毕业设计（论文）PMSM直接转矩控制系统仿真

毕业设计（论文）PMSM直接转矩控制系统仿真 本科毕业设计(论文) PMSM直接转矩控制系统仿真 燕 山 大 学 2014年 6月 本科毕业设计(论文) PMSM直接转矩控制系统仿真 学 院:里仁学院 专 业:自动化专业 学生 姓名: 学 号:101203011031 指导 教师:吴忠强 答辩 日期:2014年6月 燕山大学毕业设计(论文)任务书 学院:电气工程学院 系级教学单位:自动化 学 学生 专 业 101203011031 过程控制10-1 号 姓名 班 级 题目名称 PMSM直接转矩控制系统仿真 1.理工类:工程设计 ( );工程技术实验研究型( ); 题目性质 理论研究型( );计算机软件型( ? );综合型( ) 题 2.文管理类( );3.外语类( );4.艺术类( ) 目 1.毕业设计( ? ) 2.论文( ) 题目类型 科研课题( ) 生产实际( )自选题目( ? ) 题目来源 1( 按电气工程学院本科生学位论文撰写 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的要求完成设计说明书一份(不 少于2.4万字)，A0图纸。 主 要 2( 说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合内 国家现行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 容 3(按学院指定的地点进行设计，严格按照进度 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 完成毕业设计任务。 1( 按电气工程学院本科生学位论文撰写规范的要求完成设计说明书一份(不基 少于2.4万字)，A0图纸。 本 2( 说明书及插图一律打印，要求条理清晰、文笔流畅、图形及文字符号符合要 国家现行标准。 求 3(按学院指定的地点进行设计，严格按照进度计划完成毕业设计任务。 参 1(PMSM相关书籍。 考 2(MATLAB相关书籍。 资 料 周 次 第1, 2 周 第3, 7周 第 8, 10周 第11,15周 第16 ,17周 了解工作原理，芯利用仿真软撰写论文 画图、准备答辩 查阅并消化理应 片的使用要求和件进行局部解资料，找出完 基本使用方式，设电路的仿真。成 主要问题，确计、计算电路有关给出全部工的 定主电路拓扑 参数。程图纸和元 内 器件表。 容 指导教师:吴忠强 系级教学单位审批: 职称: 教授 年 月 日 年 月 日 摘要 摘要 直接转矩控制(DTC)是近年来应用比较广泛的一种控制策略。它是在空间矢量调速理论的基础上发展起来的一种新型交流电动机调速策略，其基本思想是根据交流电动机的转矩要求，直接选择合适的定子电压空间矢量，实现交流电动机电磁转矩的快速响应。由于直接在定子两相静止坐标系统下分析交流电动机的数学模型，将定子磁链与电磁转矩作为被控制量，根据给定转矩与实际转矩以及给定定子磁链与实际定子磁链的偏差来直接选择电压矢量,从而避免了矢量控制中许多复杂的矢量变换计算。它的优点包括控制原理直观明了，操作简单快捷，具有良好的转矩响应性。而另一方面，永磁同步电机因为其运行的可靠性高，结构简单，所以在交流伺服电机中所处的地位越来越高。基于这一发展趋势，本文重点研究了把直接转矩控制应用在永磁同步电机上的控制效果。为了更好地分析永磁同步电机直接转矩控制，本文介绍了直接转矩控制的原理和它的优缺点，还有永磁同步电机的分类、结构及其在不同坐标系下的数学模型。然后借助MATLAB中的Simulink功能，搭建永磁同步电机直接转矩控制系统的模型，对仿真结果进行分析归纳，最后得出结论。结论表明，永磁同步电机直接转矩控制具有较好的转矩响应，基本能实现对永磁同步电机的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，得不到快速的转矩响应。这就确定了改善永磁同步电机直接转矩控制在低速时候的转矩响应将成为今后的发展趋势。 由于电机转矩和磁链的计算对控制系统性能影响较大，为了获得满意的转矩计算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文中利用MATLAB软件下的Simulink仿真工具对PMSM DTC系统进行仿真;同时还详细地介绍了DTC系统中各控制计算单元的模型的建立，并分析控制系统的性能。 关键词 直接转矩控制;永磁同步电机;仿真 I 燕山大学本科生毕业设计(论文) Abstract Direct torque control (DTC) is a control strategy is used widely in recent years. It is a new type of AC motor speed control strategy is developed based on the theory of space vector control, the basic idea is based on the torque of AC motor direct requirements, select the appropriate stator voltage space vector, fast response electromagnet torque of AC motor.The mathematical model of AC motor stator directly in two-phase stationary coordinate system, the stator flux and the electromagnetictorque is the controlled variable, according to the given torque and actual torque and stator flux and the actual deviation given stator fluxdirectly to the selected voltage vector, which avoids many complicated vector transform in vector control calculation. Its advantages include thecontrol principle is intuitive, simple and quick operation, good torqueresponse.. In order to analyze the direct torque control of permanent magnet synchronous motor, this paper introduces the principle of direct torque control and its advantages and disadvantages,and the permanent magnet synchronous motor and its classification,structure in different coordinate system of the mathematical model. Because the calculation of motor torque and flux has a great effect onthe performance of the control system, in order to torque and obtain satisfied results, simulation is the most effective tool and means. The simulation of the PMSM DTC system by using Simulink simulation toolMATLAB software in this paper; at the same time also introduces in detailthe DTC system in the control of cell model, and analyze the performance of the control system. Keywords PMSM , DTC , Simulation II 目 录 摘要 ................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................. II 第1章 绪论...................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ............................................................................................. 1 1.2 相关领域的发展情况 .......................................................................... 2 1.3 研究的主要内容 .................................................................................. 3 第2章 直接转矩控制概述............................................................................. 4 2.1 交流伺服电机控制策略分类............................................................... 4 2.2 直接转矩控制原理 .............................................................................. 6 2.3 直接转矩控制的发展方向 .................................................................. 6 2.4 章节小结 ............................................................................................. 8 第3章 永磁同步电机概述 .............................................................................. 9 3.1 永磁同步电机的分类 .......................................................................... 9 3.2 永磁同步电机的结构 .......................................................................... 9 3.3 永磁同步电机的数学模型 ................................................................ 11 3.4 坐标变换原理 .................................................................................... 15 3.5 本章小结 ........................................................................................... 19 第4章 永磁同步电机直接转矩控制 ........................................................... 20 4.1 永磁同步电机直接转矩控制原理 ..................................................... 20 4.2 三相逆变器 ....................................................................................... 21 4.3 定子磁链与电磁转矩的测定............................................................. 22 4.4 本章小结 ........................................................................................... 23 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 ..................................................... 24 5.1 仿真软件 ........................................................................................... 24 5.2 仿真模型 ........................................................................................... 26 5.3 仿真结果分析 .................................................................................... 30 结论 ................................................................................................................. 33 参考文献 ......................................................................................................... 34 致谢 ................................................................................................................. 36 III 附录1 .............................................................................................................. 37 附录2 .............................................................................................................. 42 IV 第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题背景 自1834年德国的雅克比发明了第一台电机后，电机在人们日常的生产，生活中发挥着越来越大的作用。现今，电机已广泛应用在工农业生产，交通工具，军事设备上。电机，即将机械能和电能相互转化的设备。为了做到机械能和电能在相互转化的效率最高，并且尽最大可能节约成本，必须找到一个高效合适的电机控制策略。因此，电机的控制就成为了一个重要的课题。 由于直流调速系统的控制比较方便，能通过控制电机的励磁电流和输入电压，使电机能在很广阔的范围内平滑地改变速度。基于这一优点，直流调速系统在上世纪70年代就广泛应用在需要响应范围广，动态性能好，控制精度高的场合上。直流调速也成为了当时主流的电机控制方式。但是直流电机也存在一些缺点:如生产成本高，维护费用大，设备体积大，由于存在换向器和电刷，在运行过程中容易产生火花，导致电机燃烧甚至爆炸。 所以，人们就开始想 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 用交流电机去取代直流电机。比起直流电机，交流电机具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，运行安全，维护便捷，对环境适应能力强等优点。电机调速系统的关键问题在于维持气隙磁场，控制电机的电磁转矩。但是因为交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，无法独立调节磁链和转矩。但是随着电力电子技术和微处理器技术的飞速发展。不仅促进了交流电机的研发，也大大优化了交流电机的控制策略，很好地解决了交流电机调速难的问题。这就令交流电机得到广泛的引用，占据了主导地位。 交流电机主要有两大类:即异步电机和同步电机。异步电机又称感应电机，是由于它的转子运动速度与定子旋转磁场的运动速度不同步而得名的。异步电机结构简单，制造成本低，运行比较安全可靠，容易安装传感器和反馈装置，转矩脉动比较小。因此，在生产和生活中得到广泛的应用。但它同时也存在着调速特性较差，难以实现平滑的调速，功率因素较低等缺点。同步电机因转子旋转的速度与定子旋转磁场的速度相同而得名。在同步电机中，应用的最多的就是永磁同步电机。原因主要有三方面: 永磁同步电机的转子为永磁体，所以不需要外加励磁系统，为运行带来 1 燕山大学本科生毕业设计(论文) 了方便。而且转矩阻尼效应大，运行时功率因素比异步电机要高。 我国是资源大国，拥有丰富的磁铁矿和稀土矿。而且掌握了先进的永磁材料炼制技术。这为大量生产永磁同步电机打下了物质基础。 针对永磁同步电机的控制策略越来越成熟。近年来出现了一种新的控制策略——直接转矩控制。它放弃了传统矢量控制解耦后再分别控制被控量的思想。直接控制转矩从而去控制永磁同步电机的运行。这就省去了繁琐的坐标转换，节约了大量的计算时间。 1.2 相关领域的发展情况 20世纪80年代开始，电力电子技术得到了飞速的发展，很好地解决了交流电机调速难的问题。主要包括门极可关断晶闸管GTO、电力场效应管MOSFET和电力双极性晶体管BJT这些全控型器件。它们的优点主要有以下两个方面:通过对门极发出一个信号，就能简单快捷地控制电路的通断;开关频率高，因此开关损耗小。到了80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管IGBT为代表的复合型器件得到了迅猛的发展。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由BJT和MOSFET复合而成的。它很好地融合了两者的优点，如耐压高，载流量大，开关频率高等。所以，它已经成为了当今比较主流的电力电子器件。 在电力电子器件发展的同时, 与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。 PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制，主要通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而得到理想的输出波形。它在逆变、整流、直流斩波、交-交控制中起到了重要的作用，使电路的控制精度大幅提高。传统的PWM控制技术主要是靠载波信号和调制信号相比较，确认交点，从而起到调节的作用。 SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦波的脉冲宽度调节，是如今应用最广，发展最成熟的脉冲宽度调节的方法。它主要是通过把正弦波和载波信号作比较，用一系列宽度按正弦规律变化的脉冲代替了正弦波，通过调节这些脉冲 2 第1章 绪论 的宽度，间接调节正弦波的特性，从而起到控制电路的作用。实现SPWM基本控制方法主要有以下两种: 自然采样法是直接把正弦波和载波信号(常为等腰三角波)作比较，用它们的自然交点时刻作为电路通断的时刻。它的优点是操作简单，得到的波形很接近原来的正弦波。但是因为交点的任意性，造成了脉冲的中心在每个周期内距离不相同，从而使得计算涉及到超越方程，增加了数学运算的难度，延长了运算的时间。 规则采样法是先用一系列的三角波对正弦波进行采样，得到了与正弦波形状相似的阶梯波，再把阶梯波与三角波进行比较，确定它们的交点，从而得到了脉冲，去控制电路的开通或关断。规则采样法又分为对称的规则采样法和非对称的规则采样法。若在正弦波的顶点或最低点时刻进行采样，在每一个采样周期中，得到的脉冲的中心都是距离相等的，这就是对称的规则采样法。如果采样时刻不在正弦波的顶点或最低点，在每个采样周期中，脉冲的中心距离就不相等，这就是非对称的规则采样法。 随着技术的不断进步，人们对传统的PWM控制方法进行改进，提出了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空间矢量的脉冲宽度调节。SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时定子所产生的三相对称的理想磁场圆为参考标准，适当地转换三相逆变器各种开关模式，得到PWM的波形，从而形成实际的磁链向量去追踪准确的磁场圆。 1.3 研究的主要内容 本文主要对永磁同步电机直接转矩控制这一课题进行研究。第二章主要介绍当今交流伺服系统的控制策略，直接转矩控制的原理和发展趋势。第三章对永磁同步电机的结构，分类，及它在各个坐标系下的数学模型进行介绍。第四章主要讲述了直接转矩控制在永磁同步电机上的引用，列出了双滞环的永磁同步电机直接转矩控制的系统，并对该系统的各个重要的构成部分进行了说明。第五章介绍了永磁同步电机直接转矩控制的仿真环境，仿真模型，并对仿真结果进行分析。第六章为结论章节，对前面五章的内容，特别是仿真结果进行归纳，最后的得出本文的结论。 3 燕山大学本科生毕业设计(论文) 第2章 直接转矩控制概述 2.1 交流伺服电机控制策略分类 上文已经提及到由于科技的革新和技术的发展，交流伺服电机应用日渐广泛，所以对交流伺服电机控制策略的研究的重要性也不断提高。交流伺服电机的控制策略大概可以分为以下几类: 一、基于稳态的控制策略 其中较有代表性的就是恒压频比控制。它忽略了控制变量的相位，只关注其的幅值，而且其反馈量和输入量之间的比值为直流量，所以它的本质是一种标量控制方法。它具有操作简易，投入成本低，实现简单的优点。但同时也存在动态性能差，低速时转矩响应低，参数设计难，没有解决非线性、多变量的问题等缺点。因此，不能用在高精度要求的场合上，也就是说只能用于如风机、泵机这一类对控制精度要求不高的电机上。 二、基于动态的控制策略 矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是对电机的参数进行解耦，分别对电机的磁链和电流进行独立的控制。具体实现方式是把转子的旋转磁场作为参考系，将定子电流分解成两个分量，一个是与转子同向的分量，即直轴分量;一个是与转子正交的分量，即交轴分量。这样就消除了转子和定子之间的互感的影响，成功解耦。然后分别独立对两个分量进行控制，达到控制电机速度的目的。究其实质，就是将复杂的交流电机控制，通过坐标的转换，变成直流电机的控制。但是，因为要实现这种控制方法，就必须在系统中增设位置传感器，观测转子的实时位置。这样就是的成本增加，而且加大了操作难度。另一方面，由于坐标轴的转换，增加了大量的运算，降低了效率，带来了诸多不便。 直接转矩控制(direct torque control，简称DTC)，,,,,年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本的Takahashi教授提出了直接转矩控制这一控制策略。这一控制策略并没有继承前人提出的矢量控制策略的解耦思想，而是另辟蹊径，把转矩作为被控量，直接对电机进行控制。维持气隙磁场幅值不变，诸如电压、电流和转矩等其他物理量仅为转差的函数，此时只需通 4 第1章 绪论 过调节气隙磁链的旋转速度，改变其对转子的瞬时转差频率就可以达到控制转矩的目的。 反馈线性控制，反馈线性控制主要分为两类，第一类是微分几何反馈线性控制;第二类是动态逆控制，又称直接反馈线性控制。这两种方法都是针对解决非线性问题而提出的。微分几何反馈线性法因为要将问题转换到几何域里，比较抽象，在实际应用中不如物理概念清晰的动态逆控制法。 自适应控制，自适应控制能根据电机的运行情况不断提取实时参数，然后根据新的参数合理地修改控制策略。这样，有利于加强动态性能。自适应控制主要包括模型自适应、参数自适应和非线性自适应。这种控制方式的不足在于当电机的运行状态变化太快的时候，无法很好地跟踪其参数，提取的结果与实际结果误差较大，导致修改后的控制策略不合理。另一方面，由于电机模型的复杂性，导致运算时间过长，降低了控制的效率。但这一不足随着微处理器的不断更新换代，得以克服。 三经网络控制是20世纪80年代末发展起来的高新控制策略，它是智能控制的一个分支。它是神经网络理论和自动控制理论结合起来的产物。神经网络像、不依赖对象的数学模型的控制策略 模糊控制，模糊控制是利用模糊集合制造出模糊性和不确定性，从而模仿在实际控制过程中的人手操作。模糊控制主要包括三部分，分别是精确量的模糊化，模糊推理和模糊判断。早期的模糊控制没有加入积分环节，虽然控制的鲁棒性有所加强，但同时在带负载时出现了较大的静态误差。经改进后，如今的模糊控制已经有了积分效应，能做到无静态误差控制。但是，如果单靠模糊控制，特别是在控制精度要求高的场合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制一般与其他的控制策略相配合使用。 神经网络控制，神人一样，拥有学习和记忆能力。在电机的控制上，神经网络的主要任务是观测估算电机的磁链和转速，并作出自适应调整。但是由于神经网络控制是一种比较新的控制策略，所以技术还不是很成熟，有时会导致估算值出现很大的误差或者系统出现振荡。 5 燕山大学本科生毕业设计(论文) 2.2 直接转矩控制原理 直接转矩控制是在矢量控制策略后又一应用广泛的控制策略，它放弃了矢量控制中解耦的思想，没有通过控制定子电流，定子磁链等变量去间接控制电机，而是通过直接控制电机的转矩来控制其转速。它并没有像矢量控制一样，用转子磁链作为参考系，而是把定子磁链作为参考系，这样就使磁链仅仅由定子电阻确定，大大弱化了电机运行状态改变时对控制策略的影响。确定了参考系后，只需测定定子的电压和电流，就能通过空间矢量理论去计算电磁转矩以及定子磁链。通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢量进行控制。 直接转矩控制的优点主要有以下几方面: 一、直接转矩控制直接以定子磁链为参考系。只需要在此参考系中对电机的各个变量进行简单的转换，既没有像矢量控制一样，需要一系列繁琐的坐标转换，也没有了旋转时对各个变量的影响，大大简化了运算量和信号的处理难度。而且另观测者更直观地了解到电机的运行状态。 二、直接转控制只需要对定子电阻进行观测就能得到定子磁链，从而估算到磁通。和矢量控制要通过观测转子电阻和转子电感相比，大大减弱了对电机参数的依赖性。因此直接转矩控制拥有较强抗干扰能力。 三、由于直接转矩控制是通过给定转矩与实际转矩进行比较，得到误差，经过滞环比较器，然后选择适当的电压矢量去调节电机的转速。因此，它的控制效果是由实际的转矩情况决定的，这使它得到较迅速的转矩响应。 2.3 直接转矩控制的发展方向 直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开 6 第1章 绪论 始改变状态，终止电压矢量的作用。因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。 为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，目前专家提出了几种解决方法。这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。 一、对传统的直接转矩控制的空间电压矢量开关表进行改进。以永磁同步电机的直接转矩控制为例，可以在原有的开关表的基础上加上两个零矢量，即000和111，把开关表从4行扩充到6行。插入了零矢量后，有效地把转矩的变化维持在一定的范围内。这样，转矩的脉动频率和电压逆变器的开关次数就相应减少了。此外，有专家提出了把空间电压矢量细分的方法。把原来的6等份扩大到12等份或者24等份，从而减小转矩的脉动。但是这两种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 还是存在不足，插入零矢量虽然能有效把转矩维持在一定范围内，却同时使转矩响应变慢了。这样一来就失去了直接转矩控制转矩响应快的优势。细分电压矢量法虽然能有效抑制转矩的脉动，但其效果与细分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加运算量。 2)用空间矢量脉冲宽度调制的方法去代替空间电压矢量开关表，从而得到恒定的开关频率。以定子的磁链为参考系，把检测到的定子电压和定子电流进行3/2变换。把变换后的定子电流和定子电压通过全速度磁链模型去计算，从而得到定子磁链值Ψs 、电磁转矩值与磁链位置角。给定转矩与实际转矩的误差不再经过滞环比较器，而是经PI 调节后得到磁链增量角。然后通过对参考电压的预测计算可以得出期望的参考电压矢量，再经空间矢量脉宽调制得到所需要的开关控制信号。 3)神经网络和模糊控制与传统的直接转矩控制相结合。神经网络像人一样有这很强的自我学习能力。但它不能处理已有的有规则的知识，所以在对神经网络进行训练时，不能运用已有的经验和知识，只能重新给他一个初始值，这样就使训练时间大大增加，效率很低。模糊控制，主要在传统的直接转矩控制的基础上，模糊调节给定转矩与实际转矩的误差以及误差的变化率。但这种方法要经过模糊推理和模糊判断，大幅增加了计算的复杂程度，所以目前还得不到广泛的应用。把神经网络以及模糊控制与传统的直接转矩 7 燕山大学本科生毕业设计(论文) 控制相结合，把模糊集合所定义的模糊概念应用到神经网络的学习和计算之上，这样就能在普通的神经网络的基础上产生了各种各样的模糊神经网络。一方面利用了模糊控制去提高神经网络的学习能力，缩短了训练时间;另一方面利用神经网络的强大的学习能力去调整模糊化的精度函数，加强模糊推理的能力，提高模糊判断的能力，实现并行推理。可见，如果能把模糊控制以及神经网络和传统的直接转矩控制有机地结合起来，博取众长，就能建立一种比单独将模糊控制或者单独将神经网络与直接转矩控制结合的控制策略都更优的控制策略。 2.4 章节小结 本章主要介绍了电机控制的策略，大致可分为三类:基于稳态的控制策略，基于动态的控制策略和不依赖对象的数学模型的控制策略。其中基于稳态的控制策略受到动态性能的限制，不能得到广泛的应用。而不依赖对象的数学模型的控制策略现今还没成熟。基于动态的控制策略因其动态性能和控制精度较高，应用比较广泛。其典型代表就是直接转矩控制。直接转矩控制主要通过控制转矩和磁链直接控制电机，简单直观，抗干扰能力强，转矩响应快。但是仍然存在着低速时转矩响应慢的问题。针对这问题，专家们提出了改进空间电压矢量开关表，用空间矢量脉冲宽度调制代替空间电压矢量开关表和将模糊控制，神经网络以及直接转矩控制相结合这三种方案。这就指明了直接转矩控制今后的发展方向。 8 第3章 永磁同步电机概述 第3章 永磁同步电机模型的搭建 3.1 永磁同步电机的分类 按照转子上的永磁体的位置，可以把永磁同步电机分为三类，分别是表面式，内埋式和嵌入式。表面式的永磁同步电机属于隐极电机，永磁体位于转子表面，体积较小，转动时惯性也比较小，因此转矩的线性特性相对较好。内埋式永磁同步电机和嵌入式永磁同步电机同属凸极电机，因此转矩的线性没有表面式永磁同步电机好。其中嵌入式永磁同步电机的凸极特性比内埋式永磁同步电机要小，因此转矩的线性也比较好。但内埋式永磁同步电机也有着自己的优势，它虽然转矩的线性度较差，但它具有明显的磁阻效应，有利于优化电机的调速特性和提高电机的运行效率。 3.2 永磁同步电机的结构 永磁同步电机主要由定子和转子两部分组成。 永磁同步电机的定子主要由硅钢片，三相对称分布的星形绕组，机壳以及端盖组成的。如果给星形绕组通三相对称的正弦波电流，定子绕组就会在气隙中产生一个圆形的旋转磁场。这个气隙磁场的旋转速度称为同步转速。它的大小与供电的频率，电机的极对数有关。 永磁同步电机的转子通常可归纳为圆柱形转子、无极靴星形转子、有极靴星形转子、爪极式转子和切向式转子等几类。 圆柱形转子，出现得最早。把永磁铁制成空心的圆柱体，浇铸或者压制在非磁性套筒再与转轴紧密连接，就形成了圆柱形转子。圆柱形转子一般不超过8极，多为2极或4极。永磁材料大多采用铝镍和铝镍钴合金。还有少部分用马氏体钢。圆柱形转子的优点是结构简单，对制作工艺要求不高，除了精磨转子表面外，其他都不需要用机械加工。转子表面光滑，风摩系数和噪音小。缺点是对永磁体的利用率低，在极数较多时这一问题更为明显。因此只用于极数较少的永磁同步电机。 无极靴星形转子，为了改善圆柱形转子永磁体利用率低这一不足，在圆柱形永磁铁的基础上，去掉部分永磁铁，就形成了无极靴星形转子。无极靴 9 燕山大学本科生毕业设计(论文) 星形转子的磁铁平均长度比圆柱形转子长，体积小，横轴的电枢反应作用减少。由于永磁材料的磁阻率非常大，在负载急剧变化或者短路时，磁铁阻尼作用小，去磁作用大。因此，需要在极间浇铸非磁性材料合金作为非磁性套筒来保护永磁铁。虽然和圆柱形转子相比，磁铁的利用率增大。但是和有极靴星形转子和爪极式转子相比，无极靴星形转子还存在若干缺点:永磁铁为多极星形，形状复杂，磁性能差。而且随着极数的增加，对磁性能的影响越来越大。永磁材料没有得到充分的利用。由于永磁体的形状为多极星形，造成了永磁体的不均匀磁化。磁铁性能降低，利用率也随之降低。同样，极数越多，不均匀磁化就越严重，磁铁利用率就越低。电机瞬态运行时，磁路系统的阻尼作用小，就算在极间浇铸了非磁性材料，瞬间短路时，去磁作用也很大。为了增大磁路系统的阻尼作用，就要增长永磁铁的长度，造成成本上升。除了二极转子可采用各向异性的永磁材料外，其余的多极转子只能使用各向同性的永磁材料。这样就限制了拥有高磁性的各向异性的永磁材料的应用。无极靴星形转子没有其他的加固措施，因此机械强度较差，转速和容量度受到比较大的限制。综上所述，无极靴星形转子的极数一般较少，多应用在小容量的场合上。 有极靴星形转子，在无极靴星形转子的永磁体两端安装软铁极靴，就形成了有极靴星形转子。有极靴星形转子的制作工序如下:将永磁体制成多极星形，用铆钉把软铁极靴固定在永磁体上。为了增加永磁体和软铁极靴的吻合程度，需要对永磁体外表面和软铁极靴的内表面进行精磨。有极靴星形转子主要有以下优点:由于软铁极靴的存在，消除了横轴电枢反应，对永磁体的去磁作用大大减弱。去掉负载后，不产生不可逆去磁和不对称去磁。磁路系统阻尼作用强，使电机在瞬态运行，如瞬间短路时，仍保持良好的短路特性。由于软铁极靴的存在，出现了较大的漏磁。通过调节漏磁，就能使永磁体得到更好的利用。当磁铁是矩形结构时，可以用各向异性或晶体取向性的材料来制造永磁体，提高了磁性。同时，也可以采用稀土类的合金做永磁体，从而缩小电机的体积，提高电机的容量和输出效率。但是有极靴星形转子也存在若干缺点:加入了软铁极靴后，使转子的结构变得复杂，由于永磁体和极靴都要精磨，是加工量增大。在高速旋转时，极靴与永磁体可能出现松动。 10 第3章 永磁同步电机概述 软铁极靴增大了转子的外径，也就是说，与无极靴星形转子比较，在同等外径下，永磁铁比较小。 爪极式转子，爪极式转子是由两个带爪的法兰盘与一个沿转子轴向充磁的圆环形永磁铁组成的。两个带爪的法兰盘爪数相等，并且均等于极对数。把法兰盘的爪相互错开，夹着圆环形的永磁铁，相互对合。这样，就让一个带爪法兰盘的爪子呈N极性，而另一个则呈S级性，从而起到了极靴的作用。爪极式转子主要有以下优点:永磁体为圆环形，结构简单，制造方便，磁性好，不会出现较大的不均匀磁化，永磁材料的利用率较高。还可以采用铁氧体和稀土钴合金，从而缩短轴向长度，优化磁化特性。带爪的法兰环屏蔽了横轴的电枢反应，消除了电枢反应对气隙磁场的畸变效应，使气隙磁场保持稳定。爪极间的漏磁很大，有效消除了纵轴电枢反应对磁铁的去磁作用，让磁铁能承受较大的过载。爪极式转子的阻尼作用很大，令电机在瞬态运行时很稳定。短路时，电流对永磁铁的作用约等于稳态时电流的作用。结构牢固，机械强度高。磁铁为圆环形的形状，使磁铁的利用程度与极靴无关，所以特别适合用于多极和高频的电机。但是爪极式转子也存在以下缺点:带爪的法兰盘结构复杂，制造工艺要求高。大部分不能采用钢板冲片，只能采用粉末冶金或机械加工的方式，费时费力。在转速较高时，爪极受力很大，比较容易发生弯曲变形，甚至断裂。带爪的法兰盘体积比较大，在相同容量下，电机的体积尺寸和重量增加幅度比较大，可达25%左右。 切向式转子，切向式转子由优硅钢冲片叠成的转子铁心，非磁性套筒和薄片形的永磁铁组成的。由于磁铁沿切向方向磁化，因此很好地克服了因沿径向方向磁化造成气隙磁密偏低和尺寸结构不合理等缺点，能应用到大容量的场合。 3.3 永磁同步电机的数学模型 由于实际的永磁同步电机在制造或者设计上存在结构不对称，从而造成参数的不对称。磁路相互之间的耦合也大大增加了分析永磁同步电机的数学模型的难度。另一方面，由于永磁同步电机是一个旋转设备，涉及到动态的分析，若在自然参考系下，永磁同步电机的状态方程组就是一个变系数的微 11 燕山大学本科生毕业设计(论文) 分方程组，系数与定子和转子的相对位置有关。这就给这个方程组的求解带来了很大的不便。为了方便计算求解，必须先假设一台理想的永磁同步电机，然后选取合适的参考系，把电机的状态方程组转换到相应的参考系中求解。 首先介绍一下理想的永磁同步电机: 一、忽略磁路的饱和效应、磁滞效应和涡流效应的影响。假设铁心中的导磁系数是常数。 二、转子的结构分别关于横轴和纵轴对称。 三、定子三相绕组的结构完全相同，在空间上分别相差120?电角度。所产生的磁动势在气隙中按正弦规律分布。 四、气隙均匀，也就是说磁路与转子无关，定子、转子中的自感和互感与转子和定子的相对位置无关。 五、在恒定转速且电机空载时转子的磁动势在定子上感应出的电动势是 关于时间的正弦函数。 六、假设电机的定子以及转子的表面是光滑的，忽略通风沟和槽对定子和转子电感的影响。 在假设了理想的永磁同步电机的基础上，下面将要讨论在不同坐标下永磁同步电机的数学模型。定子三相坐标(a-b-c)中永磁同步电机模型忽略了内部电容后，三相永磁同步电机在a-b-c坐标下的电压和磁链方程可以写成如下形式: d,s (3-1) U,IR，sssdt ,,IL，, (3-2) sssr ,sUsIsRs 上式中的为定子电压，为定子电流，为定子电阻，为定子磁 ,rLs链，为定子电感，为转子磁链。 永磁同步电机在a-b-c坐标下的电压方程的矩阵形式如下: u00aaa,Ris，，，，，，，， ,,,,,,,,，u=00bbpRisb,,,,,,,,, ,,,,,,,,u00ccscRi,，，，，，，，， (3-3) ,a,b,cuaucub 、、为定子的a、b、c各相电压，p为微分算子，、、 iaibic为定子abc三相的磁链，、、为定子a、b、c各相电流。 12 第3章 永磁同步电机概述 永磁同步电机在a-b-c坐标下的磁链方程的矩阵形式如下: ,,aLMMiaaabacacos，，，，，，，， ,,,,,,,,bbabbbcbr,，，:MLMicos(120),,,,,,,,,,, ,,,,,,,,ccaccccb,:MMLicos(120),,，，，，，，，， (3-4) LaaLbbLccMabMba 、、分变为三相各自的自感系数， 和为a、b相之 MacMcaMbcMcb间的互感系数，和为a、c相之间的互感系数，和为b、c相 ,r,之间的互感系数，为转子磁链， 转子位置较角。 可以看出在定子三相静止坐标下，永磁同步电机的状态方程组是变系数的微分方程组，且与转子的位置角有关。在分析和求解时比较困难，不利于应用。所以人们就开始想办法将变系数的方程组转换成常系数的方程组。 图3-1 α-β坐标系中永磁同步电机的数学模型 在磁场等效原则下，用两相匝数相同，结构相同，相互正交的绕组去代替定子a、b、c三相对称绕组，这就是Clark变换。也就是说,经过变换后新的两相绕组的两个分电流产生的合成磁动势与原来三相绕组三个分电流所产生的合成磁动势大小相等。为了计算简便，我们规定两相绕组的合成磁动势和三相绕组的合成磁动势转向相同，且α轴与a轴重合。 经过变换，可得出在α-β坐标系永磁同步电机的状态方程。 电压方程的矩阵形式: uRpLi,,ss，,0sin,，，，，，，，，r,，,,,,,,,,,,ssuRpLi0cos，,,,，，，，，，，， (3-5) u,i,i,u,, 、为α-β坐标系中定子的电压，、为的定子电流，为转子转速。 13 燕山大学本科生毕业设计(论文) 转矩方程:， 3TPiie,,,,,,,,()2 (3-6) ,,,, 、为α-β坐标系中的定子磁链，P为磁极数，为电磁转矩。 Te 图3-2 d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型 在磁场等效的原则下，以转子的旋转磁场为参考系，以与转子重合的方向为d轴的方向，以与转子正交的方向为q轴，且q轴超前d轴90?。将α-β中永磁同步电机状态方程转换到d-q坐标系的过程，就称作park变换。经过park变换后，永磁同步电机的状态方程组是一个常系数的方程组，分析计算比较简便。 电压方程的矩阵形式: uRidsddd0,,,，，，，，，，，，，,，，p,,,,,,,,,,,qsqqquRi0,,，，，，，，，，，， (3-7) id,duqud、为d-q坐标系中的定子电压，、为d-q坐标系中的定子电流，、iq ,q为d-q坐标系中的定子磁链。 磁链方程的矩阵形式: ,0Li，，，，，，ψ，，dddf (3-8) ,，,,,,,,,,,0Li0qqq，，，，，，，， ,f、为d-q坐标系中的定子电感，为转子磁链。 LqLd 转矩方程: 3TPiiedqqd,,,,()2 (3-9) 14 第3章 永磁同步电机概述 3.4 坐标变换原理 3.4.1 Clarke变换与park变换 1918年，Fortes cue提出对称分量法，为解决多相(三相)不对称交流系统的分析和计算提供了一个有效方法。对称分量法是用于线性系统的坐标变换法。它将不对称多相系统(后面均以三相系统为代表)以同等待定变量的三个三相对称系统来代替，其中正序、负序系统是两个对称、相序相反的三相系统;零序系统是一个三相幅值相同、三相量同相的系统，用来反映三相量之和不为零的不平衡量。 首先是将基于3 轴、2 维的定子静止坐标系的各物理量变换到2 轴的定子静止坐标系中。该过程称为 Clarke 变换。 此刻，已获得基于α、β 2轴正交坐标系的定子电流矢量。下一步是将其变换至随转子磁通同步旋转的 2 轴系统中。该变换称为Park 变换。 在矢量控制中包括以下系统变换 从三相变换成二相系统Clarke 变换，直角坐标系的旋转(α、β静止)到(旋转d q) ，称为Park 变换，反之为Park 反变换。 关于park变换 从数学意义上讲，park变换没有什么，只是一个坐标变换而已，从a b c坐标变换到d q 0坐标，磁链a,磁链b,磁链c这些量都变换到uuuiii,,,,,,,,,cc d q 0坐标中，如果有需要可以逆变换回来。 从物理意义上讲，park变换就是将iii,,,,c电流投影，等效到d q轴上，将定子上的电流都等效到直轴和交轴上去。对于稳态来说，这么一等效之后， 正好就是一个常数了。 iiqd, Clarke变换将原来的三相绕组上的电压回路方程式简化成两相绕组上的电压回路方程式，从三相钉子A,B—C坐标系变换到两相定子α,β坐标系。也称为3/2变换。 但Clarke变换后，转矩仍然依靠转子通量，为了方便控制和计算，再对其进行Park变换变换后的坐标系以转子相同的速度旋转，且d 轴与转子磁通位置相同，则转矩表达式仅与θ有关。 可以通iiqd,过对iiiABC,,的Clarke变换(3/2变换)和Park变换(交/直变换)求得，因此是iiqd,直流量。 永磁同步电动机的变频调速也属于交流调速领域，因此坐标变换理论对于永磁同步电动机也同样适用。坐标变换的基本思想就是将交流电机的物理模型等效的变换成类似直流电机的模式，然后再模仿直流电机进行控制。不同电机模型彼此等效的原则是:在不同坐标系下产生的磁动势相等。 iAiB交流电机三相对称的静止绕组A,B,C通以三相平衡的正弦电流、、iC时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，并以同步速度按A-B-C相序旋转，如图2-1a)所示。 ,1 15 燕山大学本科生毕业设计(论文) B, F,1F,1i,iB iAA, i, iCF,1Q D a)b)C c) 图3-3 等效的交流电机绕组和直流电机物理模型 a)三相交流绕组b)两相交流绕组c)旋转的直流绕组 但是，除了单相以外，二相、三相、四相等任意多相的对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁动势。图3-3b)中绘出了两相静止绕组、，,, 009090它们在空间上相差，通以时间上相差的两相平衡交流电流，也能产生旋转磁动势F。当图3-3a)和3-3b)的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，则可认为这两个绕组是等效绕组。 再考虑图3-3c)中的两个匝数相等并且相互垂直的绕组D和Q，其中分 iq别通以直流电流id和，产生合成磁动势F。如果让包含两个绕组在内的整 ,0个铁芯以同步速度旋转，则磁动势F自然也旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图3-3a)和3-3b)中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前两套固定的交流绕组等效了。 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图3-3a)的三相交流绕组、图3-3b)两相交流绕组和图3-3c)的旋转直流绕组等效。或者说，在三相坐标 i,下的iA、iB、iC，在两相坐标下的i,、和在旋转两相坐标下的直流电流id、iq是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。坐标变换的任务就是求出iA、 i,iqiBiCi,id、与、以及、之间准确的等效关系。 3.4.2 几种常用的坐标变换 16 第3章 永磁同步电机概述 静止三相/两项变换(Clark变换) 三相/两相变换是从三相静止坐标A、B、C到二相静止坐标、的变,,换，对应了两图中的等效变换，设该变换满足功率不变约束条件。 第一个图绘出了A、B、C和、两个坐标系，并且取轴和A轴重,,,合。设三相系统每项绕组的有效匝数为N，二相系统每项绕组有效匝数为3 N，各项磁动势均为有效匝数及其瞬时电流值的乘积，其空间矢量均位于有2 关项的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上的投影都应该相等，即: ,, 1100 (3-10) NiNiNiNiNiii,,,,,,,ABCABC23333cos60cos60()22 300NiNiNiNii,,,,,BCBC2333sin60sin60() (3-11)2 为了便于求反变换，在二相系统上再人为地增加一项零轴磁动势，并定Ni20义 (3-12) NiKNiii203,，，()ABC 将三式合在一起，写成矩阵形式，得 11，，1,,,,22ii，，，，,A,,N33,,,,3,, (3-13) i,0,iB,,,,,,,N222,,,,ii,,KKKcC，，，， ,,，， 式中， 11，，1,,,,22,,N333,, C,0, (3-14) 3/2,,N222,,KKK ,,，， 就是三相坐标系到二相坐标系的变换矩阵。 根据功率不变的约束条件: T,1C,C (3-15) 3/23/2 可求得: 17 燕山大学本科生毕业设计(论文) N3 , (3-16) ,2/3K,1/2N2 那么，三相到二相不变变换矩阵则为: ,,B,1Q ()Fii, iDqcos,Ni,i3Bqid,0,60idsin,,,i,0NiNiA602,3Aiqsin,idcos, Ni3,Ni3C a)b) 图3-4 坐标变换中空间矢量位置图 a)静止三相和静止两项坐标系 b)静止两相和旋转三相坐标 相应的反变换矩阵，静止二相坐标系到静止三相坐标系的变换矩阵为: 1,1/2,1/2，， ,,,2/303/2,3/2 (3-17) C3/2,, ,,1/21/21/2，， 相应的反变换矩阵，即从静止二相坐标系到静止三相坐标系的变换矩阵为: ，，101/2,,C,2/3,1/23/21/2 (3-18) 3/2,, ,,,1/2,3/21/2，， 如果要从三相静止坐标系A、B、C变换到任意速度旋转的二相旋转坐标系d、q、0，其中―0‖是为了求逆方便而假设的零轴，可以利用前面已经导出的变换矩阵，现将A、B、C坐标系变换成静止的、、0坐标系，,,然后再将、、0坐标系变换到d、q、0坐标系。后者可采用C变换,,2s/2r ,矩阵，并令d轴与轴的夹角为。那么经过两步变换可得从三相静止坐标, 系A、B、C变换到任意速度旋转的二相旋转坐标系d、q、0的变换矩阵为: 18 第3章 永磁同步电机概述 ,,,coscos,120:cos，120:()()，， ,, ,2/3,sin,sin,120:,sin，120: (3-19) C,(,)(,)2R/3S,, ,,1/21/21/2，，对应的反变换矩阵为: ,,，，cos,sin1/2,,,, (3-20) C,2/3cos(,120:),sin(,120:)1/22R/3S,, ,,(,)(,)cos，120:,sin,120:1/2，，3.5 本章小结 本章介绍了表面式，内埋式和嵌入式这几类永磁同步电机以及它们的应用场合。简述了永磁同步电机的结构以及圆柱形转子、无极靴星形转子、有极靴星形转子、爪极式转子和切向式转子的优缺点和应用场合。展示了永磁同步电机在a-b-c坐标系，α-β坐标系，d-q坐标系和M-T坐标系下的数学模型，主要包括电压、磁链和转矩的方程。为后续章节打下了一个理论基础。 19 燕山大学本科生毕业设计(论文) 第4章 永磁同步电机直接转矩控制 4.1 永磁同步电机直接转矩控制原理 在M-T坐标下，电磁转矩分成了两部分:第一部分与转子磁链有关，属于励磁转矩;第二部分是由转子的不均匀，即凸极性引起的，属于磁阻转矩。方程中的磁极数，d轴电感和q轴电感都是常量，因此转矩只与转子磁 DC 2/3转矩自控三相逆变器变换Relay制单元 s *Ψ ZS ψα电动机模型ψUβa UTbe PMSM -*T++eRelayASR *ω - 检测ω 图4-1 pmsm直接转矩控制方案 20 第4章 永磁同步电机直接转矩控制 链，定子磁链和定子磁链与转子磁链夹角的正弦值有关。在控制过程中，假若忽略了定子电阻，定子磁链和转子磁链的夹角就等于负载角。根据同步电机的特点，我们可以知道，在稳态时，定子磁链和转子磁链是以相同的转速旋转的。它们之间的夹角也恒定不变。在暂态时，定子磁链和转子磁链以不同的转速旋转，它们之间的夹角也是变化的。因为电机的定子电气时间常数远远小于转子的机械时间常数，所以在实际应用中，我们把转子的磁链看作是一个常数，不予控制。只要使定子磁链的幅值不变，直接控制定子磁链运动速度的大小和方向，从而改变定子磁链和转子磁链之间的夹角。这就能实时快捷地控制电磁转矩。以上就是永磁同步电机直接转矩控制的基本原理。 通过原理图我们可以清楚看到永磁同步电机直接转矩控制的具体情况。三相永磁同步电机直接转矩控制主要包括以下几个部分:电机转速pi调节器，定子磁链和转矩观测器，转矩与磁链滞环比较控制器，2/3变换，三相电压逆变器，永磁同步电机，坐标转换环节，磁链估计环节，转矩估计环节。 系统把三相永磁同步电机实际转速与给定转速作比较，将两者之间的误差作为比例积分环节的输入量。另一方面，系统把测得的定子的三相电流和相间电压送入坐标转换环节，进行坐标转换，再把坐标转换环节的输出值送入磁链估计环节。定子磁链经2/3坐标变换输入继电器其结果与0输入共同输入多端选择器，转矩经滞环比较后作为多端选择器的控制端，控制输入到三相逆变器打的是零矢量，还是非零矢量。以此来控制三相电压逆变器的通断，从而控制三相永磁同步电机。之后再一次检测电机的转速，电流和电压，重复上述步骤，不断循环。这就是永磁同步电机直接转矩控制的过程。 4.2 三相逆变器 在三相永磁同步电机直接转矩控制系统中，我们选择三相桥式电压逆变器来实现逆变功能。 三相逆变器的原理可以从分析其中的一相在一个周期内的工作过程来得知。正半周内，VT2关断，VT1以PWM方式驱动导通。此时VT1输出的等高不等宽的方波电压经电感LO、电容C滤除高频成分后在L1输出端的负载上得到光滑的正弦波电压正半周。负载上正半周电流Io的方向为自上而下，即由电源E1的正极经负载回到负极。 负半周内，VT1关断，VT2以PWM方式驱动导通，此时负载的负半周 21 燕山大学本科生毕业设计(论文) 电流Io由电源E2的正极经负载、电感L0及VT2回到E2的负极，与正半周的负载电流方向相反。因此在负载上得到正弦波电压的负半周。VT1与VT2在各自的半个周期内均以PWM方式工作，在其关断时间内，储能电感Lo通过许留二极管D1或D2对负载进行续流供电，使负载得到连续的电流 波形 它的特点是每一支桥臂都导通180?，a、b、c各相导通的电角度相差120?，同一相的上下两个桥臂交替导通。在任意一个时间里都有3支桥臂导通，上下两桥臂交替换流。所以三相桥式电压源逆变电路的换流方式为纵向换流。三相桥式逆变器电路中，VT1,VT6为IGBT。VD1,VD6为反馈二极管。依据IGBT工作原理，在三相交流输入电源作用下，若IGBT承受最大正向阳极电压，而控制极又获得触发脉冲时便转入导通状态。反之处于导通状态的IGBT在足够的反向阳极电压作用下会转为截止状态。 图4-2 三相交流逆变器 4.3 定子磁链与电磁转矩的测定 定子磁链的值在永磁同步电机直接转矩控制中，作用举足轻重。所以测定定子磁链的方法的选择尤为重要。定子磁链的测定主要有两种方法，分别是电流模型测定法和电压模型测定法。 电流模型测定法。把在α-β坐标系下的两个电流分量输入到α-β坐标系与d-q坐标系的转换环节中，再由在d-q坐标系下的磁链方程确定定子磁链的d轴分量和q轴分量。然后在分别把两个分量经过d-q坐标系与α-β坐标系的转换，得到定子磁链α轴的分量和β轴的分量。这种定子磁链的测定方法运用到一次Park变换和一次Park的逆变换，计算量比较大，操作起来比较麻烦，所以这种方法的应用并不广泛。下面介绍一种运算相对方便简单的定子磁链的测定方法，它就是电压模型测定法。 ,ssss,,,,,()UiRdt, (4-1) 22 第4章 永磁同步电机直接转矩控制 ,ssss,,,,,()UiRdt, (4-2) 根据式(4-1)和(4-2)可以建造模型。只要经过两次积分，就可以把测得的定子电压和电流的α轴的分量和β轴的分量转化为定子磁链的α轴的分量和β轴的分量。与电力模型测定法相比，省去了两次坐标转换，使计算变得简单，大大提高了运算速度。所以电压模型测定法应用相当广泛，且特别适合用于高速控制的场合。 3 (4-3)，，T,Pψi-ψiedqqd2 电磁转矩的测定，电磁转矩是永磁同步电机直接转矩控制中必要的检测量。但是在实际操作中，很难直接测定电磁转矩的值。所以，就通过间接测 量的办法，去求得电磁转矩的值。根据式可知，只要测出定子电流的α轴的分量和β轴以及用电压模型测定法测出的定子磁链的α轴的分量和β轴，就能求得电磁转矩。 4.4 本章小结 本章重点介绍了永磁同步电机直接转矩控制的原理和系统构造。在上一章讲到的永磁同步电机的数学模型的基础上讲述了三相永磁同步电机直接转矩控制系统中几个重要的构成部分，如三相桥式逆变器，定子磁链测定环节和电磁转矩测定环节的原理，为下一章的软件仿真打下基础。 23 燕山大学本科生毕业设计(论文) 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 5.1 仿真软件 本文主要是利用Matlab软件进行仿真，Matlab的含义是矩阵实验室(MatrixLaboratory)。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。在这个环境下，对所要求求解的问题，用户只需要简单地列出数学表达式，其结果便以数值或图形方式显示出来。Matlab的推出得到了各个领域专家学者的广泛关注，其强大的扩展功能更为各个工程领域提供了分析和设计的基础。 Matlab包括被称作工具箱(Toolbox)的各类应用问题的求解工具。随着Matlab版本的不断升级，其所含的工具箱的功能也越来越丰富，因此应用范围也越来越广泛，成为涉及数值分析的各类设计不可或缺的工具。 Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通信系统、船舶及汽车等，其中包括了连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面，而且还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码即完成整个动态系统的建模工作。除此之外，Simulink还支持Stateflow，用来仿真事件驱动过程。 Simulink是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面，是模块化了的编程工具，它把Matlab的许多功能都设计成一个个直观的功能模块，把需要的功能模块用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了。也可以根据自己的需要设计自己的功能模块，Simulink功能强大，界面友好是一种很不错的仿真工具。 Simulink主要有以下优点:仿真工具箱的模块库种类繁多， 24 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 并且可以支持扩展和自定义编辑，使应用范围变得广泛。直观的图形交互式操作，使用户的操作简单快捷，易于初步掌握软件的使用。纠错功能出色，模型分析和诊断工具的引入，能查出模型中的错误，提示用户，保证模型的一致性。 Simulink仿真具有以下的特点: (1)交互建模 Simulink提供了大量的功能块，方便用户快速地建立动态系统模型，建模时只需要使用鼠标拖放库中的功能块，并将它们连接起来;用户可以通过将块组成子系统建立多级模型;对块和连接的数目没有限制。 (2)交互仿真 Simulink框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜单执行仿真，或者用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或者图形窗口显示。 (3)能够扩充和定制 Simulink的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能。 (4)与Matlab和工具箱集成 由于Simulink可以直接利用Matlab的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过Simulink的屏蔽手段在仿真过程中执行。 (5)专用模型库 Simulink的模型库可以通过专用元件集进一步扩展。 25 燕山大学本科生毕业设计(论文)5.2 仿真模型 图5-1 仿真模型图 26 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 转矩自控制单元，根据永磁同步电机的转矩与给定转矩的差值判断输入0矢量还是非零矢量控制电动机转动 图5-2 转矩自控制单元 定子电流转换模块， 此模块的主要功能是把在a-b-c坐标系下的定子电流转换成α-β坐标系下的定子电流。 图5-3 电子电流转换模块 定子磁链计算模块此模块的主要功能是用电压模型测定法，通过双积分计算 求的得实际的定子磁链的α轴的分量和β轴的分量。以此来看电子磁链轨迹。 27 燕山大学本科生毕业设计(论文) 图5-4 定子磁链计算模块 转矩计算模块，由给定转速计算给定转矩，作为转矩自控制单元的控制端输入。 图5-5 转矩计算模块 静止坐标系下3/2变换，计算二相静止坐标系下的相电压相电流。 图5-6 3/2变换模块 28 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 图5-7 电动机参数设置 图5-8 继电器参数设置 29 燕山大学本科生毕业设计(论文) 图5-9 阶跃输入设置 5.3 仿真结果分析 定子磁链，如图所示，定子磁链的运动轨迹未出现六边形，对定子磁链的控制效果不太令人满意。 图5-10 定子磁链轨迹图 30 第5章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 图5-11 电磁转矩波形图 电磁转矩的仿真波形在0-0.01s的区间不断上升，在0.01s达到最大值。这表明同步永磁电机以最大转矩启动。在0.03s电磁转矩到达稳态值。 图5-12转速波形图 转速在0.008s之前一直上升，到0.04s到达稳定 31 燕山大学本科生毕业设计(论文) 图5-13 定子电流波形图 32 结论 结论 永磁同步电机运行可靠，结构简单，生产投入成本较低，特别适合于用在小容量的场合上，在交流伺服电机中占据着重要地位。直接转矩控制是在矢量控制策略后又一应用广泛的策略，它放弃了矢量控制中解耦的思想，没有通过控制定子电流，定子磁链等变量去间接控制电机，而是通过直接控制电机的转矩来控制其转速。研究这种控制策略应用在永磁同步电机上的效果，就是本文的主要研究任务。从仿真结果可以看出，永磁同步电机直接转矩控制具有简单、直观、快捷等优点。转矩、转速和磁链在很短时间内就能到达稳定状态，大致符合要求。 但是从转矩仿真波形看出，永磁同步电机直接转矩控制的低速性能不是很好，转矩响应性不高。所以改善永磁同步电机直接转矩控制在低速时候的转矩响应就是今后的发展方向。 33 燕山大学本科生毕业设计(论文) 参考文献 [1]袁登科，陶桂生等。交流永磁电机变频调速系统。 [2]洪乃刚。 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。 [3]姜平。CNC系统中指数升降速控制曲线的算法 微特电机，2003，31(5):16~17。 [4]范治田。新型数字化可编程频率合成器DDS(现代电子技术2003，(12):26~30。 [5]周俊峰，陈涛。基于FPGA的直接数字频率合成器的设计和实现(国外电子元器件，2003，(1):4~6。 [6]唐任远。现代永磁电机理论与设计。北京:机械工业出版社，1997。 [7]王成元。矢量控制交流伺服取得电动机(北京:机械工业出版社，1995。 [8]万文斌，徐衍亮，唐任远。永磁同步电动机的高性能电流控制器[J].中国电机工程学报，2000，(12):24-27。 [9]王江，王家军，许镇林。基于逆变器死区特性的永磁同步电动机系统的自适应变结构控制[J].中国电机工程学报，2000，21(8):37-41。 [10]周杨忠，胡育文，田蕉。永磁同步电机控制系统中变比例系数转矩调节器设计究[J]。中国电机工程学报，2004，24(9):204-208。 [11]孙笑辉，张增科，韩曾晋。基于直接转矩控制的感应电动机转矩脉动最小化方法研究[J]。中国电机工程学报，2002，22(8):110-112。 [12]杨家强，黄进。异步电动机直接转矩控制转矩脉动最小化方法研究[J]。电工技术学报，2004，19(9):23-29。 [13]刘军，楚小刚，白华煜基于参考磁链电压空间矢量调制策略的永磁同步电机直接转矩控制研究[J]。电工技术学报，2005，20(6):11-15。 [14]刘军，刘丁，吴浦升等。基于模糊控制调节电压矢量作用时间策略的永磁同步电机直接转矩控制仿真研究[J]。中国电机工程学报，2004，24(10):148-152。 [15]贾洪平，贺益康。永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制[J]。电工技术学报，2006，21(1):1-6 34 参考文献 [16]Takahashi I, Noguchi T.A new quick response and higlr effreciency control strategy of an motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Applications, 1986,22(5):821-827. [17]Kin JH,CHoi JW. Novel rotor –Flux Observer Characteristic Function in Complex Vector Space for Field – Oriented Induction motor Drives [J].IEEE. Trans Ind. Applicat,20092,38,(5):1334 - 1343 [18]Hay lock JA, M edrow BC .Enhanced Current Control of High- Speed [19]PM Machine Drives Through the Use of Flux Controllers [J], IEEE, Trans Ind A ppicat,1999,35(5):1030-1038 [20]19 Peter Vas. Vector control of ac machines[M]. Oxford: Clarendon Press,1990. [21]Zhong L, Rahman M F.Analysis of direct torque control in Permanent magnet synchronous motor drives[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1997,12(3):528-535. [22]Rahman M F, Zhong L .Comparison of torque responses of the Interior permanent magnet synchronous motor under PWM current and direct torque controls[C].IECON’99 Proceedings,San Jose, CA,1999. [23]Tiitinen P, Surandra M, The next generation motor control method,DTC direct torque control[C]. Proceedings of the 1996 International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems for Industrial Growth. IEEE. Part. 1. New York, USA, 1996:37-43 35 燕山大学本科生毕业设计(论文) 致谢 本论文最终得以顺利完成，非常感谢我的指导教师吴教授。从论文选题直到论文的最终完成，他都给予我尽心尽力的指导。吴教授严谨的治学态度深深的影响着我，对我今后的学习、工作、生活必将产生影响。借此机会特向吴教授表示最诚挚的感谢。 感谢燕山大学里仁学院的所有领导和老师。你们严谨的学风、渊博的知识、诲人不倦的品格一直感染和激励着我不断上进，使我大学的时光充实而有意义。―海纳百川，取则行远‖，在这所美丽的校园里，不断成长，在这里我所学到的，必将使我受益终生。 在本论文的写作中，我也参照了大量的著作和文章，许多学者的科研成果及写作思路给我很大启发，在此向这些学者们表示由衷的感谢。 本论文虽然几经修改，但由于才疏学浅，本文疏漏之处在所难免，还望各位老师批评指正。 36 附录1 附录1 燕 山 大 学 本科毕业设计(论文)开题 报告 课题名称:PMSM直接转矩控制系统仿真 学院(系):里仁学院电气工程系 年级专业:10 过程控制1班 学生姓名:张天 指导教师:吴忠强 完成日期:2012年3月25日 37 燕山大学本科生毕业设计(论文) 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1、选题的依据 直接转矩控制技术，德语称为DSR，英语称之为DTC，是自七十年代发展起来的继矢量控制技术之后又一新型高性能的交流变频调速技术。 1977年，A . B . Piunkett研究PWM逆变器感应电机传动系统中就考虑了磁链和转矩的直接控制，只是苦于当时对瞬时主磁通的测量没有一个很好的解决方法，使其实现起来颇具困难而未曾引起广泛的注意。 1981年，日本学者S . Yamamura在开发交流电机速度控制系统时提出了磁场加速控制法，关键性地指出如果维持气隙磁场幅值不变，诸如电压、电流和转矩等其他物理量仅为转差的函数，此时只需通过调节气隙磁链的旋转速度，改变其对转子的瞬时转差频率就可以达到控制转矩的目的。 1983年，日本学者Y . Murai等人将瞬时空间电压矢量理论应用于PWM逆变器感应电动机传动系统中，他们把逆变器和电动机看成一个整体，综合三相电压进行控制，提出了磁链轨迹控制法，基于电压、磁链空间矢量概念，成功地解决了瞬时主磁链的计算问题，并且较方便地控制其幅值在整个调速范围内近似保持不变，使其轨迹接近于圆形。1985年，德国鲁尔大学的M . Depenbrock教授通过对瞬时空间理论的研究，首次提出了直接转矩控制的理论，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。随后日本学者者I . Takahashi也提出类似的控制方案，并获得了令人振奋的控制效果。直接转矩控制技术一经诞生，就以自己新颖的控制思想，简洁的结构，优良的静、动态性能受到广泛的关注，并得到迅速的发展。目前在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日本研制成功的1.5kw直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达 倍，使电机从，500,,500转/分2kHz，冲击转矩可瞬时达到额定转矩的20 的反转时间只有4ms。在电气传动领域中，这几项指标均居目前世界最高记录。当前，德国、日本、美国等都竞相发展该项技术，今后的发展趋势是采用第四代电力电子器件及数字化控制元件，向工业生产应用推出全数字化 [16]最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置。 [8]与经典矢量控制相比，直接转矩控制有以下几个主要特点: (1)直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化;既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型;它省掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 (2)直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要 38 附录1 知道电动机转子电阻和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 (3)直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 (4)直接转矩控制强调的是转矩的直接控制效果。 由于电机转矩和磁链的计算对控制系统性能影响较大，为了获得满意的转矩计算，仿真研究是最有效的工具和手段。因而利用MATLAB软件下的Simulink仿真工具对PMSM DTC系统进行仿真。 2、意义 直接转矩控制技术以其新颖的控制思想,简洁的系统结构和优良的动静态性能已应用于交流传动系统。同步电动机特别是永磁同步电动机(PMSM)有许多优点:功率因数更高(理论上可达到1),效率更高(无需电励磁),可节省电能;电机尺寸体积更小;转子结构更为简化,稳定性更好。所以采用永磁同步电动机的交流传动成为今后发展的趋势。学习直接转矩控制技术对我们认识以后的流行趋势有巨大的帮助，使用matlab也可以锻炼我们的理解能力和建模能力。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题 1、研究的基本内容 采用MATLAB/SIMULINK仿真工具对永磁同步电机直接转矩控制系统进行研究,详细阐述直接转矩控制系统中各个单元模型的建立,并分析控制系统的性能。 2、我在研究过程中要解决的主要问题: 永磁同步电机的数学模型 定子磁链控制 电动机转矩控制 电动机模型的设计 MATLAB仿真建模 三、研究步骤、方法及措施 39 燕山大学本科生毕业设计(论文) 1、 课题研究的方法 由于对本课题研究内容没有经验，所以我将采用综合研究的方法，一方面阅读《交流永磁电机变频调速系统》《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》等书籍。另一方面对照已有课题从中汲取思路和经验，并向老师和同学咨询。 2、研究步骤: 永磁电机的数学模型的建立 定子磁链控制原理 电动机转矩控制原理 设计电动机模型 永磁电机直接转矩控制系统 系统仿真模型的组建 四、研究工作进度 1、1-2周 熟悉设计要求和导师所提供的资料;有针对性地扩展查阅资料。 2、3-7周 设计总体控制思路;系统初步设计，绘制草图。 3、8-10周 系统详细设计;系统详细设计中疑难点的确定及初步解决方案。 4、11-15周 进一步修改完善系统设计;绘制规定要求的图纸;撰写论文。 5、16-17周 审图、审论文;图纸、论文的进一步修改、完善;答辩准备工作。 五、主要参考文献 1. 袁登科，陶桂生等 交流永磁电机变频调速系统 2. 洪乃刚 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 3. 李永东.交流电机数字控制系统 4. 田淳，胡育文(永磁同步电机直接转矩控制理论及控制方案的研究 5. 王沫然(Simulink 4建模及动态仿真( 6. 范治田(新型数字化可编程频率合成器DDS( 7. 周俊峰，陈涛(基于FPGA的直接数字频率合成器的设计和实现( 8. 唐任远(现代永磁电机理论与设计( 9. 王成元(矢量控制交流伺服取得电动机( 40 附录1 10. 薛定宇，陈阳泉著;基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用 11. 冯亮，王芳林 异步电机直接转矩控制的滞环控制器研究 12. 廖晓钟，邵立伟 直接转矩控制的12区段控制方法 13. 何玉林，吴德俊杜静黄帅 风力发电机组的自适应转矩控制及载荷优化 14. 薛建军，洪刚，贾嵘 基于POS优化LS-SVM的异步电机振动故障诊 断 15. 付文光，车传强，朱国振三相笼型异步电机工频和变频启动方式下的工 作负担分析。 16. 李华德、白晶、李志民等.交流调速控制系统 17. 史国生等.交直流调速系统 18. 张宇林，蒋鼎国等 异步电动机低转矩脉动直接转矩控制研究 41 燕山大学本科生毕业设计(论文) 附录2 燕 山 大 学 本科毕业设计(论文)中期 报告 课题名称:PMSM直接转矩控制系统仿真 学院(系): 里仁学院 年级专业: 10级 自动化 学生姓名: 张天 指导教师: 吴忠强 完成日期: 2014年5月6日 42 附录 2 一、对毕业设计的进展情况进行说明，按开题报告中的要求哪些部分已完 成，哪些尚未完成。 开题之后，我通过查阅图书馆及网上的各种资料和文已经对交流永磁同步电机的止直接转矩控制有了初步的了解，并了解了各部件的特性与性能。目前我正在基于matlab/simuiink搭建系统的仿真模型，现阶段我已经完成定子磁链估算，转矩估算，转矩自控制单元，目前未完成的是2/3转换单元sin-cos口输入，相电压电流检测，各部件的设置。 三相永磁同步电机在a-b-c坐标下的电压和磁链方程可以写成如下形式: d,sU=IR+sss dt ,,sssr,，IL 永磁同步电机在a-b-c坐标下的电压方程的矩阵形式如下: u00aaa,Ris，，，，，，，， ,,,,,,,,bbsbu=00pRi，,,,,,,,,, ,,,,,,,,ccscu00Ri,，，，，，，，， 电压方程的矩阵形式: uRpLi,,ss，,0sin,，，，，，，，，r,，,,,,,,,,,,ssuRpLi0cos，,,,，，，，，，，， 磁链方程的矩阵形式: ,,dddfLi0，，，，，，，，,，,,,,,,,,qqq00Li,，，，，，，，， 转矩方程: 3TPiie,,,,,,,,()2 43 燕山大学本科生毕业设计(论文) 由此可以建立转矩模块，此模块的主要功能是把测出定子电流的α轴的分量和β轴以及定子磁链的α轴的分量和β轴，求得电磁转矩。 定子电磁转矩方程 ,ssss,,,,,()UiRdt,ssss,,,,,()UiRdt,,，由此可以建立定子磁链模型，此模块的主要功能是用电压模型测定法，通过双积分计算求的得实际的定子磁链的α轴的分量和β轴的分量。 转矩自控制单元 44 附录 2 2/3变换模块 定子电流转换模块，此模块的主要功能是把在a-b-c坐标系下的定子电流转换成α-β坐标系下的定子电流。 45 燕山大学本科生毕业设计(论文) 二、简要说明毕业设计具体实施方案，查阅的主要文献资料、设计思路、 设计方法进展情况。 1设计原理 在成功开题之后，我按照开题报告中的步骤开始进行毕业设计。首先，了解pmsm直接转矩控制的基本原理。就是将电压型逆变器和交流永磁电机视为一个整体，通过接通电压型逆变器的零电压矢量和非零电压矢量，来同时对电动机的定子磁链与电磁转矩进行闭环控制。 46 附录 2 2设计思路及具体设计方案的进展情况 针对pmsm直接转矩控制系统，设计思路入下: 首先，仿真系统总体设计 其次，完成主电路完成电压型逆变器与交流永磁电机的连接，设计检测模块，检测电机转速，相电压，相电流。 然后，完成电动机模型，计算定子磁链与电磁转矩。将定子磁链通过2/3变换在进行比较通入比较器，转矩自控制单元控制通入电压型逆变器的是0电压矢量还是非零电压矢量。 最终，对器件进行调试，得到理想的图形。 在这一阶段，我已经完成了仿真系统总体框架的设计，并完成了仿真模型的主体搭建。下一阶段主要工作是完成模型的搭建，最终做出仿真图。 3查阅的主要文献资料。 1.袁登科，陶桂生等 交流永磁电机变频调速系统 2.洪乃刚 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 3.李永东.交流电机数字控制系统 4.田淳，胡育文(永磁同步电机直接转矩控制理论及控制方案的研究 5.王沫然(Simulink 4建模及动态仿真( 6.唐任远(现代永磁电机理论与设计( 7.王成元(矢量控制交流伺服取得电动机( 8.薛定宇，陈阳泉著;基于MATLAB/SIMULINK的系统仿真技术与应用 9.廖晓钟，邵立伟 直接转矩控制的12区段控制方法 10.李华德、白晶、李志民等.交流调速控制系统 11.史国生等.交直流调速系统 三、对毕业设计过程中遇到哪些困难和问题，是如何解决的，在实践能力方面有哪些提高。 在这段时间的设计过程中遇到了很多的困难和问题。如:定子电流转换模型，定子电磁转矩模型，通过在网上和图书馆查寻资料，并询问老师我成 47 燕山大学本科生毕业设计(论文) 功解决了这些难题通过。这段时间的学习，我学到了很多以前没有接触过的知识，提高了我的自学能力，同时我的实践能力也得到了进一步的提升。 四、毕业设计的下一步工作如何安排及具体的时间进度表。 第12周:完成模型搭建; 第13周:调试系统，实现系统仿真，并构思毕业论文总体布局。 第14—16周:撰写毕业论文并准备答辩。 五、撰写毕业论文工作的具体安排，列出完成毕业论文时时间进度表。 第13周:构思论文总体布局。 第14周:对论文各章内容作整体规划，并开始撰写论文摘要及绪论部分。 第15周:撰写论文各章内容。 第16周:翻译摘要部分，并进一步完善论文内容。 六、对指导教师及学院管理的意见及建议 感谢在设计的过程中导师给我的知道与帮助，希望学校和老师在将来的设计中给我们提出更高的要求，指出不足之处，使我们的毕业设计水平再提升一个档次。 48