永磁同步电机直接转矩控制

永磁同步电机直接转矩控制 摘要 直接转矩控制是近年来应用比较广泛的一种控制策略。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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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。 关键词: 直接转矩控制;永磁同步电机;仿真 1 Abstract Direct torque control (DTC) is used widely recently. It is intuitive and clear, simple and swift and has fast torque respond. on the other hand, permanent magnet synchronous machine (PMSM) become more and more important for its high reliability and simple structure. In this paper, we focused on the effect of the application of DTC to PMSM. In order to analyze PMSM DTC better, this paper precented both the advantage and the disavantage of DTC .What’s more,it also shown PMSM’s classification, structure, mathematical models in different coordinate system . Then I built model of PMSM DTC and smulated in the simulink environment. In the end I drew a conclusion by the result of simulation. The conclusion shown that PMSM DTC has quick torque respond to achieve rapid and reliable control. however, it has poor low-speed performance. Therefore, improving PMSM DTC low-speed performance will be the trend of improvement in the future. Keyword: PMSM , DTC , Simulation 2 目 录 摘 要 ? ABSTRACT ? 第一章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 4 1.2 相关技术的发展情况 5 1.3 研究的主要内容 6 第二章 直接转矩控制概述 2.1 电机控制策略分类 6 2.2 直接转矩控制原理 7 2.3 直接转矩控制的发展方向 8 2.4 本章小结 9 第三章 永磁同步电机概述 3.1 永磁同步电机的分类 9 3.2 永磁同步电机的结构 10 3.3 永磁同步电机的数学模型 12 3.4 本章小结 16 第四章 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 16 4.2 逆变器与开关表 17 4.3 定子磁链与电磁转矩的测定 19 4.4 本章小结 20 第五章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 5.1 仿真软件 21 5.2 仿真模型 21 5.3 仿真结果分析 24 5.4 本章小结 26 第六章 结论 26 参考文献 28 3 第一章 绪论 1.1 研究背景及研究意义 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，为运行带来了方便。而且转矩阻尼效应大，转矩响应性比较好，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 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 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。 4 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 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 ，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。 5 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， 第四章主要讲述了直接转矩控制在永磁分类，及它在各个坐标系下的数学模型进行介绍。 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。 第二章 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 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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 6 接对电机进行控制。有关直接转矩控制的原理下文有详细的介绍，在这里暂且不说。 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、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。 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 7 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 8 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 本章小结 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。 第三章 永磁同步电机概述 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 9 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 10 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。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。 11 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,sU=IR+sss dt (3-1) ,,sssr,，IL (3-2) ,sUsIsRsLs 上式中的为定子电压，为定子电流，为定子电阻，为定子磁链，为定子电 ,r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: 12 u00aaa,Ris，，，，，，，， ,,,,,,,,bbsbu=00pRi，,,,,,,,,, ,,,,,,,,ccscu00Ri,，，，，，，，， (3-3) ,a,b,cuaubuc 、、为定子的a、b、c各相电压，p为微分算子，、、为定子abc三 iaibic相的磁链，、、为定子a、b、c各相电流。 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),,,,,,,,,,, ,,,,,,,,ccaccccbMMLicos(120),:,,，，，，，，，， (3-4) LaaLbbLccMabMba 、、分变为三相各自的自感系数， 和为a、b相之间的互感系数， ,rMacMcaMbcMcb和为a、c相之间的互感系数，和为b、c相之间的互感系数，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。 α-β坐标系中永磁同步电机的数学模型 图3-1 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: 13 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。 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 d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型 图3-2 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,,,,,,,,,,,uRiqsqqq0,,，，，，，，，，，， (3-7) ,d,qiduq、为d-q坐标系中的定子电压，、为d-q坐标系中的定子电流，、为d-q坐udiq 标系中的定子磁链。 磁链方程的矩阵形式: ,,dddfLi0，，，，，，，，,，,,,,,,,,qqq00Li,，，，，，，，， (3-8) 14 ,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) M-T坐标系中永磁同步电机的数学模型 M-T坐标系变换原理和d-q坐标系一样，都是把各个参数从静止参考系转换到旋转的 参考系中。与d-q坐标系不同的是，d轴是与转子的几何位置重合的，而M轴则是与磁场 的轴线重合的。 M-T坐标系和d-q坐标系相互转换关系如下: FFdMcossin,,,，，，，，，,,,,,,,FFqTsincos,,，，，，，， (3-10) FFMdcossin,,，，，，，，,,,,,,,Tq,FFsincos,,，，，，，， (3-11) FMFT、为d-q坐标系中的磁动势，、为M-T坐标系中磁动势，为定子磁链与转子FqFd,磁链的夹角。 磁链方程的矩阵形式: 22,,MMicos，，LLLLcossinsincossincosdqdq，,，,,,,,,，，，，，，,，f,,,,,,,,,22TTisin,,,dqdqLLLLsincossincossincos,，，,,,,,,，，，，，，，， (3-12) ,TiT因为M轴与磁场的轴线重合，所以=0。所以可以写成如下形式: 2sin()sin2,,,,fqsdqLLL,,IT,dq2LL (3-13) 转矩方程: TPiesT,1.5, (3-14) 整理得: 3[2sin()sin2]PsLsLL,,,,,fqqd,,eT,dq4LL (3-15) 15 3.4 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。 第四章 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 从式(3-15)可以看出，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。 16 图4-1 通过原理图4-1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:转速调解环节，主要由比例积分环节完成转速调节的功能。滞环比较器，空间电压矢量开关表，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，转矩估计环节和区域判断环节组成。 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，把其输出的磁链值分别送入区域判断环节和转矩估计环节，并且与给定的定子磁链值作比较，将误差输入到滞环比较器中。然后，把比例积分环节输出的给定转矩和转矩估计环节输出的实际转矩作比较，把它们的误差输入到滞环比较器中。将两个滞环比较器的输出值和区域判断值作为开关表的输入量，得出一组控制脉冲，去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 逆变器与开关表 逆变器和开关表都是三相永磁同步电机直接转矩控制系统的重要组成部分。 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。其结构如图 4-2，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。我们可以假定 17 6个空间矢量去表示三相桥式电压源逆变电路的6种状态。它们分别是U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)和U6(101)。其中第一位数字代表a相，第二位数字代表b相，第三位数字代表c相。1代表导通，0代表关断。 在这6个空间矢量的基础上，再引入两个无意义的零矢量，就是图4-3的空间矢量的分布情况。两个零矢量U7(000)和U8(111)位于坐标原点，其余的6个矢量把坐标平面分成6等份，每一等份是60?。 在由电压空间矢量分布图可知，在每一个区域中，我们能用两个相邻的电压矢量来控制定子磁链的值。从而使开关频率最小，尽量减小电磁转矩的脉动。例如在60?— 120?的区域中，定子磁链正在逆时针旋转。这时，就可以用空间电压矢量U3增加定子磁链的值，用空间电压矢量U4减小定子磁链的值。 图4-2 图4-3 根据空间电压矢量的控制理论，可以通过磁链的位置，滞环比较器输出的磁链的值和转矩的值，去确定应用那一电压矢量来控制三相桥式电压源逆变电路的通断。这就是空间电压矢量开关表的原理。 18 表4-1 ψ τ θ θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 θ6 ψ=1 τ=1 U 2U 3U 4U 5U 6U 1 (110) (010) (011) (001) (101) (100) τ=-1 U 6U 1U 2U 3U 4U 5 (101) (100) (110) (010) (011) (001) ψ=-1 τ=1 U 3U 4U 5U 6U 1U 2 (010) (011) (001) (101) (100) (110) τ=-1 U 5U 6U 1U 2U 3U 4 (001) (101) (100) (110) (010) (011) 若ψ=1，说明实际的定子磁链小于给定的磁链，此时应增大定子磁链。若ψ=-1，说明实际的定子磁链大于给定的定子磁链，此时应减小定子磁链。同理可得转矩的调节方法。 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。 图(4-4) 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，也是本人在仿真中使用到的一种方法。它就是电压模型测定法。 19 图4-5 ssss,,()UiRdt,,,,, (4-1) ssss,,()UiRdt,,,,, (4-2) 根据式(4-1)和(4-2)可以建造如图 4-5的模型。由图可知，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。 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(3-6)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。 图4-6 4.4 本章小结 20 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，空间电压矢量开关表，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。 第五章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 5.1 仿真软件 MATLAB(Matrix Laboratory)即矩阵实验室，是美国Waterworks公司出品的软件，是用于算法的开发、数据分析、数据可视化以及数值计算的高级技术计算语言和交互式平台，主要包括MATLAB和Sibling两大部分。本文主要应用到MATLAB的Simulink功能。 Simulink为MATLAB的重要组成部分。它能提供用户一个建模、仿真以及数据分析的环境。该环境的最大特点就是可视化，即用户无需运用大量的算法和编程语言去对对象就行操作，只需要用鼠标点击所需要的功能，拖动工具箱中所利用到的模块，然后输入参数，再进行连接建模，就能轻松仿真，并直观地观察到用户所需的仿真波形，便于分析。 Simulink主要有以下优点:仿真工具箱的模块库种类繁多，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。 5.2 仿真模型 如图5-1所示，仿真模型主要有直接转矩控制模块，三相桥式电压逆变模块，永磁同步电机模型，测量模块再辅以其余模块搭建而成的。下面主要介绍一下直接转矩控制模块。 21 图5-1 直接转矩控制模块主要由a-b-c坐标系与α-β坐标系的定子电流转换模块和定子电压转换模块，定子磁链计算模块，电磁转矩计算模块，磁链位置判断模块和开关表模块组成。 定子电流转换模块 图5-2 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。 22 定子电压转换模块 图5-3 此模块的主要功能是通把在a-b-c坐标系下的定子电压转换成α-β坐标系下的定子电流。 定子磁链计算模块 图5-4 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。 电磁转矩计算模块 23 图(5-5) 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β轴，求得电磁转矩。 和 磁链位置判断模块 图5-6 此模块的主要功能是判断定子磁链位于哪一区域，作为开关表的输入量。 开关表模块 图5-7 此模块的主要功能是把两个滞环比较器的输出值和定子磁链的区域作为输入量，选取出合适的空间电压矢量，去发出控制信号，控制三相桥式电压源逆变电路的工作状态。 5.3 仿真结果分析 Simulink仿真过程中，永磁同步电机的参数如下: 定子电阻3Ω, 定子电感0.168H, 电机磁极数2 24 图5-8 -8所示，定子磁链的运动轨迹非常接近圆形，说明在永磁同步电定子磁链圆，如图5 机直接转矩控制中，对定子磁链的控制效果比较令人满意，定子磁链圆并没有反生严重畸变。 图5-9 如图5-9所示，永磁同步电机转速的波形在0-0.03s处于上升状态，0.03s-0.05s开始发生振荡，在0.05s后基本保持稳定。可见永磁同步电机直接转矩控制实现的速度比较快，而且控制精度比较高。 图5-10 25 如图5-10所示，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0.01s-0.03s前，电磁转矩到达第一个稳态值。0.03s-0.05s电磁转矩发生振荡。直至0.05s后才稳定下来，到达第二个稳态值。由此可见，转矩到达稳定需要0.05s,响应比较迅速，但是在0.05s前出现另一稳态值，此阶段电机的转速比较低。说明永磁同步电机直接转矩控制在低速时的控制效果不能令人满意。 图5-11 5-11为定子电流仿真波形，由图得定子电流在0.05s后恢复正弦状态。 5.4 本章小结 本章主要介绍了本文所用到的永磁同步电机直接转矩控制的仿真平台MATLAB的Simulink的特点和优势。根据上一章提及到的永磁同步电机直接转矩控制的系统构造在Simulink中搭建出模型，并进行仿真。把得到的仿真结果进行分析，得出永磁同步电机直接转矩控制这一控制策略的效果。 第六章 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。 26 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。其中有几种典型的方法，如改善空间电压矢量开关表，用其他技术代替空间电压矢量开关表和将神经网络模糊控制与直接转矩控制相结合。 27 参考文献 〔1〕刘军,刘丁,吴浦升,白华煜. 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,2004,33(10). 〔2〕李光叶,万健如,刘英培,沈虹,袁臣虎.基于模糊零矢量永磁同步电机直接转矩控制〔J〕.电力自动化设备,2009, 29(9). 〔3〕张益男,刘国海.永磁同步电动机直接转矩控制的仿真与实验研究〔J〕.微特电机，2009,(2). 〔4〕李耀华.刘卫国,永磁同步电机矢量控制与直接转矩控制比较研究〔J〕.电气传动,2010,40(10). 〔5〕田淳. 无位置传感器同步电机直接转矩控制理论研究与实践〔M〕.南京航空航天大学，2001. 〔6〕李耀华,刘卫国.表面式PMSM直接转矩控制电压矢量选择策略〔J〕.电力电子技术,2010,44(9). 〔7〕李耀华.刘卫国,永磁同步电机直接转矩控制不合理转矩脉动〔J〕.电机与控制学报,2007，10(2). 〔8〕H. Ghassemi, S.Vaez-Zadeh.A very fast direct torque control for interior permanentmagnet synchronous motors start up〔J〕. Energy Conversion and Anagement , 2005,46. 〔9〕金爱平,基于模糊神经网络直接转矩控制系统设计〔J〕.科学创新导报，2010(3). 〔10〕朱卫华.杨向宇,永磁同步电机直接转矩控制零矢量插入新方法〔J〕.机电工程技术,2005,34(11). 28