多参数方法的永磁同步电机实时控制建模研究

摘要

永磁同步电机因其具有功率密度高、体积小、高可靠性等特点而被广泛运用到多种驱动控制场合，如航空航天、伺服驱动以及风力发电等领域。
　　永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，在高精度、高动态性能的应用场合，建立便于进行电磁场分析的快速、精确的动态模型是实现高效控制的基础。然而，在实际中，为了增加仿真的置信度，得到逼近真实电机的仿真结果，这种高精度的非线性模型增加了建模的复杂性。随着实时仿真技术的迅速发展，半实物仿真也得到了广泛的应用。其优点在于可以克服传统数字化离线仿真与实物系统差别大的不足，提高仿真技术的置信度，且可缩短研发周期，增加测试过程的安全性与可靠性以及实现实验的可重复性。因此，研究既能提高电机模型精度的建模方法，又能考虑到模型与控制策略的实时性具有重要的意义。
　　本文首先对永磁同步电机传统数学模型的三种形式进行了详细介绍，并说明了三种坐标系之间的转换关系。采用id?0的矢量控制策略在MATLAB/Simulink环境中对传统数学模型进行了离线仿真，通过对仿真结果与实际电机运行结果的分析，说明了永磁同步电机传统数学模型由于没有考虑电机在实际运行过程中的复杂耦合非线性特性，使得模型过于理想，不能很好地应用于高精度电机模型分析和控制场合中，因此引入了永磁同步电机的有限元模型。
　　通过永磁同步电机的几何模型，在 JAMG有限元仿真软件中进行了磁场模型的建立，根据仿真结果分析验证了模型的特性，并利用软件自带的电感计算工具得到了电机的电感参数。针对该模型内部关系复杂、无法直接参与控制的问题，进一步采用 JMAG-RT实时电机模型与具体的控制策略相结合进行离线控制仿真，通过与实际电机得到的结果进行对比，验证了有限元实时模型的准确性。但是该有限元实时模型内部封闭，难以研究电机各个参数对电机复杂耦合控制系统的影响，因此又利用有限元实时模型输入输出端口丰富的优点，进行了参数的提取，用于建立既能保证模型精确性，又能使模型较为简单的具有开放性的永磁同步电机模型。
　　结合永磁同步电机传统数学模型和有限元模型各自的优点，并利用有限元实时模型提取出的参数，建立了既能体现电机非线性特性，又能参与控制的开放性的高精度的多参数永磁同步电机实时模型。该模型考虑了永磁同步电机电感随电流变化的非线性特性，以及交叉耦合效应，表达形式简单。且通过对相应接口的实时化处理，生成了易于与具体的控制策略结合的仿真模型。通过对该模型仿真，并与实际电机进行了对比，初步验证了模型的有效性。同时，由于该模型准确性高，开放性强，因此又在此基础上探讨了电机电感及互感对电流各次谐波的影响。
　　最后，借助dSPACE半物理实时仿真系统，搭建了永磁同步电机半物理实时仿真平台，对仿真模型的部分接口实时化改造，完成了永磁同步电机模型的硬件在环仿真验证。通过与实物电机实验的对比，验证了所建立的永磁同步电机多参数实时模型的准确性。

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