Simulink中三相PMSM配置及使用

1. 模块介绍

Simulink提供了专门用于电力系统仿真，包括电机的动态建模和控制的电机模型，其中，永磁同步电机模块 Permanent Magnet Synchronous Machine 支持实现三相或五相永磁同步电机模拟，电机绕组采用星型连接，在这种连接方式中，电机绕组的一端连接在一起形成一个公共点，通常称为中性点（Neutral Point），而另一端则分别连接到三相电源。
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三相PMSM可以设置正弦电动势和梯形电动势两种不同的电动势波形，对于正弦波形电机，转子可以是圆的或凸极的。当电动势波形呈梯形时，转子为圆形。五相PMSM则默认为正弦电动势波形和圆形转子。
正弦模型假定定子内永磁体所产生的磁通是正弦的，这就意味着电动势是正弦的。梯形模型假设永磁体的绕组分布和磁通产生三个梯形反电动势波形。
PMSM在发电机或电机模式下运行。操作模式由机械转矩的符号决定(电机模式为正，发电机模式为负)。机器的电气部分和机械部分分别由二阶状态空间模型表示。

2. 模块参数配置

在Matlab2021b中，PMSM的模型设置对话框中，包含了两个部分：Configuration(配置)、Parameters (参数设置)。下面将对每个部分进行详细介绍。
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(1) Configuration(配置)

① Number of phases(相数): 里面包含“3”和“5”两个选项。当选择“3”时表示为三相PMSM,当选择“5”时表示为五相PMSM。当Back EMF waveform被设置成Trapezoidal方式，或者Number of phases被设置成五相时，将不能进行Rotor type(转子类型)和Preset model(电机的类型)的选择。

② Back EMF waveform(反电动势波形): 里面包含Sinusoidal和Trapezoidal两个选项。选择Sinusoidal表示此PMSM为正弦波激励，选择Trapezoidal表示此PMSM为梯形波激励。无论选择哪种激励方式，Number of phases都将不能设置为5。

③ Rotor type(转子类型): 里面包含Round和Salient-pole两个选项。选择Sa-lient-pole表示电机转子为凸极型，选择Round表示电机转子为圆柱形。

④ Mechanical input(机械输入方式): 里面包含Torque Tm、Speed和Mechani-cal rotational三个选项。其中，较为常用的是前两个，Torque Tm表示负载转矩，Speed表示机械角速度。

⑤ Preset model(电机的类型): 里面包含No和各种功率等级的电机选项。当选择No时，可以对电机的参数进行修改；当选择其他类型的电机时，电机参数已经确定，将不能对电机的参数进行设置。

⑥ Measurement Output(输出尺寸参数名称设置): 设置输出总线中元素的名称，当勾选Measurement Output时，总线中元素名称为Name，不选则为Defintion所述名称。这些元素包括:

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勾选Measurement Output：在这里插入图片描述

不勾选Measurement Output：
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(2)Parameters(参数设置)
当选择Parameters时，其显示界面如图所示。此时，Number of phases 设置为3,Back EMF waveform设置为Sinusoidal,Rotor type设置为Salient-pole。
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① Stator phase resistance Rs(ohm)(定子电阻);设置电机定子电阻的大小，单位为Ω。

② Inductances Ld(H)Lq(H);设置电机定子电感的大小，单位为H。

③ Machine constant(电机常量值):当Specify选择Flux linkage established by magnets(V.s)时，可以对Flux linkage(永磁体磁链)进行设置大小，单位为Wb;当Specify选择Voltage Constant时，可以对Voltage Constant进行设置大小，单位为V/krpm;当Specify选择Torque Constant时，可以对Torque Constant进行设置大小，单位为N·m。

④ Inertia,viscous damping,pole pairs, static friction[J(kg·m-2)]:可以分别设置电机的转动惯量、阻尼系数和极对数，viscous damping通常设置为0。

⑤ Initial conditions wm(rad/s) thetam(deg) ia,ib(A):可以设置包括机械角速度、转子位置、相电流ia和ib在内的数值大小。

⑥ Machine parameters(电机参数计算):打开该对话框可根据制造商提供的电机参数快速计算模块的相关参数进行配置。
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(3) 输入输出

① Tm(机械转矩)：这个输入端口通常是正的，因为永磁同步电机块通常用作电机。如果选择在发电机模式下使用TMSM，则可以应用负转矩输入。

② m(输出尺寸): 矢量包含测量信号。当相位数设置为3时，块返回一个13元素的向量，当相位数设置为5时，块返回一个16元素的向量。可用的信号取决于您选择的型号。您可以使用Simulink®库(参考Matlab帮助页)中提供的总线选择器块将这些信号解复用。在介绍Measurement Output(输出尺寸参数名称设置)参数时已经介绍了输出总线元素表，如上图所示。

③ Physical Modeling连接端口 A B C：在Simulink中，Physical Modeling连接端口是用于物理建模的专用端口，它们允许用户在模型中创建和表示物理连接。这些端口特别适用于那些需要模拟物理系统动态行为的模型，比如机械、电气或液压系统。
PMSM的ABC三个端口通常与三相电源转换器相连，该转换器由多达六个以桥接配置连接的电源开关组成，为电机模块提供三相正弦电压源。