永磁同步电机矢量控制（四）——simulink仿真搭建

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

注：
1：此为永磁同步控制系列文章之一，应大家的要求，关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶，大家可以直接去主页里面查阅，希望能给大家带来帮助，谢谢。
2：矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充，也放在主页了，请大家查阅。
3: 恰饭一下，也做了一套较为详细教程放在置顶了，内含基本双闭环、MTPA、弱磁、三闭环、模糊PI等基本控制优化策略，也将滑模，MRAS等无速度控制课题整理完成，请大家查看^_**

1 电机模型的选择及参数设置

电机总体控制框图如下，我们按照这个框图来一步一步的搭建。
1.1 型号设置
永磁同步电机的英文缩写为PMSM，全称 Permanent Magnet Synchronous Machine。在 library 内搜索 Permanent 即可找到它。

• number of phase 电机相数
• Back EMF waveform 反电动势波形
• sinusoidal 正弦波
• Rotor type 转子类型
• salient-pole 凸极

1.2 参数设置
在此仿真中没用系统自带的典型电压模型，为了便于以后实验，用的是实验室已有电机的参数。

1.3 高级设置

注意这里的 Roto flux position when theta = 0 一定要选择
Aligned with phase A axis 跟随A相，因为当theta=0 时磁通不跟随A相，会出现非常严重的相位错位，导致PI调节器失效。
最全的模型设置请参考，英文的但是介绍的很详细：
http://ww2.mathworks.cn/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsynchronousmachine.html#brlinhw-3

2 变换环节的设置

2.1 3/2 变换 和 2/2变换 functions的设置

function 内数学变换程序：
function [ia,ib] = fcn(Ia,Ib)
ia=sqrt(2/3)*sqrt(3/2)*Ia;               % 3/2变换  N3/N2 = 2/3   且  ia + ib + ic = 0 
ib=sqrt(2/3)*(1/sqrt(2)*Ia+sqrt(2)*Ib);
end

function [id,iq] = fcn(ia,ib,theta)
%#codegen

 id=ia*cos(theta)+ib*sin(theta);          % 2/2变换
 iq=-ia*sin(theta)+ib*cos(theta);
end

2.2 两相旋转变两相静止部分function设置

function Uref  = fcn(uq,ud,iq,id,theta)
  ua_out=ud*cos(theta)-uq*sin(theta);
  ub_out=ud*sin(theta)+uq*cos(theta);
  Uref=[ua_out;ub_out];
  
end

以上三个变换的程序编写均以永磁同步电机矢量控制（二）——坐标变换中所写公式编写。

3 PI模块的搭建
PI模块的搭建主要来源于其传递函数：


PI调节器的限幅值设置，请大家参考这篇文章。https://blog.csdn.net/sy243772901/article/details/105287993
3.1 具体PI 参数的计算

由电机参数
Rs = 0.415
Lq = 0.0054
Ld = 0.0045
J = 1
B = 0.0025
flux = 0.8767
P= 4
由 PI 参数整定文章内公式计算出得

如图所示将PI参数输入到PI调节器中，上图是我自己做的一个VB小程序，把计算公式写在里面了，算是偷个懒。
12月22日补充：这张图计算出来的转速环参数经常需要手调，需要具体计算的请大家参考以下重新整理的转速环PI参数设计过程：https://blog.csdn.net/sy243772901/article/details/110246280

4 实验结果
4.1 空载输出特性

转速波形

稳定性：系统无明显的超调，在到达给定转速后很快稳定下来。稳定性优良。
准确性：准确跟随速度给定。准确性优良。
快速性：由于电机较大，转动惯量达到了J=1，所以0.65s左右转速升到800r/min,可见系统的快速性还是相当不错的。

定子三相电流波形

三相定子电流呈现较好的正弦特性，在到达给定转速后，迅速降低，到0-0.2附近波动。

电机转矩波形

电机转矩波形稳定在额定转矩附近，在到达给定转速后迅速降低，进行维持稳定转速的微调。

4.2 带载输出特性
4.2.1 带20N负载输出特性

转速波形

基本无明显速度降落。放大后速降在0.5很快就恢复到给定值。

三相定子电流波形

三相定子电流正弦特性完好，且在给定负载后反映迅速。

转矩波形

转矩波形稳定，在到达给定后迅速降低，突加负载后迅速上升，性能优良。

4.2.2 带100N负载输出特性

转速波形

在突加负载100N后，速度有一个较小的降落后迅速的返回给定值，性能优良。

三相定子电流波形

定子三相电流与20N负载一个明显的区别，在突加负载后，定子电流先增大到额定电流大小，按照最大电流升速，再减小至100N转矩所需要的电流大小，稳定转速，证明PI调节器参数设定合理，既有良好的抗扰性能。

转矩波形

同上，100N转矩波形与20N转矩波形的区别也在于，在突加负载后，转矩先增大到最大转矩，以最大的转矩升速，再减小至维持给定转速的转矩大小。

小结：按照解小刚老师论文的阐述，以及陈伯时书籍上异步电动机矢量控制的对照，对永磁同步电机，坐标变换解耦以及PI参数设定，形成了整个仿真基础。实验效果较为良好，学到了很多永磁同步电机的知识。

个人感想：在仿真时候，内心是跟随那转速波形一点一点波动的。看到转速一点点到达给定，看到转速在突加负载时迅速返回给定，心中更是激动不已。其中当然有很多失败的过程，比如电机模型内跟随A相相位设置不当，导致一下午换了多种电机模型换了多个PI参数，波形仍然不堪入目的时候，内心也是比较失落的。不过似乎我比较热爱我的专业，就算这样仍然一直坐在实验室，继续更换电机继续更换参数，虽然很枯燥却乐在其中。还有一点就是看论文确实很重要，作者的思想和提供的参考论文，都是我们专业最精华的知识，我们的大部分问题都可以通过查论文来解决。通过看这些论文，我从侧面体会到未来研究生的生活，就好想一个检索机和一个记录仪，一遍遍的在各大学者书籍中寻找自己需要的知识，然后记录下来。这个检索的过程是相当兀杂的，想要记录下来也需要耐心。但转念一想，想到自己能在如果盛大的知识的海洋里遨游，寻找宝藏，这又是多么何乐而不为的美好。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索，以此与各位互勉。

需要文章资料与仿真模型的同学请博客私信我，请勿评论留下个人信息，避免信息外泄，私信看到就会发过去。。

整理不易，希望大家帮忙点个赞呀，谢谢啦~^_

系列文章链接：

永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）
永磁同步电机矢量控制（一）——数学模型
永磁同步电机矢量控制（二）——控制原理与坐标变换推导
永磁同步电机矢量控制（三）——电流环转速环 PI 参数整定
永磁同步电机矢量控制（五）——波形记录及其分析
永磁同步电机矢量控制（六）——MTPA最大转矩电流比控制
永磁同步电机矢量控制（七）——基于id=0的矢量控制的动态解耦策略
永磁同步电机矢量控制（八）——弱磁控制(超前角弱磁)
永磁同步电机矢量控制（九）——三闭环位置控制系统
永磁同步电机矢量控制（十）——PMSM最优效率（最小损耗）控制策略