七=0和SVPWM控制技術(shù)設(shè)計(jì)PMSM雙閉環(huán)PI調(diào)速控制。 其中，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)3，外環(huán)為速度環(huán)，根據(jù)經(jīng)典的PID控制設(shè)計(jì)理論，將內(nèi)環(huán)按典型I系 統(tǒng)，外環(huán)按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI控制器參數(shù)4。1. PMSM控制系統(tǒng)總模型首先給出PMSM的交流伺服系統(tǒng)矢量控制框圖。忽略粘性阻尼系數(shù)的影

2、響，PMSM的 狀態(tài)方程可表示為-R / LP01iu / Ldnmdd=-P-R/L-P WJ+u / LQn mnfqq曲03PW /2J0-T / JL m1n f1mL LJ將0帶入上式，有iM&=Pnm-R/L P wi 1q+ud 二 1u /L(2)qnfq&3PW /2J0m-T / Jmnf1L式(1)、(2)中，匕是直軸電流，i是交軸電流，,%是轉(zhuǎn)速。由式(1)、(2)可以看出， 實(shí)際是對(duì)電流id和iq控制，將它們轉(zhuǎn)化為ud和Uq，然后經(jīng)轉(zhuǎn)換后實(shí)現(xiàn)PMSM的SVPWM注意電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器可以同時(shí)控制兩 樣的。4IParkSVPWMChrku 變挨Park韭?lián)Q控制。畫出PM

3、SM的控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。 個(gè)量，在matlab中建模時(shí)將其分開，但參數(shù)是-圖1，廣。時(shí)PMSM的SVPWM控制系統(tǒng)框圖2.坐標(biāo)變換SVPWM矢量控制最重要的是接收坐標(biāo)變換后的信號(hào)，上述控制系統(tǒng)的Ipark變換為ua-sin0COS0uqUCOS0sin0uL PJ11L d圖2 Ipark變換Clarke和park變換是將abc三相電流變?yōu)閐軸電流和q軸電流，該公式和matlab自帶模型幅值和角度有差別，matlab選取的參考角度與本文相差c兀，以轉(zhuǎn)矩最大值為參考,2其幅值為,本文的公式和仿真模型將Clarke和park變換結(jié)合求解為= 2/3COS0cos（0 -：兀）-sin0-si

4、n(6 ：兀)小 2 、 cos(9 兀)./八2sin(v + 7i)(4)圖3 abc三相電流變?yōu)閐軸q軸電流模型其中，（4）式Clarke將abc三相電流變?yōu)閍、P兩相電流的公式為i i1-0.5-0.5aa=J2/3JI0 0, A = 1， else A = 03u - u 0, B = 1, else B = 0(7)- J3u - u 0, C = 0, else C = 1則上述定義對(duì)應(yīng)的扇區(qū)為N = A+2B + 4C，不同取值正好依次對(duì)應(yīng)6個(gè)扇區(qū)。圖6扇區(qū)判斷仿真模型每個(gè)扇區(qū)相鄰的電壓矢量有特定的作用時(shí)間，SVPWM控制同樣根據(jù)u p和uq計(jì)算扇區(qū) 相鄰的兩個(gè)基本電壓矢量的

5、作用時(shí)間，定義：一 TX = x；3u -s-P ud _ v3乙提：、T(8)Y (u+ u ) s-_ d 73 一 l3、t Z(u +u ) s-d圖7電壓矢量合成周期相關(guān)變量的定義仿真模型根據(jù)式（8），不同扇區(qū)的相鄰電壓矢量T1和T2在整個(gè)PWM中斷周期為表2各扇區(qū)T1和T2合成取值N=1( I )N=2( II )N=3( III )N=4( W )N=5( V )N=6( W )Z,YY,Y-Z,X-X,ZX,-Y-Y,-ZEM-Ht!圖8相鄰電壓矢量T1和T2的計(jì)算jdh!9:zz* . J .+:E+rWiiSlim不同扇區(qū)對(duì)應(yīng)電壓合成T1和T2不一致，所以不同扇區(qū)的逆變器3

6、個(gè)橋臂上的開關(guān) 切換時(shí)間與上述T1和T2逆變器自由頻率密切相關(guān)，令扇區(qū)N=1（1）N=2 (II)N=3 (III)N=4 (W)N=5 (V)N=6 (W)PWM1tttttt(TCOM1)baaccbPWM。2tttttt(TCOM2)acbbacpwm3tttttt(TCOM3)cbcabaFpc-jBng 5qu4nMTCnwiiI，： - rcokEL：Pl.iTJZ-UliCT-CDm瞄Ubtrjrt-lSuhhjicSauilidi 1icnwsNrUe1 teikiiLDndjinlil*CDTKS1!Msh5皿日心1-4J .圖9開關(guān)切換時(shí)間和PWM波形的調(diào)制4. PI控制器

7、參數(shù)設(shè)計(jì)完成PWM波形調(diào)制后整個(gè)SVPWM控制算法即可實(shí)現(xiàn)，仿真模型建立完畢。整個(gè) PMSM控制系統(tǒng)仿真模型如圖10。逆變器和PMSM本體模型參考matlab自帶模型，本文研究控制算法，且PMSM的d軸和q軸變換和七=0的狀態(tài)方程已給出，本文不再詳細(xì)討論。 下面將進(jìn)一步設(shè)計(jì)兩個(gè)PI控制器參數(shù)5,6圖10 PMSM控制系統(tǒng)仿真模型圖11 PMSM電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖4.1內(nèi)環(huán)PI參數(shù)由于PMSM采用雙閉環(huán)控制，首先需要確定內(nèi)環(huán)參數(shù)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。佃1控制器設(shè) 計(jì)時(shí)，它時(shí)一個(gè)典型I系統(tǒng)。永磁同步電機(jī)電流環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖11。K定義G( s)=七+弋為電流PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，七是比例系數(shù)，K,為積

8、分系數(shù)。=Ld / Ra。根據(jù)在工程設(shè)計(jì)中，%由Kp和積分時(shí)間常數(shù)匚c決定，K = Kp /t c。根據(jù)PID調(diào)節(jié)器的工程設(shè) 計(jì)方法，選擇電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消被控對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)。所次(10)上述分析，代入匚c的值，得電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù) W (s) =KR t (Ts + 1)(Ts +1)a c sif式中，T為PWM工作周期，本文PWM頻率設(shè)置為2.5kHz，周期為0.0004s，Tf為電 流環(huán)濾波常數(shù)，周期為40us。由于和氣都很小，可以用可用一個(gè)時(shí)間常數(shù)T寸的一階環(huán)節(jié)代替這兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)， Tf = T + T f。于是電流環(huán)開環(huán)函數(shù)變?yōu)橐粋€(gè)典型I型系統(tǒng)。(11)W (s) = Ks

9、(T s +1)sf式中，K = JR T 。根據(jù)式(11)，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為(12)(13)=9.66，W (s) = -(s) =K / TfclW(s) +1 s2 + s / T + K / Ts2 + 2物 s + s2sfsfn n由二階系統(tǒng)最優(yōu)指標(biāo)，&=1 土 = 0.707 土中皿油節(jié)嬰攵矣冊(cè)為2 KT，求出PI調(diào)節(jié)器各參數(shù)為sfJ K = Ld/2TfK = R /2T、 i a sf式中，Ld為直軸或d軸電感，為8.5mH，夫口為定子電阻，為2.875 Q。求出KK =10。4.2外環(huán)PI參數(shù)在設(shè)計(jì)速度環(huán)時(shí)，可以把電流環(huán)作為速度控制系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，電流環(huán)是一個(gè)二階 振

10、蕩環(huán)節(jié)，由于速度環(huán)的截止頻率較低，因此可以忽略電流環(huán)高次項(xiàng)，對(duì)電流環(huán)閉環(huán)傳遞函 數(shù)進(jìn)行降階處理，降階后電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)為：(14)cl s W (s) + T s 2 /K + s / K +1 2Tsfsf圖12 PMSM速度環(huán)等效傳遞函數(shù)框圖K同樣定乂G (s) = * += 為速度pi調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 例系數(shù)，K為速度環(huán)PI控制器積分系數(shù)。由于圖12中Tf和七所以速度環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖等效如下：W (s) = W(s) =1=K ps為速度環(huán)PI控制器比(轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間，為2ms)由此可得系sf sfW (s) = *K ens + Dn T Js 2(T s + 1)式中，K廣叩七

11、是額定轉(zhuǎn)矩與額/電流的比值。本文中八=3.5NmK-pK，則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為Jtn(15)很小，同樣可以將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合成一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，此時(shí)有T ： =2T +T 統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為(16)W (s) = K nS +D nS 2(T S + 1)sf按照典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)PI控制器，對(duì)于典型II型系統(tǒng)的參數(shù)按照閉環(huán)系統(tǒng)的最小幅頻特 性峰值來確定，中頻帶寬h 一般取5為最佳的選擇。此時(shí)有I，/ KU廣吒_ h +1K n 2h 2T 2I sf根據(jù)上述分析和推導(dǎo)，有(17)KpsKis3J5T K sf t 3J25T 2 Ksf t(18)式中，J 0.0008kg/m2。代入數(shù)據(jù)得 K s 0.143， =9.93。仿真時(shí)，電機(jī)直流側(cè)的電壓設(shè)置為220V,，其它參數(shù)為上面文章所述，本文的主要仿真結(jié)果如下:定子磁鏈軌跡(b)輸出轉(zhuǎn)矩(c)輸出轉(zhuǎn)速(d)三相電流(e)三相電壓參考文獻(xiàn)：1徐衍亮.電動(dòng)汽車用永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究D.沈陽工業(yè)大學(xué)，2001, 40: 13-17. 張春喜，孫立軍，朱建良，等.永磁電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)J.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005, 9(1).楊立永，張?jiān)讫?，陳智剛，?基于參數(shù)辨識(shí)的PMSM電流環(huán)在線自適應(yīng)控制方 法J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012, 2