基于MATLAB内燃机车用永磁同步电机调速系统的建模与仿真-专业论文-自动化应用案例

基于MATLAB内燃机车用永磁同步电机调速系统的建模与仿真

发布日期：2020-11-06 来源：《变频器世界》20-08期作者：孟凡顺浏览次数：16649

分享到：

【摘　要】：由于结构简单、体积小、质量轻、损耗小、效率高等特点，近年来永磁同步电动机（PMSM）已成为轨道交通领域研究的焦点。本文介绍了PMSM在控制系统中的优势，利用Matlab|simulink仿真软件，采用坐标变换、SVPWM算法，建立PMSM及其矢量控制系统的仿真模型。通过观测定子三相电流、电机转速、转矩以及d-q轴电流的变化，对系统中的参数进行调整。结果表明，该调速系统调速特性好、响应速度快，验证了矢量控制对PMSM的合理性和优越性。

关键词：永磁同步电动机；矢量控制；MATLAB仿真

Abstract: Due to its simple structure, small size, light weight, low loss and high efficiency, permanent magnet synchronous motor (PMSM) has become the focus of research in the field of rail transit. This paper introduces the advantages of PMSM in the control system. Using Matlab|simulink simulation software, using coordinate transformation and SVPWM algorithm, the simulation model of PMSM and its vector control system is established. The parameters in the system are adjusted by observing changes in the stator three-phase current, motor speed, torque, and dq axis current. The results show that the speed control system has good speed regulation characteristics and fast response speed, which verifies the rationality and superiority of vector control for PMSM.

Key words: Permanent magnet synchronous motor; Vector control; MATLAB simulation

1. 引言

内燃机车永磁同步牵引传动系统与传统交-直-交传动系统相比具有重量轻、体积小、效率高、噪声小等特点，已逐渐被业界公认为未来轨道交通牵引传动系统的一个发展趋势。PMSM作为内燃机车的关键动力执行机构，与异步电动机相比具有体积小、功率因数高、过载能力强等特点。随着PMSM的发展以及永磁材料的不断发掘和改善，PMSM在电动汽车领域的应用以逐渐成熟，但在轨道交通领域还处于起步阶段，因此具有一定研究意义。

结合内燃机车的工况，本文对PMSM进行建模与仿真，搭建PMSM矢量控制系统模型，通过调整相关参数，得到了平稳的电流、电机转速、转矩等数据，验证了矢量控制对内燃机车永磁同步牵引系统的可行性与合理性，为PMSM在内燃机车上的应用积累经验。

2. 永磁同步电机的数学模型

为了简化分析，假设三相PMSM为理想电机，且满足以下条件：

（1）忽略电机铁芯的饱和；

（2）不计电机中的涡流和磁滞损耗；

（3）电机中的电流为对称的三相正弦波电流。

在PMSM运行过程中存在三种微分形式，分别为在自然坐标系、静止坐标系、同步旋转坐标系下的PMSM数学模型。

3 永磁同步电机矢量控制系统

3.1 PMSM矢量控制系统结构图

矢量控制系统设计为转速/电流双闭环反馈控制，系统结构图如图1所示，主要模块包括转速调节器、电流调节器、Clark变换、Park变换及反变换、电压空间矢量SVPWM调制等。

图1 PMSM矢量控制系统结构图

3.2 SVPWM模块

两电平空间矢量调制SVPWM与逆变器功率器件的开关状态、顺序及脉宽大小的组合相对应。三相逆变器功率器件开关状态的组合共有8种情况，每种组合对应一个基本电压空间矢量，功率器件全开、全闭对应的基本电压矢量为零矢量。将6个非零电压空间矢量映射到复平面上，按照作用时间首尾相连，将复平面划分为6个部分，每一部分对应一个扇区，如图2所示。

图2 电压空间矢量及扇区分布图

SVPWM算法利用平均值等效原理，选取合适的基本电压矢量合成期望的电压矢量，令基本电压矢量在一个周期的平均值与期望矢量相同。实现对给定电压的控制，首先确定所在扇区，利用所在扇区的两个相邻的有效基本电压空间矢量和零矢量在时域上的组合来获得，然后计算两个矢量作用的时间T1、T2，确定功率器件的开关顺序和时刻ta、tb、tc。根据开关损耗最小的原则，自动选择零矢量，确定其作用时间及切换点。通过判断参考电压矢量的扇区、计算各个扇区非零矢量和零矢量的作用时间、确定各个扇区矢量切换点，使用一定频率的三角载波信号与各个扇区矢量切换点进行比较，产生变换器所需的PWM脉冲信号，搭建如图3所示的SVPWM仿真模型。

图3 SVPWM仿真模型

4 系统仿真与结果分析

4.1 PMSM矢量控制系统仿真模型

图4 PMSM矢量控制系统仿真模型图

4.2 仿真结果分析

系统仿真时间设置为0.5s，假设在t=0s时内燃机车开始起动，给定转速为1200r/min，此时系统空载启动，PMSM由0r/min加速至1200r/min；初始时刻内燃机车负载转矩为0N*m，机车运行到0.25s时，负载转矩增加至20N·m，此时矢量控制系统响应迅速，电机转速轻微波动后又恢复到1200r/min。定子的三相电流电机电磁转矩及电机转速仿真曲线如图5-图8所示。

由图5分析可知，在开始时刻定子三相电流存在波动，随后波形趋于稳定呈正弦波。在0.25s时给系统突然加载，波形发生畸变，幅值存在一个显著地跃升，随后趋于稳定，仿真符合PMSM调速运行时定子三相电流的波形。图6中，d、q轴电流均为直流电流，在0.25s时系统加入负载，q轴电流有明显升高，随后趋于稳定，而d轴电流从始至终基本保持为零。由此可知，矢量控制系统采用的=0控制策略是成功的。图7为PMSM的输出转矩波形。由图可知，在0.25s时系统突然加入20N*m负载，转矩明显上升后趋于稳定，基本保持在20N·m处。在加入负载时，转矩发生振荡的时间较短，控制效果比较理想。如图8所示，当电机从零速上升到给定转速1200r/min时，虽然开始阶段电机转速存在一些超调，但仍具有较快的动态响应速度，且在0.25s时突加负载，电机也能快速恢复到给定转速值，表明速度控制器具有较好的动态性能和抗干扰能力，能够满足实际电机控制性能的需要。

5 结论

本文对内燃机车用PMSM的数学模型进行推导分析，采用了基于转子磁场定向的矢量控制方法，通过转速外环、电流内环控制策略，在Matlab|Simulink软件环境下，搭建了PMSM矢量控制系统模型。仿真结果验证了理论的合理性和控制方法的有效性。结果表明基于转子磁场定向的SVPWM矢量控制，在系统负载发生突变时，可以对速度快速调节实现实时控制，系统的响应速度快，波动小。由于在理想状态下进行系统仿真，模型大部分是简化且理想的，而电机在实际运行过程中会受到外界因素的影响。此仿真为PMSM矢量控制在内燃机车上应用提供依据。