永磁同步电机系统仿真.

1第1章绪论1.1课题研究的背景1.1.1永磁同步电机的发展状况永磁同步电机出现于20世纪50年代。其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体替代激磁绕组，使电机结构更为简单，提高了电机运行的可靠性。随着电力电子技术和微型计算机的发展，20世纪70年代，永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。由于受到功率开关元件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，永磁同步电机最初都采用矩形波波形，在原理和控制方式上基本上与直流电机类似，但这种电机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上又研制出带有位置传感器、逆变器驱动的正弦波永磁同步电机，这就使得永磁同步电机有了更广阔的前景。1.1.2永磁同步电机控制系统的发展随着永磁同步电动机的控制技术的不断发展，各种控制技术的应用也在逐步成熟，比如SVPWM、DTC、SVM-DTC、MRAS等方法都在实际中得到应用。然而，在实际应用中，各种控制策略都存在着一定的不足，如低速特性不够理想，过分依赖于电机的参数等等，因此，对控制策略中存在的问题进行研究就有着十分重大的意义。20世纪90年代后，随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速度、高集成度、低成本的微处理器问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。通过微机控制，可使电机的调速性能有很大的提高，使复杂的矢量控制与直接转矩控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，还能具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自复位等功能。另外，改变控制策略、修正控制参数和模型也变得简单易行，这样就大大提高了系统的柔性、2可靠性及实用性。近几年，在先进的数控交流伺服系统中，多家公司都推出了专门用于电机控制的芯片。能迅速完成系统速度环、电流环以及位置环的精密快速调节和复杂的矢量控制，保证了用于电机控制的算法，如直接转矩控制、矢量控制、神经网络控制等可以高速、高精度的完成。非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模型参考自适应控制、观测控制及状态观测器、线性二次型积分控制及模糊智能控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景。因此，采用高性能数字信号处理器的全数字交流永磁伺服智能控制系统是交流伺服系统的重要发展方向之一。1.2本文主要工作本文立题为永磁同步电机控制系统仿真，进行了一系列的工作，主要涉及以下的研究内容：(1)建模与仿真的关系，及仿真的实际应用意义；(2)介绍永磁同步电机的分类、结构与应用，给出永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型及运动方程；(3)介绍永磁同步电机矢量控制的理论基础；(4)建立永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型；(5)对仿真结果的进行分析，得出永磁同步电机的性质特点。3第2章建模与仿真建模与仿真是指构造现实世界实际系统的模型和计算机上进行仿真的有关复杂活动，它主要包括实际系统、模型和计算机等三个部分，同时考虑三个基本部分之间的联系，即建模与仿真关系。2.1建模与仿真的定义建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系，它通过对实验系统的观测和检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型，如图2-1所示。仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接受并在计算机上运行[7]。图2-1建模与仿真的基本组成与两个关系实验系统计算机模型建模仿真4第3章永磁同步电机结构及其数学模型3.1永磁同步电动机的概述3.1.1同步电机的基本原理同步电动机是一种交流电动机，其主要特点是电动机转速与电动机定子电流频率以及电动机极对数存在着严格不变的关系。普通同步电动机由定子和转子两大部分组成，电动机定子由定子铁心、定子绕组和机壳组成。电动机转子有凸极式和隐极式两种结构形式，隐极式转子做成圆柱形且其气隙均匀，而凸极式转子的磁极明显凸出且气隙不均匀，极弧底下气隙较小，极间部分气隙较大。一般而言，当同步电动机转速较小时，可采用结构简单的凸极式转子结构。同步电动机的励磁绕组套在转子磁极铁心上，而经由电刷和集电环引入的励磁电流应能使转子磁极的极性呈现N，S极交替排列[11][12]。同步电动机的工作原理，就是电动机定子的旋转磁场以磁拉力拖着电动机转子的同步地旋转。电动机定子三相绕组接入三相电流而产生的旋转磁场与电动机转子励磁绕组接入直流电流而形成的转子磁场相互作用。同步电动机的转速表达式为：n=ns=60fs/pn。式中,fs为电源频率；pn为电动机的极对数；ns为同步转速。3.1.2永磁同步电机的基本结构与传统电机一致，永磁同步电机由定子和转子两大部分组成。与传统同步电机定子结构基本相同，永磁同步电机定子主要由冲有槽孔的硅钢片、三相Y型连接的对称分布在槽中的绕组、固定铁芯的机壳及端盖等部分组成。三相永磁同步电机的基本结构如图3-1所示。如果在三相空间对称的定子绕组中通入三相时间上也对称的正弦电流，那么在三相永磁同步电机的气隙中会产生一个在空间旋转的圆形磁场，其转速为n=ns=60fs/pn。式中，fs为电源频率；pn为电动机的极对数；ns为同步转速。53.2永磁同步电机数学模型数学模型能够描述实际系统各物理量之间的关系和性能，是被描述系统的近似模拟。永磁同步电机的数学模型认识、分析电机的运动规律和各变量间的因果或定量关系，是对永磁同步电机进行控制的理论基础。永磁同步电机的定子与普通励磁同步电机的定子一样都是三相对称绕组。通常按照电动机惯例规定各物理量的正方向。以三相星形180°的通电模式为例来分析PMSM的数学模型及电磁转矩等特性[18-23]。为了便于分析，假定：(1)磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗；(2)忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响；(3)三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布；(4)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；(5)驱动二极管和续流二极管为理想元件；(3-1)3.2.1电压平衡方程三相永磁同步电机的定子绕组和普通三相交流感应电机或同步电机的定子绕组很相似的，三相绕组空间分布，轴线互差120°电角度，每项绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡。有所不同的是定子每相绕组内部的磁链，普通三相交流感应电机由定子三相电流和转子电流共同产生；普通同步电机由定子三相绕组与转子励磁电流和阻尼绕组电流共同产生；永磁同步电机由定子三相绕组电流和转子永磁体产生。定子三相绕组电流产生的磁链与转子的位置角有关，其中转子永磁磁链在每相绕组中产生反电动势。由此得到定子电压方程式：AAsApΨiRu(3-2)BBsBpΨiRu(3-3)CCsCpΨiRu(3-4)其中：CBA,,uuu-三相绕组电压；6sR-每相绕组电阻；CBA,,iii-三相绕组相电流；CBA,,ΨΨΨ-三相绕组匝链的磁链；dtdp-微分算子。3.2.2磁链方程定子每相绕组磁链不仅与三相绕组电流有关，而且与转子永磁极的励磁磁场和转子的位置角有关，因此磁链方程可以表示为fACACBABAAAAΨiMiMiLΨ(3-5)fBCBCBBBABABΨiMiLiMΨ(3-6)fCCCCBCBACACΨiLiMiMΨ(3-7)其中：CCBBAB,,LLL-每相绕组互感；ACCACBBCBAAB,,MMMMMM-两相绕组互感；fCfBfA,,ΨΨΨ-三相绕组匝链的磁链的转子每极永磁磁链。并且fΨ定子电枢绕组最大可能匝链的转子每极永磁磁链cosffAΨΨ(3-8))32cos(ffBΨΨ(3-9))32cos(ffCΨΨ(3-10)3.2.3感应电动势转子永磁在气隙中产生的正弦分布磁场，正弦分布磁场的幅值fgΨ是恒定的，空间位置就是转子永磁磁极的直轴位置，它相对于定子A相绕组轴线等于转子位置角，在空间的分布可以表示为)cos(),(ffgΨΨ(3-11)或者7sinsincoscos),(fffgΨΨΨ(3-12)当永磁磁极旋转，转子位置角θ随时间变化时，由式(3-12)可知，转子永磁磁场是一个幅值恒定不变、幅值位置=随转子永磁磁极位置变化的圆形旋转磁场，旋转磁场的幅值在空间的转速等于转子转速。对每一相定子电枢绕组来说，旋转的圆形旋转磁场会在绕组中感应电势，称为运动电势。由于圆形旋转磁场对于空间任意一点确定的位置仍然表现为脉动的磁场，而且任意时刻圆形旋转磁场的空间分布仍然具有正弦规律，因此由式(3-13)可以看出，对于每一相定子电枢来说，绕组轴线的空间位置角θ是确定的，转子圆形旋转磁场相当于是两个正交的脉振磁场的叠加[20-23]，如图3-2所示：该圆形旋转磁场从定子上观测，相当于一个同A相绕组轴线重合按照余弦规律变化的脉振磁场fAΨ与另一个同A相绕组垂直按照正弦规律变化的脉振磁场fAΨ的叠加，即有cosffAΨΨ(3-13)sinffAΨΨ(3-14)与A相绕组轴线正交的脉振磁场fAΨ在A相绕组中匝链的磁链等于0，因此fAΨ在A相绕组中产生的感应电势也是等于0。而与绕组轴线重合的脉振磁场fAΨ则产生感应电势。根据电磁感应定律，可以得到A相绕组由转子永磁磁场引起的感应电势为sinffAAωΨpΨe(3-15)Ψfg0θΨfA⊥图3-2圆形磁场与脉振磁场8其中转子旋转的电角速度等于转子位置角的微分p(3-16)同理有，)32cos(ffBΨΨ(3-17))32cos(ffCΨΨ(3-18)由此，根据式(3-18)可以求出B相和C相绕组中由转子永磁磁场产生的感应电势分别为)32sin(fBΨe(3-19))32sin(fCΨe(3-20)三相绕组感应电势也可以用统一的表达式，即)sin(XfXΨe(3-21)由式(3-21)可知，永磁磁场在定子电枢绕组中产生的感应电势的幅值为fΨ，它不仅与转子的转速成正比，还与转子永磁磁场与定子电枢绕组匝链的磁链成正比。3.3坐标变换对于三相永磁同步电机来说，它是一个具有多变量、解耦合及非线性的复杂系统，要想对它进行直接的控制是十分困难的，因此借助于坐标变换，将它解耦，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，此时，同步坐标系中的各空间向量就都变成了直流量，这样就把定子电流中的励磁分量和转矩分量变成标量独立开来，对这些给定量实时控制，就能达到直流电机的控制性能了。3.3.1三相静止坐标系(A-B-C轴系)三相永磁同步电机的定子中有三相绕组，其绕组轴线分别为A、B、C，且9彼此相差120°空间电角度，构成了一个A-B-C三相坐标系，如图3-3所示。空间矢量jV在三个坐标轴上的投影分别为AV、BV、CV，代表该矢量在三个绕组上的分量[18-23]。βB0CαAVAVαVjVβVCVB图3-3三相静止坐标系3.3.2两相静止坐标系(α-β轴系)定义一个两相直角坐标系(α-β轴系)，它的α轴和三相静止坐标系的A轴重合，β轴逆时针超前α轴90°空间电角度，如图3-4，图中Vα、Vβ为jV矢量在α-β坐标系的投影。由于α轴固定在定子A相绕组轴线，故α-β坐标系亦为静止坐标系。3.3.3两相旋转坐标系(d-q轴系)两相旋转坐标系固定在转子上，其d轴位于转子磁极轴线，q轴逆时针超前d轴90°空间电角度，如图3-4所示，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故为旋转坐标系。10qβVβVfdVdαVqVαθ图3-4两相静止坐标系3.3.4三相静止坐标系与两相静止坐标系间的变换(3s/2s)在三相静止坐标系中，空间矢量jV可由AV、BV、CV来表示，即用AV、BV、CV来合成jV，有：C2BAjVaaVVV(其中，32πjea)(3-22)同样，也可以在两相静止坐标系中用Vα、Vβ来合成Vj，如果保证两次合成的矢量相等，那么这种变换就是等效变换。C2BAβαjVaaVVjVVV(其中，32πjea)(3-23)分离实部和虚部，有：CBAα2121VVVV(3-24)CBβ2323VVV(3-25)写为矩阵形式：11=CBAβα2323021211V