基于矢量控制的永磁同步电动机调速过程的仿真

邓小楚

[摘 要]根据矢量控制理论和永磁同步电动机的数学模型建立仿真模型，并对永磁同步电动机的调速过程进行仿真。仿真结果较好地反映了永磁同步电动机的调速运行过程，为进一步的工程应用奠定了基础。

[关键词]永磁同步电动机；矢量控制；调速；仿真

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.45.075

1 引 言

近年来，随着控制理论、永磁材料和电力电子技术的发展，基于矢量控制的永磁同步电动机（PMSM）以其优良的控制性能、高功率密度和高效率，越来越多地用于各种高性能伺服系统及其他领域。本文对基于矢量控制的永磁同步电动机进行了理论研究与分析，并运用Matlab/Simulink对其调速运行进行了建模与仿真。

2 矢量控制的永磁同步电动机基本原理

2.1 交流电机矢量控制的基本思想

自1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于坐标变换的交流电机矢量控制原理以来，交流电机矢量控制得到了广泛应用。矢量控制理论的基本思想是通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向一致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，从而得到与直流电动机相似的解耦数学模型，使交流电动机的控制性能可与直流电动机相媲美。

经过30多年的理论研究和工程实践，交流电机矢量控制理论日趋完善。大大小小的交流电机调速控制系统大多采用矢量控制。在交流同步电动机调速系统，特别是永磁同步电动机调速系统中，永磁同步电动机以其原理与结构上的特殊性使矢量控制的优势得到了充分的发挥。

永磁同步电动机的转子磁极是用永久磁钢制成的，通过对磁极极面形状的设计使其在定、转子之间的气隙中产生呈正弦分布的转子磁场。该磁场的轴线与转子磁极的轴线重合，并随转子以同步速度旋转。因此矢量控制中的同步旋转轴系与转子旋转轴系重合。永磁同步电动机的定子磁场是由定子绕组中通过对称的交流电建立的，定子磁场在定、转子气隙中也呈正弦分布并以同步速度旋转。因此，当负载一定时，定、转子旋转磁场之间的差角——功率角是恒定的，通过折算并保持功率角为90°。这样一来，永磁同步电动机就和无补偿绕组的直流电动机基本相同了，可以实现解耦控制，即转子磁场定向的矢量控制。

2.2 永磁同步电动机的数学模型

为建立正弦波永磁同步电动机的数学模型，首先假设：

（1）忽略电动机铁心的饱和；

（2）不计电动机的涡流和磁滞损耗；

（3）电机电流为对称的三相正弦波电流。

根据以上矢量控制的基本思想，在永磁同步电动机中，同步旋转坐标系取转子磁场中基波磁势的轴线即转子磁极轴线为d轴（直轴），顺旋转方向超前d轴90°电角度为q轴（交轴），轴系随同转子以同步角速度旋转。根据矢量控制理论中的坐标变换方法，永磁同步电动机定子三相电流变换到同步旋转坐标系的变换公式为：

3 永磁同步电动机调速系统的仿真模型

根据矢量控制和永磁同步电动机的数学模型建立系统的仿真控制模型如图1所示，直流电压源经三相桥式可控逆变电路向电动机提供三相正弦交流电；控制系统采用转速环、电流环双环控制，转速环为外环，采用PI调节器，消除调速系统的误差使电机转速跟随给定；电流环为内环，采用滞环控制，以提高系统的动态相应特性；通过给定转速对系统进行仿真。

4 永磁同步电动机调速过程的仿真

根据建立的仿真模型，对一台4极、额定速度为1500 r/min的永磁同步电动机进行仿真。电机从起动到加速至1500 r/min运行，然后再将转速由1500 r/min调整到1200 r/min时，其三相定子电流、转速及电磁转矩如图2所示。

5 结 论

随着计算机技术的发展，且仿真研究具有安全、经济和省时等诸多优点，故在科学研究和工程领域中越来越多地采用这一技术作为预研究。在本文所设计的永磁同步电动机调速系统的仿真模型上，可以十分方便地对永磁同步电动机、PI调节器的各种参数进行调整，甚至还可以根据需要对调速系统电流环和速度环中的PI调节器进行调整。例如将速度环中的PI调节器调整为增量式PID调节器或其他控制效果更加优良的调节器，以达到最佳的控制效果。

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