永磁同步電機矢量控制系統分析仿真畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 變器的一拍。為了使電機旋轉磁場逼近圓形，每個扇區再分成若干個小區間。越短，旋轉磁場越接近圓形，但的縮短受到功率開關器件所允許開關頻率的制約。2）在每個小區間內雖有多次開關狀態的切換，但每次切換都只涉及一個功率開關器件，因而開關損耗較小。3）每個小區間均以零電壓矢量開始，又以零電壓矢量結束。4）利用電壓空間矢量直接生成三相PWM 波，計算簡便。5）采用SVPWM 控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側電壓，這比一般的SPWM 逆變器輸出電壓提高了15%。電壓空間矢量是按照繞組所加電壓的空間位置來定義的。為電角度互差120176。的三相電壓，其矢量相加的空間合成矢量是一個旋轉的空間矢量，并且幅值不變，是相電壓的3/2 倍[11]。在電源頻率不變條件下，合成的電壓矢量以電源角頻率為電氣角度作恒速旋轉。某一相電壓為最大值時，合成電壓矢量就落在該相軸線上。當交流電機由理想的三相正弦電源供電時，有 （211）式中， 為電源線電壓的有效值；為電源相電壓的有效值；為電源電壓的角頻率,。由于三相異步電動機的定子繞組矢量空間上互差分布，定義電壓空間矢量為 （212）式中， 為電壓空間矢量，考慮到不同的變換，k 可以取不同的值，如果功率不變，則電壓電流幅值不變等。為使合成空間矢量在靜止三相坐標軸上的投影和分矢量相等，可以將k 值取為2/3，（這也是Park 變化所采用的系數）。所以電壓空間矢量可以表示為 (213)將（）式中的值代入式（）可得理想電壓下電壓空間矢量 （214）式中， ； 可見理供電情況下，合成磁鏈空間矢量為幅值不變的圓形旋轉矢量。與電壓空間矢量相類似，定義磁鏈空間矢量為 （215）式中， 為磁鏈空間矢量，分別為電機三相磁鏈矢量的模值。 SVPWM的原理 中六個功率開關器件都以開關符號代替，其中的逆變器采用上、下管縱向換流，功率開關器件共有8 種工作狀態，如把上橋臂器件導通用 “1”表示，下橋臂器件導通用 “0”表示，則8 種狀態按照ABC 相序依次排列時可分別表示為100，110，010，011，001，101 以及111 和000。同時也就構成了八種電壓空間矢量, , , , , , , , 所示。 三相逆變器異步電動機調速系統主電路原理圖 基本電壓空間矢量 所示，除了2 個零矢量之外，其余6 個非零矢量均勻地分布在復平面上。，這6 個模為 的矢量將復平面分為6 個扇區，對于任意扇區的空間矢量都是由該扇區兩邊的電壓空間矢量合成的。如果 在復平面上旋轉，就得到了三相對稱的正弦量[6]。但是受到開關頻率和適量組合的限制， 只能以某一速度旋轉，從而使矢量軌跡為一個類似圓形的多邊形軌跡，當PWM 的開關頻率越高，就軌跡越接近圓形。 空間矢量的扇區分布對于每一個電壓空間矢量， 求出各相的電壓值，再將各相的電壓值代入，可以求得電壓空間矢量的位置。下面以開關狀態為例，即開關導通，其余關斷。逆變電路的形式可以變為B 相和C 相并聯后再和A 相串聯的形式，易得 。將其數值代入，可得。 不同開關狀態對應的空間矢量表定子電壓空間矢量開關狀態A相B相C相矢量表達式 SVPWM的合成 所示，如果在III 區，就可以通過 來合成，根據矢量合成法則有： (216)式中，為矢量在一個開關周期中的持續作用時間；T 為PWM 開關周期。為零矢量的作用時間，則： (217)(218)在平面中， （219） (220)(221) 由式（）、式（）、式（）得： (222)當合成矢量位于其他扇區時，亦可以通過以上算法計算出相鄰兩個矢量的作用時間，依據以上算法不難發現，無論在哪個扇區，矢量作用時間都是一些固定值的組合。所以定義三個基本的時間變量。 (223)假如每個扇區的矢量作用時間按照矢量標號順序從小到大依次為,則可以得六個扇區的矢量作用時間， 所示。 每個扇區矢量和X ,Y ,Z 的關系作用時間1 2 T ,T 扇區ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ在實際過程中會出現若給定電壓過大，就會出現過調制現象，即,對此，過調制時，我們采用式（）對, 進行調整。 （224）,為調整后的矢量作用時間。 SVPWM的扇區判斷 所示，可以采用下面的公式來對扇區進行判斷，在扇區判斷時，引入三個變量A、B、C： (225)設電壓空間矢量所在的扇區位置為N ,則N = 4C + 2B + A由此，我們可以得到扇區判斷表， 所示 電壓空間矢量扇區判斷表C賦值B賦值A賦值N扇區C=1否則C=0B=1否則B=0A=1否則A=0011Ⅲ001Ⅰ101Ⅴ100Ⅳ100Ⅵ111Ⅱ 七段式SVPWM的實現由于每個PWM 周期被分為七段，所以每個矢量作用時間也有所調整，這里， 引入三個時間變量,，并定義 (226)在六個扇區中由于作用的矢量不同所以輸出PWM 的翻轉時刻也不同，但都要滿足每個周期每個開關最多動作兩次的原則[5]。 所示，這就是比較單元的值。這樣利用三個比較寄存器CMP1,CMP2,CMP3 和定時器就可以實現七段SVPWM，具體流程如下， 中的比較值送入比較寄存器，讓計數器從0開始計數，從0 增加到T / 2，再從T / 2減小到0，同時將計數器的值和比較寄存器的值相比較，遵循以下規則： 若Tcm1,則PWM1=1 否則PWM1=0 若Tcm2,則PWM3=1 否則PWM3=0若Tcm3，則PWM5=1 否則PWM5=0而PWM2，PWM4，PWM6 為PWM1，PWM3，PWM5 的互補輸出，這樣就可以實現七段式的SVPWM。現以第Ⅲ扇區為例。 每個扇區的比較值表扇區ⅠⅡⅢⅣⅤⅥCMP1CMP2CMP3本章主要介紹了永磁同步電機的建模方法和PWM原理以及合成方法。首先，介紹了永磁同步電機模型的建立方法，在文中還給出了化簡的方法和過程。文中還附有永磁同步電機的模型圖。之后，詳細介紹了PWM的原理，重點介紹了變換，變換和他們的你變化也給出了變換的公式以及化簡結果。第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機矢量控制系統仿真 第3章 基于MATLAB 的永磁同步電機矢量控制系統模塊設計磁場取向控制技術是以坐標變換為基礎的，因而通常它又稱為矢量變換控制技術。 給出了基于磁場取向控制技術在PMSM 的矢量控制系統中的框圖。 PMSM 的矢量控制原理圖 所示，搭建MATLAB 仿真框圖。框圖大概構成為：首先借助MATLAB/Simulink 中busselector 圖標將三相電樞繞組中任意兩相的電流瞬時值導出，然后，通過兩個靜止坐標系之間的Clark變換，即把a ?b ?c三軸坐標系內的物理參數變換成α ? β 直角坐標系內的物理參數，求得和[12]；繼而，通過靜止坐標系和旋轉坐標系之間的Park變換，即把靜止的α ? β 直角坐標系內的物理參數變換成旋轉的d ?q直角坐標系內的物理參數，獲得和。電流和 與設定的參考電流和相比較，并借助PI 電流控制器對其進行校正；接著與前饋電壓合成；然后，通過Park 逆變換，把PI 電流控制器的輸出和變換成和；最后，借助電壓空間矢量技術，把新的定子電壓矢量施加給永磁同步電機的三相電樞繞組。為了控制電動機的機械旋轉速度，可以增設一個外環，把實測得到得轉速與參考轉速進行比較，并以此來驅動和調節參考電流和[13]。 的SVPWM 仿真SVPWM 的仿真是根據上一章的原理來搭建的。下面給出SVPWM 各部分的MATLAB 框圖。SVPWM 的MATLAB 仿真主要有以下幾個部分：1） 扇區判斷仿真框圖；2） 參數X ,Y ,Z 的形成框圖；3） 矢量作用時間仿真框圖；4） 扇區比較值仿真框圖；5） cm T 與三角波比較框圖。 扇區判斷部分的Simulink框圖扇區判斷根據矢量圖上六個扇區的分布特點利用數學公式進行判斷從而得到扇區的位置，依據這樣的原理可以得到如下的Simulink 框圖， 所示[16]。 扇區判斷框圖 參數X ,Y ,Z 形成的Simulink框圖參數X ,Y ,Z 在矢量作用時間中提出來的，由于每個扇區的矢量作用時間的公式表達中都有相同的部分，所以為了表示的方便提出用它們來表達，根據公式可以得到下面框圖， 所示[16]。 ,Y ,Z 形成框圖 矢量作用時間的Simulink框圖在完成了X ,Y ,Z 的數學表達后，根據不同扇區矢量作用時間的不同，通過多開關選擇器選擇出對應扇區的矢量作用時間，為了防止過調制，加入了過調制處理環節， 所示[17]。 矢量作用時間的框圖 扇區比較值Simulink框圖 的扇區比較值框圖[16]。 扇區比較值框圖本章主要介紹了矢量控制的基本原理以及其在MATLAB仿真中的實現方法并且給出了其在MATLAB中的具體電路。第4章參數計算 第4章參數計算在基于MATLAB 的永磁同步電機矢量控制仿真中需要進行多次的坐標變換，其中包括三相靜止坐標系到兩相靜止坐標系的變換，即3 s /2 s 。兩相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換，即2 s /2 r 。以及它們的反變換等[18]。下面給出了它們在MATLAB 中的框圖。基于的永磁同步電機矢量控制系統仿真基于的永磁同步電機矢量控制系統仿真整體框圖圖中包括了SVPWM、坐標變換等框圖。 所示。 永磁同步電機電機參數功率定子電阻定子直軸電感定子交軸電感定子相電感極對數3電機摩擦系數根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行控制（簡稱PID 控制），是控制系統中應用最廣泛的一種控制規律[19]。實際運行的經驗和理論的分析都表明，運用這種控制規律對許多工業過程進行控制時，都能得到比較滿意的效果。自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節器組成計算機控制系統，不僅用軟件實現PID 控制算法，而且可以利用計算機的邏輯功能，使PID 控制更加有效[20]。PI 調節器構成的滯后校正可以保證穩態精度，一般調速系統的要求以動態穩定性和穩態精度為準，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI 調節器[20]。 常規PI控制器的設計在矢量控制系統中，PI 調節器參數選擇的好壞直接影響到電機的靜態和動態性能。它主要用于跟蹤反饋量的偏差，對控制量進行調節，其控制規律為： （41）采用DSP 器件后，可以用數字PI 調節實現模擬調節的功能。模擬調節的數字化，實質上是用差分方程去逼近微分方程，對其進行數字模擬，式（ 31）經離散化后可以得到離散的PI 算法為： (42)式中為采樣序號為第 次采樣時刻的控制器輸出值，為第次采樣時刻的輸入值，積分系數。 為采樣周期。要保證足夠的精度，在離散化的過程智能光， 必須足夠短[21]。由式（42）可以看出在使用過程中系統運算工作量大，需要累加偏差，不僅占用較多的存儲單元，而且會造成誤差累積，影響控制系統的性能，因此將式（42）進行改進得到相鄰兩次采樣之間輸出量的變化： (43)從而得到數字PI 調節器的差分方程為： (44)其中 為積分系數。 PI控制器的參數設定第二章中給出了永磁同步電機的數學模型，從電壓方程和轉矩方程