4.4 基于SimPowerSystems的PMSM仿真建模

在MATLAB環(huán)境下，打開SIMULINK后，可以找到電力系統(tǒng)庫（SimPowerSystems）工具箱，在電動機(jī)（Machines）子庫下可以找到永磁同步電動機(jī)模塊（Permanent Magnet Synchronous Motor），如圖4-22所示。鼠標(biāo)左鍵單擊瀏覽庫（SIMULINK library browser）上的新建文件后，出現(xiàn)一個新的mdl文檔界面，用鼠標(biāo)左鍵將電動機(jī)模塊拖放到mdl文檔界面中，如圖4-23所示。圖中還從同一個子庫中拖出了電動機(jī)的測量模塊（Machines Measurement Demux）到mdl文檔中。

圖4-22 SimPowerSystems在SIMULINK位置

圖4-24a給出了雙擊圖4-23中電動機(jī)模塊后出現(xiàn)的界面，在configuration中對電動機(jī)的總體概況進(jìn)行設(shè)置，例如圖中顯示的是正弦波反電動機(jī)的永磁電動機(jī)（sinusoidal）；機(jī)械端口的輸入為轉(zhuǎn)矩（Torque Tm）。在圖4-24b的parameters中可以設(shè)置電動機(jī)的定子電阻（statorphase resistance Rs）、dq軸電動機(jī)電感（inductance）、電動機(jī)的磁場參數(shù)（永磁磁鏈、電動機(jī)常數(shù)或者轉(zhuǎn)矩常數(shù)三種方式可以選擇其一）、電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量（inertia）、摩擦系數(shù)（friction factor）和極對數(shù)（pole pairs）、電動機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械角速度（wm）、機(jī)械角位置（thetam）和電流（ia，ib）的初始條件。

圖4-23 在一個mdl圖形文檔界面中放置PMSM模塊

有關(guān)電動機(jī)磁場參數(shù)的設(shè)置解釋如下：第一種方式是永磁體在定子相繞組中產(chǎn)生的磁鏈峰值K₁（Wb），第二種方式是電動機(jī)被原動機(jī)拖動在1000r/min速度下時的開路線電壓的峰值K₂（V/krpm），第三種方式是峰值為1A的定子電流產(chǎn)生的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩K₃（Nm/A），它們之間的關(guān)系是：K₂=K₁×n_p×3×1000/9.55，K₃=K₁×n_p×3/2，其中的n_p是電動機(jī)的極對數(shù)。

研究SIMULINK提供的模型幫助文檔可知，定子三相繞組在內(nèi)部連接至中性點(diǎn)（即星型連接），且中性點(diǎn)沒有外接連線。圖4-23電動機(jī)模型的第一個輸入T_m是等效到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸處的機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩，后三項(xiàng)（A、B、C）為定子繞組的外部接線端。若輸入的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于零，則模型為電動機(jī)；若輸入的負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于零，則模型為發(fā)電動機(jī)。

圖4-23電動機(jī)模塊的輸出m包含了多個變量（如電動機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等變量），這需要連接一個合適的測量模塊——電動機(jī)測量模塊，如圖4-23右側(cè)模塊所示。雙擊該模塊后，出現(xiàn)圖4-25所示的參數(shù)設(shè)置對話框。在其中首先需要選擇待測量的電動機(jī)類型，這里選擇Permanent Magnet Synchronous。然后選擇待輸出的信號（選擇不同的電動機(jī)類型會出現(xiàn)不同的輸出信號與電動機(jī)類型相對應(yīng)）。待測量的信號共有13個：

1-3：定子A、B、C三相的相電流，單位為A；

4-5：q軸、d軸電流，單位為A；

6-7：q軸、d軸電壓，單位為V；

8-10：檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置的Hall傳感器信號（圖4-26給出了Hall傳感器信號與電動機(jī)三相繞組反電動機(jī)波形之間的關(guān)系）；

11：轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，單位為rad/s；

12：轉(zhuǎn)子機(jī)械角位置，單位為rad；

13：電磁轉(zhuǎn)矩，單位為Nm。

圖4-24 電動機(jī)模塊的參數(shù)設(shè)置

a）電動機(jī)總體概況設(shè)置 b）電動機(jī)具體參數(shù)設(shè)置

圖4-25所示的是僅僅選擇了定子qd軸電流、轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度和電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

圖4-25 電動機(jī)測量模塊測量的信號

以正弦波反電動機(jī)為例，圖4-26給出了電動機(jī)測量模塊提供的A相Hall信號與電動機(jī)A相定子繞組的永磁磁鏈、定子繞組的A相反電動勢、AB線反電動勢之間的關(guān)系曲線。圖中的角度是通常方式定義的電角度（0度表示轉(zhuǎn)子d軸與A軸線重合）。注意SimPowerSys-tems中電動機(jī)測量模塊提供的轉(zhuǎn)子電角度（機(jī)械角度乘以極對數(shù)）需要減去90°才是通常定義的轉(zhuǎn)子電角度。可以看出AB線反電動機(jī)與Hall信號是同相位的。

圖4-26 Hall傳感器信號與電動機(jī)各主要變量之間的關(guān)系

建模仿真時需要注意的是：SIMULINK模塊和SimPowerSystems的模塊是不能直接連接在一起的，需要有中間轉(zhuǎn)換接口。電力系統(tǒng)庫中電源（Electrical Sources）子庫下的受控電壓源（Controlled Voltage Source）和受控電流源（Controlled Current Source）模塊可以用來把SIMU-LINK信號轉(zhuǎn)換為電力系統(tǒng)庫中使用的電壓和電流信號。電力系統(tǒng)庫中測量模塊（Measure-ments）子庫下的各個測量模塊可以把電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為SIMULINK信號，然后與其他SIMULINK模塊連接在一起，如圖4-27所示的Voltage Measurement模塊。

圖4-27 三相正弦電壓供電的電力系統(tǒng)庫中電動機(jī)的起動仿真程序

三相電壓設(shè)置對話框如圖4-28所示。

圖4-28 三相電壓設(shè)置對話框

圖4-28 三相電壓設(shè)置對話框（續(xù)）