【MATLAB源码-第268期】基于simulink的永磁同步电机PMSM双闭环矢量控制系统SVPWM仿真，输出转速响应曲线。

news2024/9/22 23:03:38

操作环境：

MATLAB 2022a

1、算法描述

永磁同步电机（PMSM）是目前工业领域中广泛使用的一种高效电机，其具有高功率密度、运行效率高、动态响应快等优点。在控制永磁同步电机时，通常采用矢量控制（也称为磁场定向控制，FOC）策略来实现电机的高精度转矩控制与速度控制。本文将结合上述Simulink框图，详细解释永磁同步电机双闭环启动过程及其控制策略。

一、永磁同步电机控制框图的分析

该Simulink框图主要实现了PMSM的双闭环控制系统。双闭环控制结构通常包括速度外环和电流内环。电流内环负责电机定子电流的控制，而速度外环则通过调整给定的电流来实现对电机转速的精确控制。

1. 速度外环

框图左侧上方的模块表示的是电机的速度外环。通过速度传感器（或估算器）获得的实际转速 ωrωr 与给定的参考转速 ωr∗ωr∗ 进行比较，产生一个速度误差信号。这一误差信号输入到一个PI（比例-积分）调节器中。PI调节器输出的是电流参考值 iq∗iq∗，该电流参考值将作为电流内环的输入。

速度外环的核心目标是通过调节 iq∗iq∗ 来控制电机的转矩，进而控制电机的实际转速，使其跟踪参考转速 ωr∗ωr∗。

2. 电流内环

电流内环由 dd-轴电流控制器和 qq-轴电流控制器组成。由于永磁同步电机的电磁转矩主要由 qq-轴电流 iqiq 控制，dd-轴电流 idid 通常被设定为零（除非需要弱磁控制），以最大化转矩输出效率。

在该框图中，电流内环的工作原理如下：

首先，将速度外环的输出 iq∗iq∗ 与实际 qq-轴电流 iqiq 进行比较，得到电流误差。电流误差经过PI调节器调节后，生成 VqVq 的电压指令。
同时，dd-轴的电流控制器将 id∗id∗ 与实际的 idid 进行比较，生成 VdVd 的电压指令。

3. SVPWM（空间矢量脉宽调制）

电流内环产生的 VdVd 和 VqVq 电压指令通过逆Park变换转换为 αα-ββ 坐标系下的电压 VαVα 和 VβVβ。接着，空间矢量脉宽调制（SVPWM）模块会根据这些电压信号生成PWM信号，控制逆变器的开关，从而调节电机三相定子电流。

4. 逆变器和PMSM

该系统采用三相桥式逆变器来驱动永磁同步电机。逆变器的输入是直流电压 VdcVdc，输出三相交流电压 UabcUabc，从而驱动电机产生旋转磁场。

电机定子电流 iabciabc 通过Clark变换转换为 αα-ββ 坐标系的电流，然后通过Park变换进一步转换为 dd-qq 坐标系下的电流 idid 和 iqiq，从而实现闭环控制。

二、双闭环启动过程

双闭环控制启动过程可以分为以下几个步骤：

1. 电机预充电及启动初始化

在永磁同步电机的启动过程中，首先需要对直流母线进行预充电，确保逆变器输入侧的直流电压 VdcVdc 达到稳定值。与此同时，控制系统的各项初始参数会被设定，例如：初始转速 ωr=0ωr=0，电流 id=0id=0，参考转矩设定为一个合理的初值。

2. 速度参考信号设定

启动时，系统会设定一个参考速度 ωr∗ωr∗ ，该速度通常是由上层控制系统或人工设定。这个参考速度输入到速度外环，与实际电机转速 ωrωr 进行比较，生成速度误差信号。

3. 速度外环输出电流参考值

速度误差信号通过PI调节器调节后，输出 qq-轴电流参考值 iq∗iq∗，该电流参考值是决定电机电磁转矩的关键量。此时，dd-轴电流参考值 id∗id∗ 通常被设定为零。

4. 电流内环控制

电流内环接收来自速度外环的电流参考值 iq∗iq∗，并将其与实际 qq-轴电流 iqiq 进行比较，生成电流误差信号。该误差信号通过PI调节器调节后，输出 VqVq 电压指令。同样的，dd-轴电流参考值 id∗id∗ 与实际 idid 的比较会生成 VdVd 电压指令。

5. 空间矢量脉宽调制生成PWM信号

通过逆Park变换，电流内环的输出电压 VdVd 和 VqVq 被转换为 VαVα 和 VβVβ，再经过SVPWM模块，生成用于控制逆变器的PWM信号。

6. 逆变器驱动电机

SVPWM模块生成的PWM信号控制逆变器的开关状态，逆变器输出三相电压 UabcUabc，从而驱动永磁同步电机。随着电机启动，定子电流逐渐建立，转矩增大，电机加速，直到实际转速 ωrωr 接近设定的参考转速 ωr∗ωr∗。

7. 稳态运行

当电机达到稳态运行时，实际转速 ωrωr 接近参考转速 ωr∗ωr∗，此时速度误差趋近于零，速度外环的PI调节器输出的 iq∗iq∗ 保持稳定，电流内环也处于平衡状态。电机此时运行平稳，维持设定的速度和负载转矩。

三、控制策略分析

该控制框图主要基于矢量控制策略。矢量控制通过将三相定子电流转换到 dd-qq 旋转坐标系，实现电流和转矩的独立控制。以下是该控制策略的关键点：

1. 速度外环与电流内环解耦

永磁同步电机的双闭环控制策略中，速度外环主要控制电机的转矩（通过控制 iqiq 实现），而电流内环则精确控制定子电流。通过将这两个环路分离，系统能够实现更高的控制精度和响应速度。

速度外环与电流内环的解耦设计保证了控制系统的稳定性与动态响应性。速度外环产生的电流参考值 iq∗iq∗ 被输入到电流内环，使得外环的控制目标（转速）能够通过内环精确控制电流来实现。

2. dd-轴电流控制与弱磁控制

在常规运行模式下，dd-轴电流通常被设定为零，以最大化电机的转矩输出。这是因为在永磁同步电机中，qq-轴电流主要负责产生电磁转矩，而 dd-轴电流仅仅是调节磁链的分量。

然而，当电机需要运行在高速状态下时，可能会采用弱磁控制策略，即通过设定 idid 为负值，降低转子磁链，从而实现更高的转速。这一策略主要用于拓宽电机的调速范围。

3. 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

SVPWM是一种先进的脉宽调制技术，通过选择适当的电压矢量来逼近目标电压，从而实现更平滑的电压输出和更高的电压利用率。与传统的正弦脉宽调制（SPWM）相比，SVPWM能够产生更低的谐波失真，提高电机的运行效率。

4. 反馈闭环控制

该系统通过实时反馈电机的转速和电流，实现闭环控制。转速反馈用于速度外环，而电流反馈用于电流内环。这种双闭环结构能够有效提高系统的抗干扰能力，保证电机在不同工况下都能保持稳定运行。

四、结论

永磁同步电机的双闭环启动与控制策略是实现高效、稳定电机控制的关键。通过速度外环与电流内环的协同工作，控制系统能够精确控制电机的转速与转矩，同时保证电流调节的快速响应和稳定性。再结合SVPWM技术，系统能够实现高效的电能转换，降低谐波损耗，提高电机运行的效率与稳定性。在实际应用中，永磁同步电机的这种控制策略被广泛应用于工业自动化、机器人、电动车辆等领域。