基于矢量控制的永磁同步电机调速系统研究

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  • 近年来,随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展,永磁同步电机得以迅速推广应用。永磁同步电机具有体积小、损耗低、效率高等优点,在节约能源和环境保护日益受到重视的今天,对它的研究就显得更有必要。

    1 永磁同步电机的数学模型
        为了便于分析,在建立数学模型时常忽略一些影响较小的参数,做如下假设:
        (1)忽略电动机铁心的饱和;
        (2)不计电动机中的涡流和磁滞损耗;
        (3)定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆是按正弦分布的,即忽略磁场中的所有空间谐波;
        (4)各相绕组对称,即各相绕组的匝数和电阻相同,各相轴线相互位移同样的电角度。
        在分析同步电机的数学模型时,常采用坐标变换的方式,常用的坐标系有两相同步旋转坐标系为dq坐标系和两相静止坐标系为αβ坐标系。故可以得到永磁同步电动机在幽旋转坐标系下(见图1)的数学模型为:

        若电机为隐极电机,即Ld=Lq,选取定子电流id,iq及电机机械角速度ω为状态变量,可以得到永磁同步电机的状态方程如下式所示:

       
        从上式中可以发现,三相永磁同步电机是一个多变量系统,而且id,iq,ω之间存在着非线性耦合关系,要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制,是一个颇具挑战性的课题。

    2 永磁同步电机矢量控制
        高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支撑,对于交流电机,目前使用最广泛、并已经在实际系统中应用的当属矢量控制理论。1971年,由F.Blaschke教授提出的矢量控制理论,矢量控制基本原理是:以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为相互正交的2个分量,一个与磁链同方向,代表定子电流励磁分量,另一个与磁链方向正交,代表定子电流转矩分量,然后分别对其进行独立控制,获得像直流电机一样良好的动态特性。永磁同步电机数学模型经过坐标变换后,id,iq之间仍存在着耦合,不能实现对id和iq的独立调节。如果要获得永磁同步电机良好的动、静态性能,就必须解决id,iq电流的解耦问题。如能控制id=0,则永磁同步电机的状态方程式可以简化为:

       
        此时id,iq无耦合关系,Te=npψfiq,可以通过独立调节iq实现转矩的线性化控制。

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