基于SVPWM的永磁同步电机矢量控制系统设计
引言
基于正弦波的永磁同步电机(简称pmsm)具有功率密度大、效率高、转子损耗小等优点，在运动控制领域得到了广泛的应用。矢量控制主要采用脉宽调制(pwm)技术来控制输出电压并减小谐波。其中，svpwm具有系统直流母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能，因此，pmsm的矢量控制已被证明是一种高性能的控制策略。
本文借助pmsm数学模型，分析了同步电动机的矢量控制原理和svpwm调制方法，同时借助matlab强大的仿真建模能力，构建了svpwm同步电动机矢量控制系统的仿真模型，并通过仿真实验予以验证。
1 pmsm数学模型
永磁同步电机的矢量控制基于电机的dqo坐标系统。在建立数学模型前，可先作以下几点假设：即忽略铁心饱和，不计涡流及磁滞损耗，转子上没有阻尼绕组，永磁材料的电导率为零，电机电流为对称的三相正弦电流。在上述假设的基础上，运用坐标变换理论，便可得到dqo轴下pmsm数学模型。
该模型的电压、磁链、电磁转矩和功率方程(即派克方程)如下：
2 矢量控制系统
2.1 矢量控制基本原理
矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量id(产生磁通的励磁电流分量)和iq(产生转矩的转矩电流分量)，也就是说，控制id和iq便可以控制电动机的转矩。
按转子磁链定向的控制方法(id=0)就是使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量。此时转矩te和iq呈线性关系(由上转矩方程)，因此，只要对iq进行控制，就可以达到控制转矩的目的。既定子电流全部用来产生转矩，此时，pmsm的电压方程可写为：
通过上面的简化过程可以看出，只要准确地检测出转子空间位置的θ角，并通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q轴上，那么，通过控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。此时对pmsm的控制，就类似于对直流电机的控制。
2.2 矢量控制调速系统的控制组成
在电机起动时，就应当通过软件进行系统初始定位，以获得转子的实际位置，这是永磁同步电机实现矢量控制的必要条件。首先，应通过转子位置传感器检测出转子角位置ωr，同时计算出转子的速度n，然后检测定子(任两相)电流并经矢量变换，以得到检测值id和iq，然后分别经pi调节器输出交直流轴电压值ud和uq，再经过坐标变换后生成电压值uα和uβ，最后利用svpwm方法输出6脉冲逆变器驱动控制信号。图l所示是pmsm矢量控制原理图。
由图1可知，由外环的转速和内环的电流环可以构成pmsm的双闭环控制系统。该控制系统中应用了空间电压矢量(svpwm)脉宽调制技术，由于svpwm的开关损耗小、电压利用率高、谐波少，因而大大提高了pmsm的调速性能。
3 svpwm原理
本文的矢量控制系统中的逆变器pwm采用的是电压空间矢量脉宽调制(svpwm)技术。svpwm技术主要是从电机的角度出发，它着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场(即正弦磁通)。三相负载相电压可以用一个空间电压矢量(目标矢量)来代替。通过控制三相逆变器开关器件的通断，可以得到用于合成目标矢量的基本矢量。图2所示是典型的三相逆变器电路及其svpwm向量扇区图。图中引入了a、b、c桥臂的开关变量sa、sb、sc，当某桥臂的上管导通而下管关断时，其开关变量值为1;当下管导通，上管关断时，开关变量值为0。因此，整个三相逆变器共有8种开关状态，即(sasbsc)为(000)到(111)，分别对应逆变器的8种输出电压矢量，其中2种为零矢量，6种非零矢量可将平面分为6个扇区。图3所示是产生svpwm的具体实现步骤。其实现可通过simulink模块库来搭建。
现以第一扇区为例来计算基本矢量的作用时间，其空间电压矢量vd的位置如图4所示。假如在开关周期ts内，矢量vx、vy、v0的作用时间分别为tx、ty、t0，则有：
式(7)中，vph为相电压基波幅值，由(7)式可得到扇区中基本矢量vx、vy、v0的作用时间，并由此决定逆变器各开关状态的作用时间。
4 仿真分析
在matlab/simulink下所建立的该矢量控制系统的仿真模型如图5所示。该系统采用双闭环控制，外环为速度环，内环为电流环。仿真参数是：pmsm额定电压为380 v，频率为50 hz，极对数p=2，rs=2.85，纵轴和横轴电感ld=lq=2.21mh，转子磁通ψf=0.175wb，三角载波周期t=0.0002s，幅值取t/2。直流侧电压ud=310 v，转速给定初始值为500 rad/s。
本实验的目的是观察电机各输出量随转矩指令值变化的动，静态响应。实验中，在给定参考转速n=500rad/s的情况下，分别按转矩tl=0进行仿真，再按0～0.2s转矩从tl=2 n·m突变到tl=10n·m的动态仿真。仿真实验所得到的电流、转速和转矩波形如图6所示。
其中图6(a)是空载运行时的仿真结果，其稳态电流、转矩为0;图6(b)是电机以最大转矩启动时的仿真结果，由图可见，定子有短暂的冲击电流，但稳态电流波形较好，速度跟随也较快。综上所述可见，本实验具有转矩脉动小、电流波形好、系统响应迅速等优点。
5 结束语
本文对永磁同步电机矢量控制的基本原理及svpwm调制方式进行了分析，并采用matlab/simulink建立了该矢量控制系统的仿真模型，而且通过实验进行了验证。仿真和实验结果表明，该控制系统具有动、静态性能好，输出电流正弦度高等优点，可为分析和设计pmsm控制系统提供有效的手段和工具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
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比特币开发者Pieter Wuille正式公布了两项比特币改进提议
基于双向DC/DC变换器的建模与控制说明
电容器储电的原理
LM2676开关型稳压电源,LM2676 SWITCHING POWER SUPPLY
目前AD/DA的常用芯片介绍
基于正弦波的永磁同步电机(简称pmsm)具有功率密度大、效率高、转子损耗小等优点，在运动控制领域得到了广泛的应用。矢量控制主要采用脉宽调制(pwm)技术来控制输出电压并减小谐波。其中，svpwm具有系统直流母线电压利用率高、开关损耗小、电动机转矩波动小等优越性能，因此，pmsm的矢量控制已被证明是一种高性能的控制策略。
本文借助pmsm数学模型，分析了同步电动机的矢量控制原理和svpwm调制方法，同时借助matlab强大的仿真建模能力，构建了svpwm同步电动机矢量控制系统的仿真模型，并通过仿真实验予以验证。
1 pmsm数学模型
永磁同步电机的矢量控制基于电机的dqo坐标系统。在建立数学模型前，可先作以下几点假设：即忽略铁心饱和，不计涡流及磁滞损耗，转子上没有阻尼绕组，永磁材料的电导率为零，电机电流为对称的三相正弦电流。在上述假设的基础上，运用坐标变换理论，便可得到dqo轴下pmsm数学模型。
该模型的电压、磁链、电磁转矩和功率方程(即派克方程)如下：
2 矢量控制系统
2.1 矢量控制基本原理
矢量控制的基本思想是在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成两个相互垂直，彼此独立的矢量id(产生磁通的励磁电流分量)和iq(产生转矩的转矩电流分量)，也就是说，控制id和iq便可以控制电动机的转矩。
按转子磁链定向的控制方法(id=0)就是使定子电流矢量位于q轴，而无d轴分量。此时转矩te和iq呈线性关系(由上转矩方程)，因此，只要对iq进行控制，就可以达到控制转矩的目的。既定子电流全部用来产生转矩，此时，pmsm的电压方程可写为：
通过上面的简化过程可以看出，只要准确地检测出转子空间位置的θ角，并通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q轴上，那么，通过控制定子电流的幅值，就能很好地控制电磁转矩。此时对pmsm的控制，就类似于对直流电机的控制。
2.2 矢量控制调速系统的控制组成
在电机起动时，就应当通过软件进行系统初始定位，以获得转子的实际位置，这是永磁同步电机实现矢量控制的必要条件。首先，应通过转子位置传感器检测出转子角位置ωr，同时计算出转子的速度n，然后检测定子(任两相)电流并经矢量变换，以得到检测值id和iq，然后分别经pi调节器输出交直流轴电压值ud和uq，再经过坐标变换后生成电压值uα和uβ，最后利用svpwm方法输出6脉冲逆变器驱动控制信号。图l所示是pmsm矢量控制原理图。
由图1可知，由外环的转速和内环的电流环可以构成pmsm的双闭环控制系统。该控制系统中应用了空间电压矢量(svpwm)脉宽调制技术，由于svpwm的开关损耗小、电压利用率高、谐波少，因而大大提高了pmsm的调速性能。
3 svpwm原理
本文的矢量控制系统中的逆变器pwm采用的是电压空间矢量脉宽调制(svpwm)技术。svpwm技术主要是从电机的角度出发，它着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场(即正弦磁通)。三相负载相电压可以用一个空间电压矢量(目标矢量)来代替。通过控制三相逆变器开关器件的通断，可以得到用于合成目标矢量的基本矢量。图2所示是典型的三相逆变器电路及其svpwm向量扇区图。图中引入了a、b、c桥臂的开关变量sa、sb、sc，当某桥臂的上管导通而下管关断时，其开关变量值为1;当下管导通，上管关断时，开关变量值为0。因此，整个三相逆变器共有8种开关状态，即(sasbsc)为(000)到(111)，分别对应逆变器的8种输出电压矢量，其中2种为零矢量，6种非零矢量可将平面分为6个扇区。图3所示是产生svpwm的具体实现步骤。其实现可通过simulink模块库来搭建。
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其中图6(a)是空载运行时的仿真结果，其稳态电流、转矩为0;图6(b)是电机以最大转矩启动时的仿真结果，由图可见，定子有短暂的冲击电流，但稳态电流波形较好，速度跟随也较快。综上所述可见，本实验具有转矩脉动小、电流波形好、系统响应迅速等优点。
5 结束语
本文对永磁同步电机矢量控制的基本原理及svpwm调制方式进行了分析，并采用matlab/simulink建立了该矢量控制系统的仿真模型，而且通过实验进行了验证。仿真和实验结果表明，该控制系统具有动、静态性能好，输出电流正弦度高等优点，可为分析和设计pmsm控制系统提供有效的手段和工具，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。
数字电源怎么使用 数字电源怎么调电压
苹果侵权诺基亚案升级：侵权专利增至40项
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