永磁同步電動機矢量控制

0 引言
隨著高性能永磁材料、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(PMSM)的應用領域不斷擴大，在數(shù)控機床，機器人等高精度控制領域得到廣泛應用。由于對電機控制性能的要求越來越高，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的研究已成為中小容量交流伺服系統(tǒng)研究的重點之一，如何建立有效的仿真模型越來受到人們的關注。本文在分析永磁同步電機數(shù)學模型的基礎上，用MATLAB語言中的Simulink和Power System B1ock模塊建立了控制系統(tǒng)的仿真模型，對得出的仿真結(jié)果進行了分析。

1 永磁同步電機數(shù)學模型
永磁同步電機的數(shù)學模型基于以下假設：
(1)忽略飽和、渦流、磁滯效應的影響；
(2)電機的電流為對稱的三相正弦波電流：
(3)永磁體磁動勢叵定，即等效的勵磁電流恒定不變；
(4)三相定子繞組在空間呈對稱星形分布，定子各繞組的電樞電阻電樞電感相等；
永磁同步電動機是交流同步調(diào)速系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)，分析其數(shù)學模型對把握其調(diào)速特性尤為重要。取轉(zhuǎn)子永磁體基波勵磁磁場軸線為d軸，q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90度電角度，dq軸系隨同轉(zhuǎn)子以角速度ωr一道旋轉(zhuǎn)，它的空間坐標以d軸與參考軸α間的電角度θr來表示，則理想永磁同步電機在dq旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學模型可以寫成如下形式：

根據(jù)數(shù)學模型用Simulink建立了永磁同步電機的模塊如圖2．1所示：

2 永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)控制原理

由上式可以看出，永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩基本上取決于定子電流在q軸上的分量。由于永磁同步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈恒定不變，所以普遍采用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制，控制的實質(zhì)就是通過對定子電流的控制來實現(xiàn)交流永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制id=0可以更有效的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這時電磁轉(zhuǎn)矩Tem=Pniqψr，可見電磁轉(zhuǎn)矩就隨著iq的變化而變化，這種控制方法最為簡單。然而轉(zhuǎn)速在基速以上時，因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數(shù)，電機感應電動勢隨著電機轉(zhuǎn)速成正比例的增加。電動機感應電壓也跟著提高，但是又要受到與電機端相連的逆變器的電壓上限的限制。
在實際控制中，系統(tǒng)檢測到的是流入電機的三相定子電流，所以必須進行坐標變換，把三相定予坐標上的電流分量經(jīng)park，clarke變換成轉(zhuǎn)子坐標系上的電流分量。要實現(xiàn)定子坐標系到轉(zhuǎn)子坐標系的變換必須在控制中實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，常用的轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器有增量式光電編碼器，絕對式光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。位置信號指令與檢測到的轉(zhuǎn)子位置相比較，經(jīng)過位置控制器的調(diào)整，輸出速度指令信號，速度指令信號與檢測到的轉(zhuǎn)子速度信號相比較，經(jīng)速度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流分量i*q，電流分量給定信號與經(jīng)過坐標變換的電機實際電流分量比較，通過電流控制器計算，其輸出量經(jīng)反park變換用于計算產(chǎn)生PWM驅(qū)動IGBT，產(chǎn)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子，驅(qū)動電機工作。