永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真.doc

永磁同步电动机矢量控制模型的设计与仿真 交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。1971年，由F．Blaschke提出的矢量控制理论第一次使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控制解耦使交流电机的控制类似于直流电动机。矢量控制方法在实现过程中需要复杂的坐标变换，而且对电机的参数依赖性较大。直接转矩控制是1985年Depenbrock教授在研究异步电机控制方法时提出的。该方法是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，对转矩进行砰一砰控制，无需解耦，省掉了矢量旋转变换计算。控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子参数变化的影响，但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。而且由于它对实时性要求高、计算量大，对控制系统微处理器的性能要求也较高。 矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。 控制策略的选择上是PID控制，传统的数字PID控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便。 1 永磁同步电机的数学模型 1.1 永磁同步电机系统的结构 永磁同步电机的基本组成：定子绕组、转子、机体。定子绕组通过三相交流电，产生与电源频率同步的旋转磁场。转子是用永磁材料做成的永磁体，它在定子绕组产生的旋转磁场的作用下，开始旋转。 1.2 坐标变换 坐标变换，从数学角度看，就是将方程中原来的一组变量，用一组新的变量来代替。线性变换是指这种新旧变量之间存在线性关系。电动机中用到的坐标变换都是线性变换。 在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的它相对我们是静止的，即：α,β 坐标系，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组 A 相的产生磁势的方向，另一种是固定在转子上的旋转坐标系，我们通常称之为 d,q坐标，其中 d 轴跟单磁极的 N 极方向相同，即和磁力线的方向相同，q 轴超前 d 轴 90 度下图所示。 在矢量控制中，我们获取的是定子绕组上的三相电流，所以我们还需要做的一个问题是怎么把三相电流产生的电流矢量等效到α,β坐标系中和 d,q 坐标系中去。 先讨论α,β坐标系和 A，B，C 三相之间的变换（以电流为例）。 对于任意矢量有： 同时有： 把电流在上图进行分解的得： 分别是向量在α轴β轴 A 轴 B 轴和 C 轴上的投影。 考虑到电枢绕组在不同坐标系的合成磁势相等和功率不变等因数，需要在它前面加了个系数。 αβ/dq（Park变换）和其逆变换如下： 由于矢量控制能为永磁同步电机带来像直流电机一样的调速性能，而矢量控制又是建立在坐标变换理论下的体系，因此我们有必要讨论一下永磁同步电机在 d，q坐标系下的数学模型。 其电路方程如下： 转矩方程如下： 在永磁同步电机中通常采用 id = 0，所以： 可见电磁转矩和 q 轴电流成正比，只要对电流进行控制就达到了控制转矩的目的。同时这样也能保证最大的输出转矩。 其运动方程如下： 其中TL,J 分别为电机的阻转矩和转动系统的转动惯量。 2 永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制 2.1矢量控制的基本概念 1971年，德国学者Blaschke和Hasse提出了交流电动机的矢量控制(Transvector contr01)理论，它是电动机控制理论的第一次质的飞跃，解决了交流电机的调速问题，使得交流电机的控制跟直流电机控制一样的方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态功能。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现解耦。所谓解耦指的是控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。 矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制实现的。根据电机方程所确定的电磁关系，一定的转矩和转速对应于一定的id和iq，通过对这两个电流的控制，跟踪相应的给定值，便实现了对电机转矩和转速的控制。而且由于位于d，q轴的电流分量相互正交，使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解耦，因此便于实现各种先进的控制策略。 对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检