永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)

一.内容
此次学习主要进行仿真部分的学习。
二.知识点
1.三相PMSM的坐标变换
1.1Clark变换与仿真建模
功能:

将相位互差的在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述在这里插入图片描述转换成正交的在这里插入图片描述在这里插入图片描述
Clark变换公式:
在这里插入图片描述
由三相电流之和为0,也可以将公式转换为:
在这里插入图片描述
Clark仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第1张图片
其中系数在这里插入图片描述是根据幅值不变作为约束条件得到的,如若采用功率不变为约束条件的,则在这里插入图片描述
反Clark仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第2张图片
仿真测试:
添加信号源和示波器,便可以得到一个完整的仿真建模,如图3所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第3张图片
初始化设置:
三个信号源分别设置成幅值相等,相位两两相差的信号。
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第4张图片
实验结果与分析:
对三个信号源的信号进行Clark变换后,在进行反Clark变换,最后再将反Clark变换得到的结果和原信号由示波器进行输出波形对比。
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第5张图片
从最终得到的结果我们可以发现,示波器上面只会显示一个波形,这也表示反Clark变换输出的信号和原信号完全一致。同时也可以再进行一次实验,将输出的A相信号与原B相信号进行对比,得到的结果如图6所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第6张图片
此时发现两个信号之间幅值相等,但是相位不同。可以很明显的判断出相位差在在这里插入图片描述在这里插入图片描述之间,大致推断在在这里插入图片描述左右,与原信号源设置的初始值相符合。
Clark变换研究:
Clark变换输出的信号的波形如图7所示:永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第7张图片
由图像可知,经过Clark变换之后,三相相差在这里插入图片描述的正弦信号变成了两相相差在这里插入图片描述的信号,而幅值,频率都没有发生改变,同时其中一个信号还与原信号相同,这点也与一开始设置的系数在这里插入图片描述有关,保证了幅值不变,当将系数改变,相应的结果也会发生变化。
1.2Park变换与仿真建模
功能:
将正交的电流在这里插入图片描述在这里插入图片描述和转子的电角度在这里插入图片描述转化为电流在这里插入图片描述在这里插入图片描述
Park变换公式:
在这里插入图片描述
**反Park变换公式:
**在这里插入图片描述
Park仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第8张图片
其中第三个输入信号就是电信号在这里插入图片描述
反Park仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第9张图片
电信号:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第10张图片
电信号的仿真是通过对一个常数进行积分累积来实现的,从而达到电信号不断增长的仿真效果。
仿真测试:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第11张图片
初始化设置:
常量设置的值时100,离散时间积分器的增益设置为1.0,来模拟不断成增长的电角度。另外两个信号则是设置成幅值,频率相等,的正交信号,来分别模拟在这里插入图片描述在这里插入图片描述信号。
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第12张图片
实验结果与分析:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第13张图片
从结果中可以发现,经过Park变换的信号再反变换回来,也能与原信号对应。
Park变换研究:
Park变换的意义在于便于研究电机的输出力矩,通过将信号分解到交轴和直轴,利用交轴与直轴围成的面积来表示力。再通过速度或位置反馈,就能够有效的控制电机转起来。
1.3同步旋转坐标下的仿真建模
定子电压方程组:
在这里插入图片描述
电磁转矩方程:
在这里插入图片描述
转速计算方程:
在这里插入图片描述
主要函数:

function sys=mdlDerivatives(t,x,u)
R = 2.875;%定子电阻
Ld = 8.5e-3;%定子电感
Lq =8.5e-3;%定子电感
Pn = 4;%极对数
Phi = 0.175;%磁链价 = O. 175 Wb
J = 0.001;%,转动惯量 J
B = 0.008;%,阻尼系数
sys(1)=(1/Ld)*u(1)-(R/Ld)*x(1)+(Lq/Ld)*Pn*x(2)*x(3);
sys(2)=(1/Lq)*u(2)-(R/Lq)*x(2)-(Ld/Lq)*Pn*x(3)*x(2)-(Phi*Pn/Lq)*x(3);
sys(3)=(1/J)*(1.5*Pn*(Phi*x(2)+(Ld-Lq)*x(2)*x(3))-B*x(3)-u(3));

实现对电机的参数初始化,并完成上述方程组的计算,对应仿真模块的pmsm模块,输出定子在d-q轴的分量转矩。
仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第14张图片
初始化:
①电流环PI调节器初始化:
由仿真建模可以得知共有两个电流环,分别是id和iq的反馈,他们的参数设置也是一样的,按照参考书,可以设成如图15所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第15张图片
②转速环PI调节器初始化:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第16张图片
③仿真建模条件设置:
参考转速:1500r/min
负载转矩:初始值为0,当t=0.05时,TL=10N*m
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第17张图片
运行结果与分析:
①d-q轴电流变化情况:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第18张图片
②转速变化曲线:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第19张图片
由转速变化曲线可以发现,转速能够很快的稳定在参考速度上,这也是因为d-q轴定子电流有着较快的响应速度。
1.4 静止坐标系下的仿真建模
磁链计算公式:
在这里插入图片描述
仿真建模:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第20张图片
仿真结果与分析:
整个仿真的输入分别是成正交的uα,uβ和一个设置成常量的负载转矩TL,其中利用输入量再和磁链,定子电流,转速,电角度重新得出新的定子电流与转速。利用转速可以得到新的电角度,利用转子电流在α-β轴的分量得到新的磁链,形成一个整体。
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第21张图片
图22显示的五个波形分别是,定子电流在α-β轴的分量和对应的磁链,中间的是电角度,可以发现电角度成一定比例匀速变化。
2.SVPWM算法
2.1七段式SVPWM
仿真建模:

永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第22张图片
模块与分析:
①扇区模块

永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第23张图片
七段式SVPWM共有六个扇区,扇区的判定是根据参考电压来的,通过参考电压在α和β轴的分量进行计算判别。这里仿真是直接给了分量的值,即输入的两个相位差为π/2,幅值为200V的正弦波,再利用这两个参量来计算得到中间变量,根据中间变量的关系来判别扇区,主要公式如下所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第24张图片
在定义三个变量A、B和C,分别表示Uref1、Uref1和Uref1正负情况,即正为1,反之为0。而决定扇区的N就是由下面公式得到的,进而判断出参考电压的所在扇区。
在这里插入图片描述
②矢量作用时间模块
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第25张图片
知道了所在的扇区之后,我们还需要知道扇区的各个矢量的作用时间,作用时间就要通过另外三个变量来计算了,计算公式如下所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第26张图片
得到了X、Y和Z这三个变量之后,就可以根据下表的来进行作用时间的判断了。
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第27张图片
实现模块如下图所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第28张图片
扇区矢量切换点模块:
扇区矢量切换点确定是最后一个模块了,他揭示了三相开关时间的切换点与各扇区之间存在的关系,模块如下图所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第29张图片
相似的,也需要三个变量,具体计算公式如下所示:
在这里插入图片描述
则三相电压开关时间Tcm1、Tcm2和Tcm3与各扇区的关系如下表所示:
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第30张图片
运行结果与分析:
①扇区N的计算结果

永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第31张图片
由图像可以观察发现波形成周期变换,并成3-1-5-4-6-2的顺序进行变换,与理论相同。
②切换时间Tcm1、Tcm2和Tcm3计算结果
永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第32张图片
③相电压输出情况永磁同步电机(正弦有感)学习 (7)_第33张图片
由图可以看出,三相电压呈一定相位差,并且都是6拍阶梯波,即在一个工作周期内,6种有效工作状态各出现一次,与理论相符。
三、学习总结
仿真部分的学习需要面对的问题是主要原理和MATLAB软件的运用情况不熟,但是跟着参考书籍学下来也较为顺利,通过这段时间的学习,使得我对整体的各个部分原理和主要作用有了更加详细的认识和了解,当然仿真只是为了更好的帮助我们理解,主要的还是程序部分的学习与理解。下面还需要继续学习仿真部分,为更好的理解程序做准备。

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