基于單段初級PMLSM的矢量控制系統仿真

劉瑞英 朱善俊

（1.山西電力職業技術學院，太原 030021；2.太原供電分公司，太原 030001）

1 引言

永磁同步直線電動機在新型無繩提升系統中是核心部分，有永磁電機高效、節能的特點，也有控制方便、結構簡單、低噪聲、無污染等直線電機的優點。從目前情況看，在無繩提升系統中主要動力源采用永磁同步直線電動機作是最好的策略之一[1]。PMLSM垂直運輸系統中的重要組成部分是控制系統，要深入研究整個垂直運輸系統，還要考慮目前垂直運輸系統存在的問題，因此在實際系統著手之前，先利用仿真軟件對控制系統仿真是必要的。本文建立了單段初級PMLSM垂直運輸系統的穩態模型，由仿真結果給實際系統在設計、調試等方面提供參考和借鑒；另外，利用計算機仿真在人力、物力和財力上花費少，因此采用仿真實驗具有一定的經濟價值，奠定了分段式PMLSM驅動的垂直運輸系統在設計結構上的理論基礎，推動了該結構在遠距離、大推力場合中的工業應用。有效的PMLSM控制系統的仿真實驗具有重要的意義。

2 PMLSM控制系統

2.1 PMLSM矢量控制原理

由電機統一理論得出的永磁同步電動機在直交軸坐標系下的定子磁鏈方程[2]

式中，dL、qL為直、交軸主電感；fψ為轉子磁鋼在定子上的耦合磁鏈。

定子電壓方程

從（3）式可以看出，轉子磁鏈和定子交軸電流分量基本上決定了永磁同步電機的電磁轉矩。因為永磁同步電機的轉子磁鏈恒定不變，所以永磁同步電機在基速以下恒轉矩運行大都采用轉子磁鏈定向方式來控制，即id=0的控制策略，則電壓方程可以改為

則電磁轉矩方程可改為

由此可知，當采用轉子磁鏈定向控制永磁同步電動機時，永磁同步電動機轉矩只與qi及fψ成正比，且兩個量彼此獨立，相互解耦。id=0只要很好地被控制，則dT只受qi控制。

直線電動機與旋轉電機工作原理相似，因此永磁同步直線電動機也可采用轉子磁鏈定向id=0的控制策略。

2.2 SVPWM調控技術[3]

SVPWM 調控技術是從電機的角度出發，在于如何使電機獲得正弦磁通。電壓空間矢量PWM以提供三相對稱正弦電壓的交流電機的理想磁通圓軌跡作為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近這個基準，逆變器的開關狀態就由它們比較的結果決定，形成 PWM波形。圖1為三相逆變器輸出的電壓矢量。

圖1 三相逆變器輸出的電壓矢量

設定晶體管截止為0，導通為1，則功率晶體管的開關狀態共有8個（000-111），相對應的有8個空間電壓矢量，8個空間電壓矢量中（111）和（000）為零矢量，每個空間電壓矢量的幅值都是2VDC/3。空間矢量脈寬調制是用兩個零矢量和 6個有效空間電壓矢量的組合去等效Vref（旋轉參考矢量），從而使電機磁通軌跡向圓形逼近。即在任意小的時間周期T內，使逆變器的輸出和Uref（參考電壓）的平均輸出一樣，如下式

式中，1T為空間矢量xU的作用時間；2T為空間矢量60xU±的作用時間。若T足夠小，則式（6）可寫成下式形式

從式（7）可看出，若T足夠小，逆變器輸出可以對Uref的變化實時跟蹤。因為T1、T2的和可能小于T，所以在一個周期中剩余的時間要用零矢量來補充。式（7）就可寫為式（8）的形式，即

式中，0T為111U或000U的作用時間。在此作用時間內，磁鏈矢量的末端靜止，因而改變了磁鏈的旋轉頻率，實現了變頻。

3 SVPWM調制的單段初級PMLSM矢量控制系統仿真模型的建立

為了驗證控制方案，建立了SVPWM調制的位置、速度和電流閉環矢量控制系統仿真模型，進行了空載啟動及負載突變的仿真。

在仿真中所采用的永磁同步直線電動機參數：動子質量M=5kg，極對數p=4，電樞電阻RS=1.9?，直軸電感Ld=2.7mH，交軸電感Lq=2.7mH，主磁鏈fψ=0.27Wb，極距τ=45mm，粘滯摩擦系數Bv=0Nm/s。速度和電流環都采用PI控制：速度環積分系數Ki=2，比例系數Kp=40；電流環比例系數Kp=9.8，積分系數Ki=2.6。

系統仿真模型如圖2所示。

圖2 位置、速度和電流三閉環PMLSM矢量控制系統

4 仿真結果及分析

設定動子最大有效行程s*=10τ，最大速度vmax=0.45m/s，空載起動0.4s時突加100N負載，0.9s時負載突減為50N。仿真波形如圖3所示。

圖3 給定vmax*=0.45m/s，空載起動，0.4s時加載100N，0.9s時突減為50N的波形

從仿真波形中可看出，在動子最大有效行程及運行速度給定后，位置控制器能夠產生余弦型速度給定曲線，在整個行程的兩端都要設定一段升降速的距離，距離編制的余弦速度給定曲線來給定升降速的速度。

從仿真結果中可看出，所設計的位置、速度和電流三閉環的矢量控制系統具有較好的跟隨性、起動和制動性能，在負載突加和突減時具有較好的抗擾性能。從速度曲線上可看出，速度能夠比較快的達到穩定，在SVPWM的控制策略下，電流仿真波形畸變較小。

5 結論

通過仿真實驗結果可以得出，采用位置、速度和電流閉環矢量控制和SVPWM空間矢量脈寬調制的單段初級 PMLSM系統能夠取得很好的控制效果，驗證了所采取的控制策略的正確性。本文仿真結果為實現永磁同步直線電動機提升系統的控制提供理論依據，有非常重要的意義。

[1] 汪旭東,袁世鷹,焦留成.永磁直線同步電動機垂直運輸系統的研究現狀[J].微電機, 2000,33(5):35-38.

[2] 林春,邱建琪,何苗等.永磁同步直線電機驅動控制技術研究[J].中小型電機,2004, 31(6):41-44.

[3] 王建寬,崔巍,江建中.SVPWM 技術的理論分析及仿真[J].微特電機,2006(6):15-18.