基于SVPWM的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計

引言
基于正弦波的永磁同步電動機(簡稱PMSM)具有功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)子損耗小等優(yōu)點，在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。矢量控制主要采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來控制輸出電壓并減小諧波。其中，SVPWM具有系統(tǒng)直流母線電壓利用率高、開關(guān)損耗小、電動機轉(zhuǎn)矩波動小等優(yōu)越性能，因此，PMSM的矢量控制已被證明是一種高性能的控制策略。
本文借助PMSM數(shù)學(xué)模型，分析了同步電動機的矢量控制原理和SVPWM調(diào)制方法，同時借助Matlab強大的仿真建模能力，構(gòu)建了SVPWM同步電動機矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并通過仿真實驗予以驗證。

1 PMSM數(shù)學(xué)模型
永磁同步電機的矢量控制基于電機的dqO坐標系統(tǒng)。在建立數(shù)學(xué)模型前，可先作以下幾點假設(shè)：即忽略鐵心飽和，不計渦流及磁滯損耗，轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁材料的電導(dǎo)率為零，電機電流為對稱的三相正弦電流。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，運用坐標變換理論，便可得到dqO軸下PMSM數(shù)學(xué)模型。
該模型的電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩和功率方程(即派克方程)如下：


2 矢量控制系統(tǒng)
2．1 矢量控制基本原理
矢量控制的基本思想是在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成兩個相互垂直，彼此獨立的矢量id(產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量)和iq(產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量)，也就是說，控制id和iq便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩。
按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的控制方法(id=0)就是使定子電流矢量位于q軸，而無d軸分量。此時轉(zhuǎn)矩Te和iq呈線性關(guān)系(由上轉(zhuǎn)矩方程)，因此，只要對iq進行控制，就可以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。既定子電流全部用來產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時，PMSM的電壓方程可寫為：

通過上面的簡化過程可以看出，只要準確地檢測出轉(zhuǎn)子空間位置的θ角，并通過控制逆變器使三相定子的合成電流(磁動勢)位于q軸上，那么，通過控制定子電流的幅值，就能很好地控制電磁轉(zhuǎn)矩。此時對PMSM的控制，就類似于對直流電機的控制。
2．2 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制組成
在電機起動時，就應(yīng)當(dāng)通過軟件進行系統(tǒng)初始定位，以獲得轉(zhuǎn)子的實際位置，這是永磁同步電機實現(xiàn)矢量控制的必要條件。首先，應(yīng)通過轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測出轉(zhuǎn)子角位置ωr，同時計算出轉(zhuǎn)子的速度n，然后檢測定子(任兩相)電流并經(jīng)矢量變換，以得到檢測值id和iq，然后分別經(jīng)PI調(diào)節(jié)器輸出交直流軸電壓值ud和uq，再經(jīng)過坐標變換后生成電壓值uα和uβ，最后利用SVPWM方法輸出6脈沖逆變器驅(qū)動控制信號。圖l所示是PMSM矢量控制原理圖。