SVPWM的永磁同步電機(jī)系統(tǒng)控制研究

永磁同步電機(jī)（PMSM）由于其重量輕、可靠性良好、體積較小等優(yōu)勢(shì)，目前以成為各種車輛中最為理想的執(zhí)行單元。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能控制算法及特殊永磁材料的高速發(fā)展，PMSM已被廣泛的應(yīng)用于各種領(lǐng)域中。

本期通過理論研究，將電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）方法應(yīng)用于PMSM中，利用SVPWM電壓利用率高等特點(diǎn)，提高了PMSM的可靠性，為實(shí)際的PMSM的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了思路。

1、永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了對(duì)PMSM進(jìn)行控制分析，首先需要構(gòu)建PMSM的數(shù)學(xué)模型。在此，忽略PMSM中渦流、磁阻及磁滯的損耗，其數(shù)學(xué)模型如下所示：

式中，ud和uq表示定子電壓d軸和q軸的分量；id和iq表示定子電流d軸和q軸的分量；Φd和Φq為兩軸的定子磁鏈；Φf為永磁體磁鏈；Rs為定子繞組電阻；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)；p為微分算子；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

2、基于Simulink的PMSM仿真建模

基于Matlab2020的Simulink軟件所建立的PMSM矢量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

系統(tǒng)主要由逆變器、位置速度檢測(cè)、SVPWM、PMSM等組成。系統(tǒng)中，速度環(huán)和電流環(huán)由PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制。

2.1、永磁同步電機(jī)模塊

本文搭建的PMSM模塊基于軟件自帶的Permanent Magnet SynchronousMachine的模塊，該模型的輸入為A、B、C三相電壓輸入和負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tm，電機(jī)的輸出量為m。通過Permanent Magnet SynchronousMachine模型可以檢測(cè)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子、電流等信息。

2.2、主電路模塊

主電路模塊采用軟件自帶的Universal Bridge模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了所選電力電子設(shè)備的橋接。串聯(lián)RC緩沖電路與每個(gè)開關(guān)器件并聯(lián)。當(dāng)模型離散化時(shí)，按Help獲取建議的緩沖器值。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，二極管和晶閘管的內(nèi)部電感Lon應(yīng)設(shè)置為零。備注：逆變器輸出線電壓應(yīng)該等于udc直流測(cè)電壓。

2.3、Park變換模塊

Park變換器的定義：Park變換是將兩相靜止坐標(biāo)下的電流變換到旋變坐標(biāo)d、q下，其Simulink模型結(jié)構(gòu)圖為：

2.4、Clarke模塊

Clarke變換器的定義：將三相對(duì)稱坐標(biāo)變換成兩相靜止坐標(biāo)。

2.5、SVPWM模塊

SVPWM主要以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)定子理想磁鏈圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，以三相逆變器不同開關(guān)模式作適當(dāng)?shù)那袚Q，從而形成PWM波。通過形成的實(shí)際磁鏈來準(zhǔn)確跟蹤磁鏈圓，繼而達(dá)到理想的控制效果。

三相電壓型逆變電路上下橋臂的開關(guān)狀態(tài)互為補(bǔ)充，所以只需要用上橋臂的開關(guān)狀態(tài)就足以描述逆變器的工作狀態(tài)。

（1）電壓空間矢量

電壓空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）中的空間矢量既有正弦性，又應(yīng)該具有時(shí)間上的正弦性。

（2）電壓扇區(qū)判斷

判斷參考電壓矢量所在扇區(qū)：

計(jì)算X、Y、Z以及T1、T2：

2.6、脈沖輸出模塊

3、仿真分析

本期基于PMSM的數(shù)學(xué)模型，基于Simulink軟件，采用SVPWM矢量控制策略搭建了永磁同步電機(jī)閉環(huán)控制模型。根據(jù)仿真結(jié)果可知：基于SVPWM的控制策略具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，仿真波形符合理論分析，系統(tǒng)運(yùn)行較平穩(wěn)。