多相永磁同步电动机调速系统建模与工程实现

苗 鑫， 李 凌

(1.辽宁石油化工大学职业技术学院，辽宁抚顺 113001;2.沈阳工业大学，辽宁沈阳 113142)

0 引言

结合多相电动机和永磁电动机之优点的多相永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)以效率和功率因数都较高、转矩脉动幅值小、可靠性高等优点，在当前调速系统中得到了广泛应用。同时，可以使逆变器的低压功率器件实现大功率，直流母线上的谐波电流减小等，使得逆变器供电的多相PMSM调速系统得到了众多学者的广泛关注［1-3］。

文献［4］针对多相PMSM矢量控制进行了仿真分析，并以表面式PMSM为例建立了矢量控制系统的仿真模型。文献［5］对多相电机的逆变器调制策略进行了研究，在分析多相空间矢量的基础上，通过直接定义逆变器每相桥臂的开关函数实现最终的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)。对于多相电机可靠性和故障情况下的分析，也得到了众多学者的关注［6-8］。文献［6］针对六相PMSM缺一相后采用传统坐标变换不能完全解耦的问题，基于两相等效定子电流分量的原则，研究了绕组不对称情况下的矢量控制方案。文献［7］和［8］也对多相PMSM在故障后的问题进行了分析，并提出了相应的解决方案。本文在硬件和软件设计上充分考虑了系统的可靠性和故障处理问题。

1 调速系统建模

1.1 多相PMSM调速系统特性

多相PMSM调速系统和常见的三相调速系统从调速的最终目的来说是一致的。不同的是，采用了多相电机的调速系统以增加电机相数的方法来提高电机容量，从而不受到电机绝缘等级和电力电子器件的限制。

目前，多相电机驱动系统中，对于多Y接绕组电机，通常采用多个三相逆变器并联供电的模式，从而减少开发周期;对五相、七相电机则必须采用专门的多相逆变器来实现。

1.2 多相PMSM建模

由于当前对电机的各种控制方法主要都是基于同步旋转坐标系下的dq轴数学模型，因此，文中在磁动势和功率不变的原则下，利用坐标变换从多相静止坐标系下得到dq轴数学模型。首先假设:(1)电机定子绕组产生的磁场在空间上都按正弦分布;(2)忽略电机磁路饱和，磁路线性;(3)不计定子表面齿、槽的影响;(4)不考虑温度及频率对电机各参数的影响。

在上述前提下，由式(1)，经过坐标变换可以得到dq坐标系下六相PMSM的磁链方程、电压方程和电磁转矩方程。

φ——直轴d分量与定位相绕组的夹角。

式中:ud、uq，id、iq，Ld、Lq，Ψd、Ψq——定子电压、电流、电感和磁链的dq轴分量;

Rs——定子相电阻;

ωs——电角速度;

Ψf——永磁磁链;

np——电机极对数;

Tem——电磁转矩;

Tl——负载转矩;

1.2.3 心理护理 护理人员主动与患者交流，鼓励患者、倾听患者诉求，向患者讲解血液透析在疾病治疗中的重要性，帮助患者解决问题，及时告知患者治疗进展，加强与家属沟通，嘱咐家属不要给患者压力，要多鼓励患者，对出现焦虑、不安等负面情绪者给予心理辅导，消除患者顾虑，帮助其建立积极治疗观。

Rω——阻力系数;

ω——机械角速度;

J——转动惯量。

2 双闭环控制系统仿真分析

2.1 六相PMSM双闭环磁场定向控制

为了对多相PMSM控制系统进行验证，文中建立了六相PMSM基于式(2)～(5)的仿真模型。采用双闭环的磁场定向控制方式，简化的控制框图如图1所示。

图1 双闭环控制框图

为了工程实现上的简单化，采用电流滞环的PWM方式，该方式可以适合各种多相电机直接控制，而且电流滞环的快速性得到了很好的体现。其中，idref一般情况下为0，从而实现电磁转矩的解耦控制。

利用MATLAB/Simulink建立上述控制过程模型，其中选用的六相PMSM电机参数如表1所示。

表1 电机仿真参数

2.2 仿真结果分析

基于MATLAB/Simulink建立模型的仿真结果如图2～5所示。其中图2为采用电流滞环控制的电机六相电流波形，可以看出，在0.01 s加载后，电流能够快速稳定，而且正弦度较好。

图3是电磁转矩响应曲线，从图中可以看出，起动初期电磁转矩有所波动，不过在极短的时间内能够迅速实现平滑，而且加载后，转矩波动比较小。从图4中的id和iq电流曲线可以看到，磁场定向控制能够实现较好的解耦控制。图5是速度响应曲线，可以看到，系统起动时有一定的超调，不过在0.01 s加载阶段则超调很小。

图2 六相电流波形

图3 电磁转矩波形

图4 id和iq电流

3 工程实现

3.1 多相PMSM调速系统工程实现问题

图5 转速曲线

多相PMSM工程化问题主要体现在根据应用环境下的编码器、电流、电压传感器等检测元件的安装，供电回路的布线走向，高频电磁脉冲干扰对控制系统的影响等。

在速度和电流双环控制结构系统中为了实现速度的实时检测，采用编码器来捕获电机转速和磁场位置，而采用电流和电压传感器实现电流和电压等电量的采集，为控制系统提供电流内环反馈信号和电压检测等。为避免控制系统高频电磁干扰问题，通常要兼顾高压线路布线对控制电路的影响和控制电路自身抗干扰设计。

3.2 试验硬件平台

系统的试验平台如图6所示，经过变压器得到的交流电，再由二极管整理后，提供直流母线电压。

图6 系统试验平台

3.3 系统部分硬件电路设计

电流采样电路如图7所示。为了实现信号采集的准确性，采样部分采用二级运放跟随器的方式。同时，图中U1是电压提升部分，以实现输入信号满足数字信号处理器(Digital Siginal Processing，DSP)运算要求。D1为3.3 V的一个稳压二极管，目的是限制输入信号过限。

电流保护电路电路如图8所示。

图7 电流采样电路

图8 电流保护电路

其中:ia和ib是电流经过互感器或是传感器得到的电机相电流值，经过二极管整流后与参考电压进行比较，然后，由比较器LM339输出故障信号，该信号参与故障电流处理部分，也即完成了硬件电流保护。

3.4 系统主要软件设计

为完成调速功能，系统的主程序和中断流程子程序流程图如图9所示。

图9 主程序和中断流程子程序流程图

为提高响应速度，故障处理设计采用最简单的多路与门方式，当电流、电压、功率模块和温度故障信号发生电平跳转时，即可认为是系统故障，随即输出封桥信号送DSP，如图10所示。

图10 故障处理

4 结 语

分析了多相PMSM调速系统特性，建立了PMSM的dq坐标系下的数学模型，设计了六相PMSM基于磁场定向控制的双闭环调速系统，并基于MATLAB/Simulink进行了分析。仿真结果证明了该系统建模和算法的准确性。探讨了多相PMSM调速系统工程实现的一些问题，设计了采样、保护、故障处理等硬件电路，以及中断处理和故障诊断等软件部分。

［1］唐任远.现代永磁电机理论与设计［M］.北京:机械工业出版社，1997.

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