永磁同步电动机变频调速系统及其控制
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4.4 基于SimPowerSystems的PMSM仿真建模

在MATLAB环境下，打开SIMULINK后，可以找到电力系统库（SimPowerSystems）工具箱，在电动机（Machines）子库下可以找到永磁同步电动机模块（Permanent Magnet Synchronous Motor），如图4-22所示。鼠标左键单击浏览库（SIMULINK library browser）上的新建文件后，出现一个新的mdl文档界面，用鼠标左键将电动机模块拖放到mdl文档界面中，如图4-23所示。图中还从同一个子库中拖出了电动机的测量模块（Machines Measurement Demux）到mdl文档中。

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图4-22 SimPowerSystems在SIMULINK位置

图4-24a给出了双击图4-23中电动机模块后出现的界面，在configuration中对电动机的总体概况进行设置，例如图中显示的是正弦波反电动机的永磁电动机（sinusoidal）；机械端口的输入为转矩（Torque Tm）。在图4-24b的parameters中可以设置电动机的定子电阻（statorphase resistance Rs）、dq轴电动机电感（inductance）、电动机的磁场参数（永磁磁链、电动机常数或者转矩常数三种方式可以选择其一）、电动机的转动惯量（inertia）、摩擦系数（friction factor）和极对数（pole pairs）、电动机旋转机械角速度（wm）、机械角位置（thetam）和电流（ia，ib）的初始条件。

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图4-23 在一个mdl图形文档界面中放置PMSM模块

有关电动机磁场参数的设置解释如下：第一种方式是永磁体在定子相绕组中产生的磁链峰值K1（Wb），第二种方式是电动机被原动机拖动在1000r/min速度下时的开路线电压的峰值K2（V/krpm），第三种方式是峰值为1A的定子电流产生的电动机转矩K3（Nm/A），它们之间的关系是：K2=K1×np×3×1000/9.55，K3=K1×np×3/2，其中的np是电动机的极对数。

研究SIMULINK提供的模型帮助文档可知，定子三相绕组在内部连接至中性点（即星型连接），且中性点没有外接连线。图4-23电动机模型的第一个输入Tm是等效到电动机转轴处的机械负载转矩，后三项（A、B、C）为定子绕组的外部接线端。若输入的负载转矩大于零，则模型为电动机；若输入的负载转矩小于零，则模型为发电动机。

图4-23电动机模块的输出m包含了多个变量（如电动机的电压、电流、转速等变量），这需要连接一个合适的测量模块——电动机测量模块，如图4-23右侧模块所示。双击该模块后，出现图4-25所示的参数设置对话框。在其中首先需要选择待测量的电动机类型，这里选择Permanent Magnet Synchronous。然后选择待输出的信号（选择不同的电动机类型会出现不同的输出信号与电动机类型相对应）。待测量的信号共有13个：

1-3：定子A、B、C三相的相电流，单位为A；

4-5：q轴、d轴电流，单位为A；

6-7：q轴、d轴电压，单位为V；

8-10：检测电动机转子位置的Hall传感器信号（图4-26给出了Hall传感器信号与电动机三相绕组反电动机波形之间的关系）；

11：转子机械角速度，单位为rad/s；

12：转子机械角位置，单位为rad；

13：电磁转矩，单位为Nm。

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图4-24 电动机模块的参数设置

a）电动机总体概况设置 b）电动机具体参数设置

图4-25所示的是仅仅选择了定子qd轴电流、转子机械角速度和电动机的电磁转矩。

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图4-25 电动机测量模块测量的信号

以正弦波反电动机为例，图4-26给出了电动机测量模块提供的A相Hall信号与电动机A相定子绕组的永磁磁链、定子绕组的A相反电动势、AB线反电动势之间的关系曲线。图中的角度是通常方式定义的电角度（0度表示转子d轴与A轴线重合）。注意SimPowerSys-tems中电动机测量模块提供的转子电角度（机械角度乘以极对数）需要减去90°才是通常定义的转子电角度。可以看出AB线反电动机与Hall信号是同相位的。

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图4-26 Hall传感器信号与电动机各主要变量之间的关系

建模仿真时需要注意的是：SIMULINK模块和SimPowerSystems的模块是不能直接连接在一起的，需要有中间转换接口。电力系统库中电源（Electrical Sources）子库下的受控电压源（Controlled Voltage Source）和受控电流源（Controlled Current Source）模块可以用来把SIMU-LINK信号转换为电力系统库中使用的电压和电流信号。电力系统库中测量模块（Measure-ments）子库下的各个测量模块可以把电压和电流信号转换为SIMULINK信号，然后与其他SIMULINK模块连接在一起，如图4-27所示的Voltage Measurement模块。

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图4-27 三相正弦电压供电的电力系统库中电动机的起动仿真程序

三相电压设置对话框如图4-28所示。

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图4-28 三相电压设置对话框

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图4-28 三相电压设置对话框（续）

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