PMSM-FOC 伺服电机矢量控制原理及MATLAB Simluink仿真—永磁同步电机

Question

如题所述

Answer 1

探索PMSM-FOC伺服电机矢量控制的奥秘：原理与MATLAB仿真之旅

在精密控制系统中，永磁同步电机（PMSM）因其高效率和精确控制性能备受青睐。本文将深入剖析PMSM矢量控制的核心原理，以及如何通过MATLAB Simulink进行仿真模拟。让我们一起走进伺服电机的复杂世界，了解其构成、控制策略以及关键技术SVPWM的应用。

伺服电机系统架构

一个完整的伺服电机系统由执行器（PMSM）、驱动器（新型SiC/GaN元件）、控制器（如TMS320系列）和反馈设备（如光电编码器）组成。系统主要进行扭矩、位置和速度控制，每个环节紧密配合，确保电机性能的精确度和响应速度。

矢量控制技术的精髓—FOC

矢量控制技术（FOC）是实现PMSM高精度控制的关键。FOC通过在转子磁链方向建立旋转坐标系，将定子电流分解为励磁和转矩分量，采用PI控制器分别控制。SVPWM技术在此过程中发挥重要作用，它通过六边形内切圆轨迹，以2个非零基本电压和1个零电压合成，相较于SPWM，能有效提升直流母线电压利用率约15%。

SVPWM技术详解

扇区判断与矢量作用时间: 通过ref1、ref2和ref3判断扇区，计算出矢量在每个周期内的作用时间，确保伏秒平衡，避免零矢量过度延时。
过调制处理与开关切换: 通过中间变量X、Y、Z进行计算，处理过调制，优化开关切换时间，实现高效的电压矢量合成。

在MATLAB Simulink中，这些逻辑通过图形化编程模块SVPWM Function v1.0得以实现，生成20kHz载波的PWM开关信号，配合等腰三角形载波，展现精密控制的艺术。

控制器设计：自适应PI控制

系统采用自定义抗饱和PI控制器，电流环（图15）与速度环（图16）按顺序设计，以电流环的L和Rs参数为基础。电流闭环反馈采用PI控制器，而速度环参数需兼顾速度响应和稳定性，确保系统动态性能优异。

仿真结果与性能分析

通过仿真，我们观察到电机在不同负载下的性能表现。转速和转矩曲线（图18至24）展示了电机在空载和带载条件下的响应，而负载转矩变化（图19）和直流电压变化（图20）下的稳态精度，以及突加转速和转矩（图21至24）的动态响应，验证了矢量控制的精确性和稳定性。

最后，电流正弦给定（图25）和转速正弦给定（图25）的测试进一步验证了闭环系统的带宽，空载与带载条件下电流闭环的带宽分别达到了2092Hz和2002Hz，显示出良好的适应性和响应速度。

总结来说，PMSM-FOC矢量控制技术通过MATLAB Simulink的仿真，展现了其在伺服电机领域的强大潜力。每一步的计算和调试都揭示了这一复杂系统背后的精密设计与卓越性能。