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基于MATLAB%2fSimulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模(1)_图文


第 32 卷 第 1 期 2004 年 1 月

华 南 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) JournaI of South China University of TechnoIogy ( NaturaI Science Edition)

VoI. 32 No. 1 January 2004

文章编号: 1000-565X ( 2004 ) 01-0019-05

基于 MATLAB / SimuIink 的永磁同步电机 直接转矩控制仿真建模 *
谢运祥 卢柱强

( 华南理工大学 电力学院,广东 广州 510640 )



要: 介绍了永磁同步电机直接转矩控制系统各个环节的 MATLAB / SimuIink 建模方

法, 并对系统进行仿真, 研究了系统的性能以及 PI 控制器参数对系统性能的影响, 同时比 较了不同转矩滞环环宽的转矩脉动情形. 结果表明, 该系统具有良好的转速、 转矩响应. 随 着转矩滞环环宽的变小, 转矩的脉动幅度也随之减小. PI 控制器参数中, 随着比例系数 K p 的增大, 系统动态响应加快, 积分系数 K i 则主要影响系统的稳态误差, 两者必须协调才能 使系统达到较好的性能. 关键词:同步电机;直接转矩控制;仿真;MATLAB / SimuIink 建模 中图分类号:TM92 文献标识码:A

直接转矩控制 ( Direct Torgue ControI, 简称 DTC ) 是继矢量控制技术之后的一种新方法. 它采取 定子磁链定向, 利用离散的两点式 ( Band-Band ) 进 行调节, 并直接对电机的磁链和转矩进行控制, 使电
[ 1] , 人们最先将此方法应用于感应 机转矩响应迅速

1
1. 1

永磁同步电机的直接转矩控制
永磁同步电机的数学模型
假设 PMSM 具有正弦波反电势, 磁路线性且不

考虑磁路饱和, 忽略电机中的涡流损耗和磁滞损耗, 可得到 PMSM 在转子同步旋转坐标系 i—g 轴系下 的数学模型为 !d = L d ! d + !f !g = L g ! g " d = R s ! d + #!d - ! r !g " g = R s ! g + #!g + ! r !d 3 T e = n( ! ! - !g ! d ) 2 p d g Te - Tm = J i! r + B! r it (1) (2) (3) (4) (5) (6)

永磁同步电 电机控制中. 随着电机技术的迅速发展, 机( Permanent Magnet Synchronous Motor ,简 称 PMSM) 已获得越来越广泛的应用, 将 DTC 控制策略 应用于永磁同步电机控制中, 以提高电机的快速转
[ 2, 3] . 由于电机转矩 矩响应, 成为研究者关注的课题

和磁链的计算对控制系统性能影响较大, 为了获得 满意的转矩计算, 仿真研究是最有效的工具和手段. 本文中利用 MATLAB 软件下的 SimuIink 仿真工具 对 PMSM DTC 系统进行仿真; 同时还详细地介绍了 DTC 系统中各控制计算单元的模型的建立, 并分析 控制系统的性能.

式中: g 轴分量; Ld 、 L g 为定子 !d 、 !g 为定子磁链 d、 绕组 d、 g 轴等效电感; !d 、 ! g 为定子电流 d、 g 轴分 量; "d 、 " g 为定子电压 d、 g 轴分量; !f 为转子磁链; R s 为定子绕组电阻; # 为微分算子; ! r 为转子机械 T e 为电磁转矩; n p 为电机极对数; T m 为负 角速度; 载转矩; J 为电机转动惯量; B 为粘滞系数.

收稿日期: 2003 - 07 - 14 ( 03131 ) ;广州 *基金项目:教育部科学技术研究重点项目 市科技计划项目 ( 2002J1- C0041 ) 作者简介:谢运祥 ( 1965 - ) , 男, 教授, 主要从事电力电子 与电力传动研究. E-maiI: drxyx@ 163. com

1. 2

直接转矩控制系统
直接转矩控制的结构原理如图 1 所示, 它由逆

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华 南 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)

第 32 卷

变器、 PMSM、 磁链估算、 转矩估算、 转子位置估算、 开关表和调节器等组成. 控制系统将电机给定转速 和实际转速的误差, 经调节器输出给定转矩信号; 同 时系统根据检测的电机三相电流和电压值, 利用磁 链模型和转矩模型分别计算电机的磁链和转矩大 小, 计算电机转子的位置、 电机给定磁链和转矩与实 际值的误差; 然后根据它们的状态选择逆变器的开 关矢量, 使电机能按控制要求调节输出转矩, 最终达 到调速的目的.

it !! = ( ! ! - R s ?" ! ) it !" = ( ! " - R s ?" " )

(9) ( 10 )

式中 ! ! 、 !" 、 "! 、 " " 分别为电机电压和电流在 ! —" 坐标轴的分量, 而定子磁链的位置则可通过 ! —" 轴的分量和它们的正负号来决定. 由式 (5) , (8 ) 可以推导出 ! —" 坐标系的转矩 估算公式如下: Te = 3 n( ! " - !" " ! ) 2 p ! " ( 11 )

DTC 系统是根据电机的转矩 前面已经介绍过, 误差状态、 磁链误差状态和磁链位置来选择逆变器 的开关信号. 如果将逆变器的开关状态也进行定义, 设逆变器桥臂上管导通时定义为状态 “1” , 下管通 时定义为 “0” , 则三相桥臂上的开关 S a 、 Sb 、 S c 共有 8 种状态组合, 其中 6 个非零电压矢量 #1 ~ #6 和两 个零电压矢量 #0 、 #7 的分布如图 3 所示. 当施加电 # 压矢量与 !s 夹角小于 时, 将使磁链幅值增加; 当 2
图1 Fig. 1 直接转矩控制系统框图

大于

Biock diagram of direct torgue controi system

# 时, 磁 链 幅 值 减 小. 当 电 压 矢 量 超 前 于 !s 2

在实际的直接转矩控制系统中, 需要采样电机 的三相电流, 且需进行坐标变换以便于计算. 各坐标 变换关系如图 2 所示.

时, 转矩增加; 落后于 !s 时, 转矩减小.

图3 Fig. 3

电压矢量和区段划分 Voitage vectors and zoning

用 b、 T 分别表示电机磁链和转矩的给定值和
图2 Fig. 2 坐标变换矢量图

实际值的误差状态, 当给定值比实际值大时状态为 1, 否则状态为 0 , 则由 b、 T 的状态以及磁链所处分 区的位置, 便可按表 1 选择开关电压矢量. 表 1 中的 S 是为了便于在 Simuiink 中实现查表 (7) 而设置的一个变量 S = 2b + T + 1
表1 直接转矩控制系统开关表 Switching tabie for DTC system
1 2 3 4 5 6

Vector diagram of different reference fiame

坐标变换公式为

[x ]
xo
B

?1 2? = ? 3 ?0 ? = cos

-

1 2 3 ! 2

1? xa 2? ? ? ? ? ? xJ ? 3? ? ? ! ? xc ? 2? -

( 12 )

[ x ] [ sin
xo
B

- sin cos

] [x ]
? xi
g

(8)

Tabie 1
! 4 3 2 1 b 1 1 0 0 T 1 0 1 0

式中: xo 、 x B 表示 o—B 坐标系变量; xa 、 xJ 、 x c 分别表 示 aJc 坐标系变量. 在两相 o—B 坐标系下, 电机定 子磁链在 o—B 轴上的分量 !! 和 !" 可表示为

#6 #5 #2 #1

#2 #4 #3 #5

#3 #6 #1 #4

#1 #2 #5 #6

#5 #3 #4 #2

#4 #1 #6 #3

第l 期

谢运祥 等:基于 MATLAB / Simuiink 的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模

2l

2

系统仿真模型的组建
在 PMSM DTC 仿真系统中, 主要使用 Simuiink

2. l

仿真系统
利用 Simuiink 搭建图 l 的仿真模型如图 4 所示.

它包括 3 / 2 变换、 磁链估算和转矩估算等子系统. 进 否则仿真会出错. 行磁链估算时, 磁链初值不宜为 0, 因此在磁链估算子系统中, 要给积分模块 ( Integrator) 赋一个初值 ( Initiai Condition) , 本文中设为 0. 0l.

库和 PSB( Power System Biockset) 库中的模块. 本研 究的仿真模型是基于 MATLAB 6. l / Simuiink 4. l 上 构建
[ 4]

.

图4 Fig. 4

基于 MATLAB / Simuiink 的 PMSM DTC 系统的仿真模型

Simuiation modei of PMSM DTC system based on MATLAB / Simuiink

在逆变器和 PMSM 子模块间, 接入电压测量装 置以观测 A、 B 相 间 电 压, 因 为 当 Simuiink 模 块 与 PSB 模块相连时, 要求接入一个电气测量模块, 否则 仿真会出现错误.

2. 2

区段判断的实现
定子磁链矢量所在的区段我们可以根据磁链在

由 !! 的正负确定定 o—B 坐标上的分量进行判定, 子磁链矢量的象限, 再由 ! tan ( !" ) 决定定子磁链矢 !! 量的 具 体 位 置. 其 实 现 模 块 如 图 5 所 示. 其 中 的

MATLAB 函数模块是用来调用 MATLAB 中求反正 切的函数, 开关模块是一个 2 选 l 的输出, 其输出再 经过图 5 ( b) 子系统便可以得到区段结果. 表 2 为磁 链位置所对应的区段值.
Fig. 5 图5 表2 磁链区段的确定 Determining the sector of fiux iinkage 磁链区段和角度的关系

2. 3

转矩调节信号 T 和磁链调节信号 b
在转矩控制系统中, 转矩给定 T * e 是由速度环

Tabie 2 Reiationship between fiux iinkage sector and deita
角度 [ - # / 2, - # / 6) [ # / 6, # / 2) [5# / 6, 7# / 6) 区段
6 2 4

PI 控制器输出获得的. 磁链和转矩的误差信号, 按 式 ( l2 ) 进行计算以后输出, 磁链和转矩的误差信号 的具体实现过程如图 6 所示.

角度 [ - # / 6, # / 6) [ # / 2, 5# / 6) [7# / 6, 3# / 2)

区段
l 3 5

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华 南 理 工 大 学 学 报( 自 然 科 学 版)

第 32 卷

图6 Fig. 6

转矩和磁链误差信号

Error signai of torgue and fiux iinkage

2. 4

其他模型的建立
按照以上相类似的方法, 我们对逆变器及其驱

动信号、 坐标的变换、 ! ! 和 ! " 的获取、 电机磁链的 估算和转矩的估算等等, 建立相应的 Simuiink 模型, 如图 7 所示.
图7 Fig. 7 PMSM DTC 仿真系统的其他子系统 Other subsystems in the PMSM DTC system simuiation modei

3

仿真结果及分析
在仿真开始以前, 可执行菜单 Simuiation—Simu-

iation Parameters 设定仿真参数. 本系统的 PMSM 参 数设定为: 定子电阻 R s = 3 #, 直、 交轴的等效电感 L d = L g = 0 . 168H , 转子磁链!f = 0. 175Wb , 转动惯量

图8 Fig. 8

转速、 磁链轨迹和转矩的仿真结果

Simuiation resuits of rotation speed,fiux iinkage traii route and torgue

第1 期

谢运祥 等:基于 MATLAB / Simuiink 的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模 表3 Tabie 3 PI 控制器参数对系统性能的影响 Effect of PI controiier parameters on system performance
序号 1 2 3 4 5 积分系数 $i 0. 02 0. 02 0. 10 0. 10 0. 50

23

! = 0. 000 8 kg ? m2 , 粘滞系数 " = 0 , 极对数 # p = 2. 在此基础上便可以仿真分析控制系统的性能指标以 及各因素的影响. 图 8 是直接转矩控制系统的电机 磁链轨迹、 转速、 转矩波形. 图 9 反映了转矩滞环宽 度对转矩脉动的影响, 减小滞环宽度, 有利于降低转 矩脉动幅度. 图 10 是负载和给定转速突变时的转矩 和转速波形, 其结果表明系统在阶跃变化时能够自 动保持稳定运行状态. 表 3 是通过仿真研究得到的 不同 PI 参数对系统性能的影响.

比例系数 稳定时间 转速超调 饱和限幅值 $p /s / % 1. 5 2. 0 1. 5 2. 0 2. 0 [ - 1. 6 , 1. 6 ] 0. 058 [ - 1. 6 , 1. 6 ] 0. 025 [ - 3. 0 , 3. 0 ] 0. 113 [ - 1. 6 , 1. 6 ] 0. 068 [ - 1. 6 , 1. 6 ] 0. 040 0. 63 0. 65 6. 25 0. 75 0. 11

4

结束语
利用 MATLAB / Simuiink 建立永磁同步电机直

接转矩控制系统, 可以从理论上研究控制系统的性 能及其相关因素的影响, 仿真结果和分析所得到的 结论是可信的. 在建立实际系统之前, 通过仿真研究 对控制系统进行充分论证, 可以提高研究效率.
图9 Fig. 9 转矩滞环环宽对转矩脉动的影响 Effect of torgue hysteresis width on the torgue rippie

参考文献:
[ 1 ] Takahashi I, Noguchi T. A new guick-response and high-efficiency controi strategy of an induction motor [ J ] . IEEE Trans on Industriai Appiications, 1986, 22 (5) : 821 - 827. [ 2 ] Zhong L, Rahman M F. Anaiysis of direct torgue controi in permanent magnet drives[ J] . IEEE Transactions on Power Eiectronics, 1997 , 12 (3) : 528 - 535. [ 3 ] 田淳, 胡育文. 永磁同步电机直接转矩控制系统理论及 控制方案的研究[ J] . 电工技术学报, 2002 (2) : 8 - 11.

图 10 Fig. 10

系统的转速、 转矩响应

[ 4 ] 王沫然. Simuiink 4 建模及动态仿真[ M ] . 北京: 电子 工业出版社, 2002.

Torgue and rotation speed response of the system

Simulation and Modeling of Direct Torgue Control of Permanentmagnet Synchronous Motor Based on MATLAB / Simulink
Xie Yun-xiang Lu Zhu-giang

( Coiiege of Eiectric Power,South China Univ. of Tech. ,Guangzhou 510640 ,Guangdong,China)

Abstract:The modeiing of direct torgue controi system of permanent-magnet synchronous motor based on MATLAB / Simuiink was introduced ,and the simuiation of the system was carried out to research on the effect of PI controiier parameters on the system performances. Aiso ,the reiationship between torgue hysteresis ioop s width and torgue rippie ampiitude was anaiyzed. The resuits show that the direct torgue controi system gives a good response to the rotation speed and torgue ,and that the torgue rippie ampiitude decreases with the reduction of torgue hysteresis ioop s width. The PI controiier parameters $ p and $ i shouid be properiy matched to achieve exceiient system performance,for a iarge scaiing factor $ p wiii acceierate the system s dynamic response,whiie the integrai coefficient $ i mainiy infiuences the system s static error. Key words:synchronous motor;direct torgue controi;simuiation;MATLAB / Simuiink modeiing

基于MATLAB/Simulink的永磁同步电机直接转矩控制仿真建模
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 谢运祥, 卢柱强 华南理工大学,电力学院,广东,广州,510640 华南理工大学学报(自然科学版) JOURNAL OF SOUTH CHINA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCE EDITION) 2004,32(1) 28次

参考文献(4条) 1.王沫然 Simulink 4 建模及动态仿真 2002 2.田淳;胡育文 永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[期刊论文]-电工技术学报 2002(02) 3.Zhong L;Rahman M F Analysis of direct torque control in permanent magnet drives 1997(03) 4.Takahashi I;Noguchi T A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor 1986(05)

引证文献(28条) 1.袁仪.陈世元.熊春雷.刘耀阁 直接转矩系统的电动汽车振动研究[期刊论文]-拖拉机与农用运输车 2010(3) 2.张大年 永磁同步电动机直接转矩控制的研究[期刊论文]-科学之友 2010(2) 3.袁仪.陈世元.熊春雷.刘耀阁 基于模糊直接转矩控制的电动汽车稳定性研究[期刊论文]-黑龙江大学自然科学学 报 2009(4) 4.熊春雷.陈世元.袁仪 基于十二区间的模糊直接转矩控制的研究[期刊论文]-防爆电机 2009(5) 5.蒋晏强 感应电动机直接转矩控制系统的性能改善[期刊论文]-防爆电机 2009(4) 6.蒋晏强.陈世元.熊春雷 异步电动机直接转矩控制的开关电压优化[期刊论文]-防爆电机 2009(3) 7.曹占国.胡振伟.徐红林 永磁同步电机直接扭矩控制的仿真研究[期刊论文]-现代车用动力 2009(3) 8.王福庆.邓志良 永磁同步电动机直接转矩控制在Simulink下的建模仿真[期刊论文]-现代制造工程 2008(10) 9.徐建德.马瑞卿.郭绪猛.苏子舟 永磁同步电动机直接转矩控制伺服系统分析与仿真研究[期刊论文]-微电机 2008(4) 10.李建超.安群涛.赵克.孙力 一种基于SVPWM的永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真实验研究[期刊论文]-微电 机 2008(4) 11.郑新华.黄伟琦 空调用永磁同步电动机直接转矩控制的仿真建模研究[期刊论文]-河南科技学院学报(自然科学 版) 2008(3) 12.尚重阳.周建华.邓利红.普清民 空间矢量调制的永磁同步电机调速控制方法[期刊论文]-大电机技术 2008(5) 13.奚国华.徐从谦.喻寿益.桂卫华 基于转矩预测的永磁同步电动机模糊直接转矩控制研究[期刊论文]-电气传动 2008(2) 14.林辉.何芳霞 基于直接转矩控制的永磁同步电机研究[期刊论文]-电机技术 2008(1) 15.王超.李世华.田玉平 基于自抗扰技术的永磁同步电机直接转矩控制[期刊论文]-电气传动 2007(7) 16.李耀华.刘卫国 永磁同步电动机直接转矩控制系统的最大转矩电流比控制[期刊论文]-微特电机 2007(1) 17.李铁 永磁同步电动机直接转矩控制系统磁链控制策略研究[学位论文]硕士 2007 18.龚亚樵 永磁同步电动机无位置传感器直接转矩控制仿真研究[期刊论文]-微电机 2006(6) 19.空调用永磁同步电动机直接转矩控制的仿真建模研究[期刊论文]-水利电力机械 2006(7) 20.杨向宇.朱卫华.姚佳 永磁同步电机模糊直接转矩控制仿真[期刊论文]-华南理工大学学报(自然科学版) 2006(4)

21.张晓飞 吊舱推进器中同步电机直接转矩控制的研究[学位论文]硕士 2006 22.张云平 电力推进中永磁同步电机直接转矩控制的研究[学位论文]硕士 2006 23.龚亚樵.王海峰 永磁同步电动机无位置传感器直接转矩控制仿真研究[期刊论文]-微计算机信息 2005(34) 24.朱卫华.杨向宇 永磁同步电机直接转矩控制零矢量插入新方法[期刊论文]-机电工程技术 2005(11) 25.杨平.马瑞卿.张云安 基于Matlab永磁同步电机控制系统建模仿真方法[期刊论文]-沈阳工业大学学报 2005(2) 26.朱小鸥 永磁同步电机直接转矩控制系统的探讨与分析[学位论文]硕士 2005 27.林伟杰 永磁同步电机伺服系统控制策略的研究[学位论文]博士 2005 28.傅涛 基于滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制[学位论文]硕士 2004

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hnlgdxxb200401005.aspx


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