Simulink中PMSM模型的改进在电机控制仿真中的工程应用

　　引言

　　近年来，随着电力电子技术和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)日益受到关注。目前，对于永磁同步电机的建模和仿真研究大多集中在控制算法上，这主要得利于Matlab Simulink库提供封装好的PMSM模块。但是，由于系统集成的PMSM模块的先天不足，不能满足贴近实际工况的仿真要求，如电机参数不可在线修改，反而给研究带来不便。

　　本文首先分析指出SIMULINK中集成PMSM模块的不足，然后在建立PMSM数学模型的基础上给出一种改进方法。根据某台电机的实际参数自定义PMSM模型，然后将其应用在变参数的系统中，并在实际电机台架进行测试，验证仿真模型及控制算法的准确性。

　　Matlab中电机模型修改方法

　　Simulink库中封装的电机模型在设定参数时，一般是在仿真开始前通过双击模块后弹出静态对话框进行设置。但是，在对时变系统进行动态仿真，研究变参数模型的时候，模块的参数需要根据仿真环境的要求进行动态变化，这是无法通过设置静态框实现的。从尽量贴近实际工程应用的角度考虑，建立变参数的电机模型非常有必要。基于对Simulink中集成PMSM模块不足的分析，本文提出改进方式，根据实际需求对库文件电机模型做修改，再重新封装，导入系统中实现仿真。

　　打开SimPowerSystems工具箱集成的PMSM仿真模块，鼠标右击并选择“Look Under Mask”命令，将出现其内部结构。模型中包含4个block块，需要修改的两个为Electrical model(电气模型)和Mechanical model(机械模型)。由于系统封装过的PMSM组件处于锁定状态，不允许用户对其直接修改，只能修改库文件[5]。一般的操作步骤为：

　　1)解锁。选中模块右击，在Link options中选择Go to Library block，然后在打开的库模型中选择Edit/unlock library完成解锁。

　　2)修改。找到需要修改的模块，替换成信号端、Fcn函数等。

　　3)更新。返回仿真界面，点击菜单Edit/Update diagram，更新修改的库模型到仿真中。

　　图1给出了引出温度temp前后的PMSM封装对比。仿真时temp外部引脚可接上常量，变量，或者用S-Function写的含参变量的任意信号，模仿具体工况下的温度动态变化，修改过的PMSM模型内部结构见图2。

　　图3所示的电气模型内部结构中，电阻和磁链随温度变化而变。交、直轴电感随电流变化而变，其对应关系由电机的实测电感参数确立，在本文下一部分将举例说明。

　　该法是对原PMSM模型的重新封装，方便快捷，适用于其他任何参数。不过，由于对库文件做了改动，当仿真文件移动到别的环境下时，需将库文件一起拷贝，降低了移植性。

　　表1所示某款典型永磁同步电机的基本参数，主要用于电动汽车的动力电机。为了获得该电机的实际电感变化趋势，需要进行一些实验，但本文将不介绍具体实验方法。实测得到的Lq~iq数据、Ld~id数据导入Matlab环境中做曲线拟合，根据最小二乘法原理去除个别测量值的误差，

　　最终得到函数关系，其拟合曲线见图4。由图可见，因为磁饱和效应，交、直轴电感分别随电流幅值增大而减小。不过考虑到实际工程应用的可行性，这里忽略了交、直轴之间的耦合效应，所以不像一些文献所描述的，电感会同时受交、直轴电流幅值影响。

　　仿真结果

　　首先，我们使用SIMULINK库里的原始电机模型，搭配根据实际电机参数导出的MTPA(Maximum torque per ampere，最大扭矩单位电流)控制算法进行仿真。扭矩控制模式下的扭矩及速度响应见图5，很明显，由于原始电机模型未考虑磁饱和效应，导致实际输出扭矩(黄色信号)逐渐大于参考扭矩值(90Nm，红色信号)，在仿真结束时(1秒)扭矩误差大于5Nm，这是因为交、直电感值未随着电流增大而减小，使得电机模型算出的扭矩偏大。

　　为了验证修改后的电机模型在整个控制算法中的准确性，将模型导入整个控制系统中，结合MTPA控制算法再进行仿真。同样的控制算法，同样的参数设置下，最后实际扭矩输出基本吻合参考扭矩值，在仿真结束时(1秒)误差小于1Nm，详见图6。

　　在这个仿真测试中，尚未加入温度补偿算法，所以将温度输入参数设定为20度的常量。但是，如果有较准确的电机温升模型，用户可以方便的添加温度函数，并根据温升模型建立相应的扭矩补偿算法，从而使得整个扭矩控制算法更贴近实际工况[6]。

　　结论

　　整个永磁同步电机控制器的软件算法开发是一个需要不断测试验证、不断改进的较长过程，需要投入较大时间和人力成本。Simulink中集成的PMSM(永磁同步电机)模型在仿真中应用广泛，本文针对Simulink中集成的永磁同步电机模型的改进，对于控制算法提出了改进要求，减少了实验次数，有效提高了开发效率，对于实际工程项目具有重要意义。

　　钱伟喆 英飞凌集成电路（北京）有限公司 郗延鹏 昆明理工大学交通运输工程（内燃机） 研究生