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、大規模集成電路和計算機技術的發展，永磁同步電機(PMSM)的應用領域不斷擴大，在數控機床，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能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制，永磁同步電機矢量控制系統的研究已成為中小容量交流伺服系統研究的重點之一，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的仿真模型，對得出的仿真結果進行了分析。

1 永磁同步電機數學模型
永磁同步電機的數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速系統的主要環節，分析其數學模型對把握其調速特性尤為重要。取轉子永磁體基波勵磁磁場軸線為d軸，q軸順著旋轉方向超前d軸90度電角度，dq軸系隨同轉子以角速度ωr一道旋轉，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旋轉坐標系中的數學模型可以寫成如下形式：

根據數學模型用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控制原理

由上式可以看出，永磁同步電機的電磁轉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子磁鏈恒定不變，所以普遍采用按轉子磁鏈定向的矢量控制，控制的實質就是通過對定子電流的控制來實現交流永磁同步電動機的轉矩控制。轉速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制id=0可以更有效的產生轉矩，這時電磁轉矩Tem=Pniqψr，可見電磁轉矩就隨著iq的變化而變化，這種控制方法最為簡單。然而轉速在基速以上時，因為永久磁鐵的勵磁磁鏈為常數，電機感應電動勢隨著電機轉速成正比例的增加。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park，clarke變換成轉子坐標系上的電流分量。要實現定子坐標系到轉子坐標系的變換必須在控制中實時檢測電機轉子的位置，常用的轉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變壓器。位置信號指令與檢測到的轉子位置相比較，經過位置控制器的調整，輸出速度指令信號，速度指令信號與檢測到的轉子速度信號相比較，經速度調節器的調節，輸出控制轉矩的電流分量i*q，電流分量給定信號與經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，其輸出量經反park變換用于計算產生PWM驅動IGBT，產生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子，驅動電機工作。