基于矢量控制的永磁同步電動機調速過程的仿真

鄧小楚

[摘 要]根據矢量控制理論和永磁同步電動機的數學模型建立仿真模型，并對永磁同步電動機的調速過程進行仿真。仿真結果較好地反映了永磁同步電動機的調速運行過程，為進一步的工程應用奠定了基礎。

[關鍵詞]永磁同步電動機；矢量控制；調速；仿真

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.075

1 引 言

近年來，隨著控制理論、永磁材料和電力電子技術的發展，基于矢量控制的永磁同步電動機（PMSM）以其優良的控制性能、高功率密度和高效率，越來越多地用于各種高性能伺服系統及其他領域。本文對基于矢量控制的永磁同步電動機進行了理論研究與分析，并運用Matlab/Simulink對其調速運行進行了建模與仿真。

2 矢量控制的永磁同步電動機基本原理

2.1 交流電機矢量控制的基本思想

自1971年德國西門子公司F.Blaschke發明了基于坐標變換的交流電機矢量控制原理以來，交流電機矢量控制得到了廣泛應用。矢量控制理論的基本思想是通過矢量旋轉變換和轉子磁場定向，將定子電流分解為與磁場方向一致的勵磁分量和與磁場方向正交的轉矩分量，從而得到與直流電動機相似的解耦數學模型，使交流電動機的控制性能可與直流電動機相媲美。

經過30多年的理論研究和工程實踐，交流電機矢量控制理論日趨完善。大大小小的交流電機調速控制系統大多采用矢量控制。在交流同步電動機調速系統，特別是永磁同步電動機調速系統中，永磁同步電動機以其原理與結構上的特殊性使矢量控制的優勢得到了充分的發揮。

永磁同步電動機的轉子磁極是用永久磁鋼制成的，通過對磁極極面形狀的設計使其在定、轉子之間的氣隙中產生呈正弦分布的轉子磁場。該磁場的軸線與轉子磁極的軸線重合，并隨轉子以同步速度旋轉。因此矢量控制中的同步旋轉軸系與轉子旋轉軸系重合。永磁同步電動機的定子磁場是由定子繞組中通過對稱的交流電建立的，定子磁場在定、轉子氣隙中也呈正弦分布并以同步速度旋轉。因此，當負載一定時，定、轉子旋轉磁場之間的差角——功率角是恒定的，通過折算并保持功率角為90°。這樣一來，永磁同步電動機就和無補償繞組的直流電動機基本相同了，可以實現解耦控制，即轉子磁場定向的矢量控制。

2.2 永磁同步電動機的數學模型

為建立正弦波永磁同步電動機的數學模型，首先假設：

（1）忽略電動機鐵心的飽和；

（2）不計電動機的渦流和磁滯損耗；

（3）電機電流為對稱的三相正弦波電流。

根據以上矢量控制的基本思想，在永磁同步電動機中，同步旋轉坐標系取轉子磁場中基波磁勢的軸線即轉子磁極軸線為d軸（直軸），順旋轉方向超前d軸90°電角度為q軸（交軸），軸系隨同轉子以同步角速度旋轉。根據矢量控制理論中的坐標變換方法，永磁同步電動機定子三相電流變換到同步旋轉坐標系的變換公式為：

3 永磁同步電動機調速系統的仿真模型

根據矢量控制和永磁同步電動機的數學模型建立系統的仿真控制模型如圖1所示，直流電壓源經三相橋式可控逆變電路向電動機提供三相正弦交流電；控制系統采用轉速環、電流環雙環控制，轉速環為外環，采用PI調節器，消除調速系統的誤差使電機轉速跟隨給定；電流環為內環，采用滯環控制，以提高系統的動態相應特性；通過給定轉速對系統進行仿真。

4 永磁同步電動機調速過程的仿真

根據建立的仿真模型，對一臺4極、額定速度為1500 r/min的永磁同步電動機進行仿真。電機從起動到加速至1500 r/min運行，然后再將轉速由1500 r/min調整到1200 r/min時，其三相定子電流、轉速及電磁轉矩如圖2所示。

5 結 論

隨著計算機技術的發展，且仿真研究具有安全、經濟和省時等諸多優點，故在科學研究和工程領域中越來越多地采用這一技術作為預研究。在本文所設計的永磁同步電動機調速系統的仿真模型上，可以十分方便地對永磁同步電動機、PI調節器的各種參數進行調整，甚至還可以根據需要對調速系統電流環和速度環中的PI調節器進行調整。例如將速度環中的PI調節器調整為增量式PID調節器或其他控制效果更加優良的調節器，以達到最佳的控制效果。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]姚俊，馬松輝.SIMULINK建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3]陳榮，嚴仰光.永磁同步電動機速度階躍響應研究[J].中小型電機，2005，32（1）：41-45.

[4]黃秋芳.電動汽車用交流電機矢量控制系統MATLAB仿真分析[J].海峽科學，2010，12（48）：88-90.

[5]郝軍，梁正文.基于SIMULINK的異步電動機矢量控制變頻調速設計與仿真[J].機電產品開發與創新，2006，19（4）：143-144.

[6]程仁洪，涂奉生.基于優化PWM波的定子電壓定向矢量控制系統仿真[J].系統工程與電子技術，1999，21（7）：69-71.

[7]趙龍星，李鳳，劉直.微機控制異步電動機的矢量調速系統[J].大連海運學院學報，1999，15（4）：92-98.