变流技术 Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 《电气自动化｝２０１６年第３８卷第２期 永磁同步电机矢量控制仿真分析 黄陈蓉 ，徐波 （南京工程学院ａ．计算机工程学院，ｂ．电力工程学院，江苏摘南京２１１１６７） 要：永磁同步电机因其体积小、效率和功率因数高等优点被广泛应用于工业系统中，精确的控制系统是永磁同步电机得以广泛应 用的关键所在，在对永磁同步电机矢量控制理论分析的基础上，结合经典的ＰＩＤ控制方法，搭建基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块的 永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，采用转速、电流双闭环控制方法，电流环采用ＰＩ控制，速度环采用ｓＴ函数，通过对仿真 结果分析，验证了永磁同步电机矢量控制系统性能的优越性。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；ＳＴ函数；由／ 变换 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－３８８６．２０１６．０２．００４ ［中图分类号］ＴＭ３４１ ［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１６）０２—００１１—０２ Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｖｅｃｔｏｒ ＣｏｎｔｒｏＩ ｏｆ ＰＭＳＭ ＨＵＡＮＧ Ｃｈｅｎ－ｒｏｎｇ ，ＸＵ Ｂ０ （ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｂ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ ２１１１６７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｗｉｔｈ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ｉｔｓ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＰＭＳＭ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｃｌａｓｓｉｃ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｄｓ ｕｐ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｍｏｄｕｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｕｓｉｎｇ ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ，ｗｉｔｈ ＳＴ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆｒ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｌｏｏｐ ａｎｄ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｏｏｐ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭＳＭ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳＴ ｆｕｎｃｔｉｏｎ；ｄｑ／ｃ４３ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｏ 引 言 下几点 一 ： ＰＭＳＭ具有构造简单、功率密度高、转矩系数大等优势…，已 （１）铁芯损耗不作考虑； 经逐步取代直流电机和步进电机，被广泛应用于各种高精度以及 （２）电机磁路是线性的，不考虑磁路饱和，磁滞和涡流等因 高稳定性的场合，成为当今伺服系统的主流。传统直流电机因其 素的影响； 机械换向器和电刷的存在，使得其可靠性和适用性大大降低，永 （３）电动机的三相绕 磁同步电机作为一种新型电机，一般在同样体积的情况下，交流 组是完全对称的，他们在空 电机比直流电机的输出功率高１０％～６０％。 间中互差１２０。，不考虑边缘 我国是世界稀土第一大国，不仅总储藏量大，而且各种元素 效应； 齐全，因此，大力研发和推广使用以稀土永磁电机为代表的各类 （４）不计齿槽效应与 永磁电机，符合我国的基本国情，对我国科技与经济发展具有重 高次谐波，并且假设定子电 要的意义。而ＰＭＳＭ能否被广泛应用关键在于是否有成熟稳定 流产生的磁动势是正弦分 可靠的控制系统 Ｊ，本文采用了励磁电流ｉｄ＝０的转子磁场定向 布的； 矢量控制 和转速、电流双闭环的控制方法，通过ＭＡＴＬＡＢ／ 通过假设，我们可以得 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真结果表明，该控制方法理论分析合理并具有良好的 到理想的永磁同步电机模 动态性能。 型，现讨论不同坐标系下永 图１永磁同步电机物理模型 ｌ ＰＭＳＭ转子磁场定向矢量控制方法 磁同步电机的数学模型。 １．１．１ ＰＭＳＭ三相坐标系（ＡＢＣ坐标系）下数学模型： １－１ 永磁同步电机的数学模型 ＰＭＳＭ定子电压和磁链方程： 由于本文建立的永磁同步电动机的数学模型是在理想状况 ｄｉ，下的模型（如图１所示），与实际情况略有偏差，因此需要假设以 Ｕｓ＝ ＋ ＋ ＝定稿日期：２０１５—１１—１１ Ｌ ＋ （１） 基金项目：南京工程学院大学生科技创新项目（２１２３４５１１４０００００１），南 其中 为定子电压， 为定子 电阻， 为定子电流， 为定子 京工程学院引进人才科研启动基金项目（ＹＫＪ２０１３２４） 磁链， 为定子电感， ，为转子磁链（如图２、图３所示）。 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ １ １ 《电气自动化）２０１６年第３８卷第２期 变流技术 Ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ 进行控制，使之能够实现像直流电动机一样的转矩控制。矢量控 制的基本原理足通过磁场坐标，将电流矢量分解成两个量。一个 —．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ｌ口 ６ ｃ 是产生磁通的励磁电流分量ｉ ，另一个是产生转矩的转矩电流分 量ｉ 。这两个电流分量是互相垂直，并且彼此的。通过对电 １●●●● ●Ｊ ｌ１ —．．．．．．．．。．．．．．．．ｐ ．．．．．．．．Ｌ 流矢量的分解，便能对ｉ 和 分别进行调节，矢量控制的关键是 ６ ｃ ］●●●●●●Ｊ 对电流矢量的幅值和空间位置（即频率和相位）进行控制，但最 ＋ —．．．．．．．．．．．．．．．．．． Ｌ 终是落实到对定子电流的控制，为了解决这一问题，需要借助坐 Ｏ Ｏ 标变换，使得各个物理量从两相静止坐标系（ 一口坐标系）转换 Ｏ Ｏ 到两相旋转坐标系（ｄ—ｇ坐标系）。在同步旋转坐标系来观察定 图２ ＡＢＣ坐标系 图３ ｄｑＯ坐标系 Ｏ Ｏ Ｒ —］●●●●●●Ｊ ．．．．．．．．．．．．“。。。 ．．．Ｌ．“ ．．子侧的各个物理量，原本的空间矢量就变成了静止矢量，电流和 电压和磁链方程的矩阵形式： 电压都变成了直流量，通过转矩和被控矢量的各个分量之间的数 按照这些分量值进行实时控制。 ］，●●●●●Ｊ 学关系，实时的计算出转矩控制时各个被控矢量的分量值，然后 （２） 矢量控制的永磁同步电机的控制系统一般（如图４所示）包 括位置／速度／电流调节器、矢量变换环节、电流控制电压型逆变 ＬＢＢ Ｍｃａ 叩 雌＂］㈩ Ｌｃｃ ＪＬ ｉ器、速度或位置检测器以及永磁同步电机，系统各个部分的运行 情况都将影响系统的控制性能。 ［ ［ｃ…ｏｓｏ、 ……，１ ｃ４ 图４永磁同步电机控制系统原理框图 ２永磁同步电机伺服模型的搭建及仿真结果 ２．１永磁同步电机ＭＡＴＬＡＢ仿真模型 如图５～９所 ６ 示，仿真对象为： ４ｌ ： ４荽型电－ 号枢Ｐ电Ｍ绕机ＳＭ相，各－电７参５０数感 ： ｏ【 ＼ｌｆ／／ ＼／＾＼／／＼＼／＾＼／＾＼／＾＼ｆｒ＾＼／／ Ｖ Ｗ＼ｘ／ 。＿ 。～ ，＝ Ｗ Ｗ ￣Ｊｔ ７３９ Ｍｎ，转子 惯量０·８５３×１０～ ｂ 。。 ’ · 图５ ＰＭＳＭ输入ｉａ／ｌ波形 ｆ１２ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｒｏｒａａｔｉｏｎ 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 《电气自动化￣２０１６年第３８卷第２期 输电网扩展规划问题，在算法初始化过程中对控制变量进行人工 干预、在觅食、追尾行为中引入自适应变步长策略，提高了算法的 收敛速度和收敛精度。 参考文献： ［１］刘振亚．特高压交直流电网［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２０１３． ［２］候超军．山西超特高压电网自动化信息智能模式分析［Ｊ］．电气自 动化，２０１４，３６（１）：８８—９０． ［８］聂宏展，吕盼，乔怡，等．基于人工鱼群算法的输电网络规划［Ｊ］． 电工电能新技术，２００８，２７（２）：ｌ１—１７． ［９］陈广洲，汪家权，李传军，等．一种改进的人工鱼群算法及其应用 ［Ｊ］．系统工程，２００９，２７（１２）：１０５—１１０． ［１０］吴昌友．一种新的改进人工鱼群优化算法［Ｊ］．智能系统学报， ２０１５，１０（３）：１—５． ［３］聂宏展，郑鹏飞，于婷，等．基于多策略差分进化算法的输电网规 划［Ｊ］．电工电能新技术，２０１３，３２（１）：１３—１８． ［４］秦睿，董开松，汪红燕，等．大规模光伏电站集中并网对电网的影 响分析及对策［Ｊ］．电气自动化，２０１４，３６（３）：５７—５９． ［５］周建平，林韩，温步瀛．改进量子遗传算法在输电网规划中的应用 ［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１２，４０（１９）：９Ｏ一９５． ［６］李翔硕，王淳．基于生物地理学优化算法的输电网络规划［Ｊ］．电 网技术，２０１３，３７（２）：４７６—４８０． ［７］Ｃ ＲＡＴＨＯＲＥ，Ｒ ＲＯＹ．Ａ ｎｏｖｅｌ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ＧＢＭＯ ａｌｇｏｉｒｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｓｔａｔｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１４，９（６２）：５ｌ９—５３１． ［１１］王锡凡．电力系统优化规划［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９０． ［１２］朱旭辉，倪志伟，程美英．变步长自适应的改进人工鱼群算法［Ｊ］． 计算机科学，２０１５，４２（２）：２１０—２１７． ［１３］周智成．基于改进人工蜂群算法的输电网扩展规划研究［Ｄ］．广 西：广西大学，２０１４． 【作者简介】尹立敏（１９７８一），女，吉林人，博士，副教授，从事电力系统控 制及稳定等方面的课题研究。 李想（１９９０一），男，吉林人，硕士生，从事 智能算法在大规模输电网扩展规划中的应用研究。 孟涛（１９９０一），男， 湖南邵阳人，硕士生，从事主动配电网、分布式电源并网及电力系统优化 运行等相关课题研究。 尹杭（１９９０一），女，长春人，本科，从事配电网日 常运行维护等相关工作。 （上接第１２页） 电机启动时ｉｑ有一个很大的电流，并且迅速减小，在０．２ Ｓ 时加入负载，幻能够迅速回升，并且一直保持一个稳定的状态。 ＝ Ｉ¨ 在仿真过程中，当没有加入负载时，系统的转矩为０，在０．２ Ｓ 时加入负载，转矩明显上升，然后保持稳定，超调较小。 通过以上仿真曲线我们可以直观的看出，证明该控制系统有 ｝ ０ …．… ．．． … ．。．． ＩＩＢｌ／ｌｉＢｌｉｉｌｉｎｇ ０２ ０Ａ们０ｌ １ ｌｓ ｆ着良好的控制性能，加入负载后系统能迅速的回到稳定状态，快 速性和抗干扰性都比较良好；矢量控制方法是一种有效的永磁同 １２ ＩＡ １ ６ １．８ ２ 步电机控制方法，并在仿真过程中传统ＰＩＤ结合ｓＴ函数编写新 型控制方法地提高了电机控制性能。 图７ ｐａｒｋ变换前的 、幻曲线 ３ ３ 结束语 本文在对永磁同步电机的矢量控制理论分析的基础上，通过 软件搭建实验平台仿真分析，验证了矢量控制系统的可行性，仿 真方法简单、快捷高效、准确可靠，对实际系统的设计与实现起到 ’｜ 弓 重要作用，永磁同步电机作为一种新的电机类型，近年来已经得 图８ ＰＭＳＭ输出转速曲线 到了广泛应用，但是如何提高永磁同步电机的控制性能，有着深 远的研究价值。 参考文献： ［１］暨绵浩，曾岳南，曾建安，等．永磁同步电动机及其调速系统综述和展 望［Ｊ］．电气时代，２００５，２５（５）：２０—２３． ［２］胡奇锋．永磁同步电机高性能调速控制系统研究［Ｄ］．杭州：浙江大 学，２００４． ［３］ＢＩＭＡＬＫ ＢＯＳＥ．Ｍｏｄｅｒｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ ＡＣ Ｄｒｉｖｅｓ［Ｍ］．［Ｓ．Ｉ． ］：Ｐｅａｒｓｏｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，２００１． ［４］梁迎春，吴海涛，林益平．永磁同步电动机研究现状评述［Ｊ］．微电机， ２００７，２７（１１）：５１—５３． 芎 善 Ｊ 图９ ＰＭＳＭ输出转矩曲线 ｐａｒｋ变换公式为： ｉｄ＝ ｃｏｓＯ＋ｉｏｓｉｎＯ ｉ ＝一 ｓｉｎＯ＋ｉｏｃｏｓ０ ［５］ＰＩｕｌＡＹ Ｐ，ＫＲＴＳＨＮＡＮ Ｒ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｓ，ｐａｒｔ １：Ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ （８） ｄｒｉｖｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔ，１９８９（２５）：２６５—２７３． ［６］李夙．异步电动机直接转矩控制［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００１． 经过变换可得： ｉ ｉａｃｏｓＯ—ｉｑｓｉｎＯ ［７］龚云飞，富历新．基于ＭＡＴＬＡＢ的永磁同步电机矢量仿真研究［Ｊ］． ｉＢ ｉａｓｉｎＯ＋ｉｑｃｏｓＯ （９） 微电机，２００７，２７（２）：３３—３６． ２．２仿真结果分析 ＰＩ参数 ＝５，Ｋｉ＝１０并且在０．２ ｓ时加入负载，负载大小为 ０．５。仿真波形如下： 【作者简介】徐波（１９８８一），女，安徽人，硕士生，研究方向为电机控制。 黄陈蓉（１９６３一），女，江西人，教授，硕导，研究方向为虚拟现实理论与 技术等。 ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ５１
