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《動力學與控制學報》2014年第二期
建立及各模塊分析永磁同步電機仿真系統采用雙閉環(huán)控制策略，至于電機的位置計算問題不屬于本文的討論范圍，對于此問題可以進一步研究永磁同步電機系統的無位置傳感器技術．根據模塊化建模的思想，將圖2所示的永磁同步電機控制系統分為若干個功能不同且獨立的子模塊，主要包括以下幾個主要的功能模塊:速度控制器模塊、矢量控制模塊、坐標變換模塊、PWM發(fā)生器模塊、PMSM本體模塊等．在Matlab/Simulink環(huán)境下，通過這些功能模塊的有機組合，建立永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型，實現雙閉環(huán)控制．根據永磁同步電機變頻調速系統原理結構，在Matlab7．0/Simulink仿真環(huán)境下，利用SimPowerSys-tem里面豐富的模塊庫，在分析永磁同步電機數學模型的基礎上，建立永磁同步電機控制系統的仿真模型［5－6］，仿真模型框圖如圖2。建立模型后，就可直接對它進行相應的仿真分析．選擇合適的輸入源模塊做信號輸入，用適當的接收模塊(如示波器)觀察系統響應，分析系統特性．點擊菜單欄Simulation上的Start命令開始仿真，結果輸出到接收模塊上．還可以修改系統模塊及參數，來修正不符合要求的仿真結果，繼續(xù)進行仿真分析．
1．1速度控制模塊速度控制模塊的結構框圖如圖3所示，由圖3可以看出速度控制模塊的結構比較簡單，由PI調節(jié)器和限幅輸出模塊組成．通過反復調整Kp、Ki參數使系統輸出達到最佳狀態(tài)．電流調節(jié)其實就是轉矩調節(jié)模塊，將轉速調節(jié)器的輸出電流作為轉矩調節(jié)器的輸入，其中Saturation飽和限幅模塊的功能是將輸出的三相參考相電流限定在要求的范圍之內．電流調節(jié)模型圖與轉速調節(jié)模型圖相同．
1．2坐標變換模塊坐標變換模塊的結構框圖如圖4所示，坐標變換模塊實現的是dq軸旋轉坐標系下的兩相電流向abc靜止坐標系下的三相電流的等效變換［7］．
1．3PWM發(fā)生器模塊PWM發(fā)生器模塊的結構框圖如圖5所示，此模塊為逆變橋提供SVPWM觸發(fā)信號，該模塊可以.
2永磁同步電機控制系統的仿真及分析
根據圖2所示的永磁同步電機控制系統的仿真電路圖對該系統進行仿真實驗和性能分析，以驗證其可行性和有效性，在進行仿真實驗前需要設置電機的相關參數．永磁同步電機的參數設置如表1所示。對仿真參數的設置如下:負載轉矩起始值為5N．m(額定值)，在0．1s時降至1N．m．在Simulink中，選擇工作窗口主菜單下的Simulation/simulationparameters，進入仿真參數設置窗口，可以在窗口中設置仿真起始時間、終止時間、仿真步長、解法和誤差限等．在如圖2－3所示的仿真電路圖中，設置起始時間為0，終止時間為0．2s，選取ode23tb(可變階次的數值微分公式算法)變步長解法，其它都使用缺省選項。為了驗證永磁同步電機控制系統仿真模型的靜態(tài)和動態(tài)特性，分以下兩種況進行仿真．(1)當參考轉速speed(ref)=200r/min(低速)時，由示波器觀測各參數波形圖，轉速響應曲線如圖6所示，d軸、q軸電流響應曲線如圖8所示，轉矩響應曲線如圖10所示．(2)當參考速度speed(ref)=2000r/min(高速)時，由示波器觀測各參數波形圖，轉速響應曲線如圖7所示，d軸、q軸電流響應曲線如圖9所示，轉矩響應曲線如圖11所示．由以上仿真波形可以看出:電機的轉矩、電流在電機啟動時，都急劇增加，但很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，此時轉矩值為5N．m．在0．1s時，由于負載轉矩減小為1N．m，電流、轉矩都出現輕微波動，但很快又都達到新的穩(wěn)定狀態(tài)．而電機轉速由于慣性的作用，并未出現波動保持穩(wěn)定．在200r/min的參考轉速下，系統響應較快較平穩(wěn)，實際轉速能快速跟蹤參考轉速，但超調較大，電磁轉矩能跟蹤負載轉矩，穩(wěn)態(tài)時d軸電流略有波動，但基本平穩(wěn);在2000r/min的參考轉速下，系統響應較快，轉速跟蹤幾乎無超調，電磁轉矩能夠跟蹤負載轉矩，穩(wěn)態(tài)時轉矩和電流略有波動。
3結論
在分析永磁同步電機數學模型的基礎之上，建立了電機的數學方程，通過數學的方法去研究永磁同步電機，并在Matlab/Simulink里搭建模型并進行仿真．由電機仿真波形可以看出，系統具有調速范圍較寬，動態(tài)響應好，穩(wěn)態(tài)誤差較小的特點，這與實際電機的運行狀態(tài)是一致的，系統起動后保持恒定轉矩，突加擾動時系統波動較小，充分說明系統具有較好的魯棒性．采用該PMSM仿真模型可以便捷地實現、驗證id=0控制算法，同時也為實際PMSM系統的設計和調試提供了有效途徑．
作者：張程金濤單位：福州大學電氣工程與自動化學院福建工程學院信息科學與工程學院