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永磁同步電機(jī)矢量控制的分析

上次我們有介紹過永磁同步電機(jī)的控制方法,可知此電機(jī)的控制方法有三種。那么對(duì)于永磁同步電機(jī)矢量控制的分析又是怎樣的呢?接下來(lái)一同探討下吧!

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隨著高功能永磁材料、電力電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路和核算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,永磁同步(PMSM)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,在數(shù)控機(jī)床,機(jī)器人等高精度控制范圍得到了廣泛的應(yīng)用。

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因?yàn)閷?duì)電機(jī)控制功能的要求越來(lái)越高,永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)能夠完成高精度、高動(dòng)態(tài)功能、大范圍的調(diào)速或定位控制,永磁同步矢量控制系統(tǒng)的研討已成為中小容量交流伺服系統(tǒng)研討的要點(diǎn)之一,怎么樹立有用的仿真模型越來(lái)受到人們的重視。本文在分析永磁同步數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,用MATLAB語(yǔ)言中的Simulink和Power System B1ock模塊樹立了控制系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)得出的仿真成果進(jìn)行了如下的分析。

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1、永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

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永磁同步的數(shù)學(xué)模型依據(jù)以下假定:

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① 疏忽飽滿、渦流、磁滯效應(yīng)的影響;

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② 電機(jī)的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流;

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③ 永磁體磁動(dòng)勢(shì)叵定,即等效的勵(lì)磁電流安穩(wěn)不變;

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④ 三相定子繞組在空間呈對(duì)稱星形散布,定子各繞組的電樞電阻電樞電感持平。

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永磁同步電動(dòng)機(jī)是交流同步調(diào)速系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),分析其數(shù)學(xué)模型對(duì)把握其調(diào)速特性尤為重要。取轉(zhuǎn)子永磁體基波勵(lì)磁磁場(chǎng)軸線為d軸,q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90度電視點(diǎn),dq軸系伴隨轉(zhuǎn)子以角速度ωr一道旋轉(zhuǎn),它的空間坐標(biāo)以d軸與參閱軸α間的電視點(diǎn)θr來(lái)表明,則理想永磁同步在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型能夠?qū)懗扇缦滦问剑?/p>

依據(jù)數(shù)學(xué)模型用Simulink樹立了永磁同步的模塊如圖2.1所示:

2、永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)控制原理

由上式能夠看出,永磁同步的電磁轉(zhuǎn)矩根本上取決于定子電流在q軸上的重量。因?yàn)橛来磐降霓D(zhuǎn)子磁鏈安穩(wěn)不變,所以遍及選用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制,控制的本質(zhì)就是通過對(duì)定子電流的控制來(lái)完成交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)速在基速以下時(shí),在定子電流給定的情況下,控制id=0能夠更有用的發(fā)生轉(zhuǎn)矩,這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Tem=Pniqψr,可見電磁轉(zhuǎn)矩就隨著iq的改變而改變,這種控制辦法 為簡(jiǎn)略??墒寝D(zhuǎn)速在基速以上時(shí),因?yàn)榇盆F的勵(lì)磁磁鏈為常數(shù),電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例的增加。電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電壓也隨著進(jìn)步,可是又要遭到與電機(jī)端相連的逆變器的電壓上限的約束。

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在實(shí)踐控制中,系統(tǒng)檢測(cè)到的是流入電機(jī)的三相定子電流,所以有必要進(jìn)行坐標(biāo)改換,把三相定予坐標(biāo)上的電流重量經(jīng)park,clarke改換成轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系上的電流重量。要完成定子坐標(biāo)系到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的改換有必要在控制中實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的方位,常用的轉(zhuǎn)子方位檢測(cè)傳感器有增量式光電編碼器,肯定式光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。方位信號(hào)指令與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子方位相比較,通過方位控制器的調(diào)整,輸出速度指令信號(hào),速度指令信號(hào)與檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)相比較,經(jīng)速度調(diào)理器的調(diào)理,輸出控制轉(zhuǎn)矩的電流重量i*q,電流重量給定信號(hào)與通過坐標(biāo)改換的電機(jī)實(shí)踐電流重量比較,通過電流控制器核算,其輸出量經(jīng)反park改換用于核算發(fā)生PWM驅(qū)動(dòng)IGBT,發(fā)生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機(jī)定子,驅(qū)動(dòng)電機(jī)作業(yè)。

3、系統(tǒng)仿真

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圖4.1三相永磁同步電機(jī)矢量控制仿真框圖依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的三相PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真框圖如圖4.1所示。圖中PI模塊為速度環(huán)PI控制器,依據(jù)電機(jī)實(shí)踐速度及給定速度來(lái)斷定電流轉(zhuǎn)矩重量;PWM模塊選用電流滯環(huán)控制(如圖4.2),使電機(jī)實(shí)踐電流跟從給定電流改變,詳細(xì)完成如圖4.3;模塊dq2abc完成2r/3s改換,詳細(xì)完成如圖4.4,其間函數(shù)模塊Fcn、Fcnl和Fcn2一同完成2r/3s改換;MMD模塊為電機(jī)丈量模塊,它實(shí)時(shí)測(cè)量電機(jī)的速度、電流、轉(zhuǎn)子方位等信號(hào):PMSM模塊為MATLAB提供了永磁同步電機(jī)模型,它的具體實(shí)現(xiàn)如圖2.1。

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4、仿真圖形及成果分析

仿真中用到的電機(jī)參數(shù)如下:定子電阻為2.875Ω,定子直軸電感和交軸電感都為8.5e一3H,永磁磁極與定子繞組交鏈的磁鏈為0.175Wb,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.8e一3kgm2,極對(duì)數(shù)6,給定轉(zhuǎn)速為ωr=500rpm,在t=0.03s時(shí),負(fù)載轉(zhuǎn)矩由ON·m突變?yōu)?N·m,見圖(5.1)。

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由上述仿真成果可知,普通三相永磁同步電機(jī)選用依據(jù)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制計(jì)劃,且速度外環(huán)選用PI控制時(shí),速度響應(yīng)進(jìn)程中有必定超調(diào)見圖(5.2)。當(dāng)突加負(fù)載時(shí),速度當(dāng)即下降,然后逐步康復(fù)安穩(wěn)見圖(5.3):若在速度外環(huán)選用PID控制,即在速度外環(huán)加一個(gè)小的微分環(huán)節(jié)D并恰當(dāng)下降比例放大系數(shù)P,可有用下降超調(diào)量,而且縮短電機(jī)發(fā)動(dòng)和突加負(fù)載時(shí)電機(jī)抵達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)刻。交軸實(shí)踐電流始終盯梢交軸給定電流見圖(5.5),且發(fā)動(dòng)進(jìn)程中和突加負(fù)載時(shí),兩者改變起伏較大,而安穩(wěn)時(shí)兩者都根本安穩(wěn),穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁力矩安穩(wěn)見圖(5.4),以便平衡外加負(fù)載;速度安穩(wěn)時(shí)三相定子電流為規(guī)整的正弦電流,且相位順次相差約120°。