4.4 基于Specialized Power Systems的PMSM仿真建模

在MATLAB环境下，打开SIMULINK后，可以找到电力系统库（Specialized Power Sys tems）工具箱（在较老版本Simulink中的名字为SimPowerSystems），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空白文档界面中，如图4-23所示。图中还从Simulink/Signal Routing子库中拖出了总线信号选择模块（Bus Selector）到mdl文档中。

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，例如图中显示的是电机相数（3或5相）；正弦波反电动势的永磁电动机（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一相定子电阻（stator phase resistance Rs）、 dq 轴电动机电感（inductance）、电动机的磁场参数（永磁磁链、电动机电压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 J （inertia）、摩擦系数 F （friction factor）和极对数 p （pole pairs）、静摩擦力 F 、电动机旋转机械角速度（wm[rad/s］）、机械角位置（thetam[deg］）和电流（ia,ib）的初始条件。

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幅值 K ₁ （V·S），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幅值 K ₂ （V/krpm），第三种方式是幅值为1A的定子电流产生的电动机转矩 K ₃ （Nm/A），它们之间的关系是： K ₂ = K ₁ × n _p ×3×1000/9.55， K ₃ = K ₁ × n _p ×3/2，其中的 n _p 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（即星形联结），且中性点没有外接连线。图4-23电动机模型的第一个输入 T _m 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——Bus Selector，如图4-23右侧模块所示。连好线后，鼠标单击空白区域，右链菜单中选择 updatediagram，然后，双击该模块后，出现图4-25所示的参数设置对话框。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势波形之间的关系）；

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。

图4-24c给出了 θ =0转子位置的两种不同的定义方式，默认值通常是修改的Park方式，而我们一般都按原始（original）Park方式定义的。图4-25所示的是仅仅选择了定子电流 i _a 和 i _d 、转子机械角速度和电动机的电磁转矩。

以正弦波反电动势为例，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（横坐标）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SimPowerSystems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。

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SIMULINK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（Measurements）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，然后可以与其他SIMULINK模块连接在一起，如图4-27所示的Voltage Measurement模块。

三相电压设置对话框如图4-28所示。