基于直接转矩控制的永磁同步电机毕业论文.docx

基于直接转矩控制的永磁同步电机调速原理、系统和应用（江苏大学电气信息工程学院，镇江 212013） 摘要 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。关键词: 直接转矩控制；永磁同步电机；仿真the speed control principle and system of permanent magnet synchronous motor based on direct torque controlschool of electrical and information engineering, jiangsu university, zhenjiang 212013 abstract 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 .whats more, it also shown pmsms 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. keyword: pmsm , dtc , simulation前言20世纪80年代开始，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控制技术也得到飞速的发展。各国学者不仅对传统的pwm进行革新，不断地提出一些全新的控制策略。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 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。 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。1.1 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： (1-1) (1-2) 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： (1-3) 、为定子的a、b、c各相电压，p为微分算子，、为定子abc三相的磁链，、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： (1-4) 、分变为三相各自的自感系数， 和为a、b相之间互感系数，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。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。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。-坐标系中永磁同步电机的数学模型：如图1-1所示，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。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。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，且轴与a轴重合。经过变换，可得在-坐标系永磁同步电机的状态方程。 电压方程的矩阵形式： (1-5)图1-1 clark变换图 、为-坐标系中定子的电压，、为的定子电流，为转子转速。 转矩方程：， (1-6) 、为-坐标系中的定子磁链，p为磁极数，为电磁转矩。1.2 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。如图1-2所示，将-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：(1-7) 、为d-q坐标系中的定子电压，、为图1-2 park变换图 d-q坐标系中的定子电流，、为d-q坐标系中的定子磁链。 磁链方程的矩阵形式： (1-8) 、为d-q坐标系中的定子电感，为转子磁链。 转矩方程： (1-9) 2 永磁同步电机直接转矩控制原理通过原理图2-1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。图2-1永磁同步电机直接转矩控制原理框图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。3永磁同步电机的空间电压矢量调制直接转矩控制原理空间电压矢量调制技术是在一个控制周期中选择相邻非零矢量和零矢量，计算每个矢量的作用时间，从而合成所需的任意电压矢量，实现对转矩和磁链的无差控制。而且与常规spwm技术相比直流电压利用率有了很大的提高，更易于数字化实现。3.1 空间电压矢量合成从理论上来说空间电压矢量脉宽调制技术可以生成任意方向的空间电压矢量，空间电压矢量可以连续，磁链在不同位置可以根据控制方案选择不同的空间电压矢量，从而使磁链轨迹完全为圆形，消除了转矩和磁链的脉动。但是由于一个控制周期只能施加一次端电压，在实际运用中此控制算法每次都需要计算时间变量，大量的计算会延长控制周期，控制周期的延长对于转矩波动的抑制很不利，反而影响控制效果7。为了缩短控制周期，实际应用中采取对称规则采样技术，即在空间矢量合成时，采用细分矢量方法，利用两个零矢量交替作用形成一个新的合成的空间电压矢量，以减少转矩和磁链的波动。第扇区矢量合成如图3-1所示。图3-1 空间矢量合成方法为了削弱谐波，我们将初始八个空间电压矢量分成三类：奇数矢量组s1 (100)，（010），（001）、偶数矢量组s2 (110)、(011)、(101)和零矢量组s0 (000)、s7 (111)。以合成第1扇区矢量为例，对于图5-10所示的矢量合成方法，开关序列产生：s0 、sa、sb、s7、s7、sb、sa、s0，一个周期t内其矢量导通顺序及各相导通关系如图3-2，其中t0为零矢量导通时间，t1为空间电压矢量u1 (100)的导通时间，t2为空间电压矢量u2 (110)的导通时间，且t = t0 +t1 +t2。同理可以得到其余各扇区的矢量合成。图3-2对称规则采样svm波形图3.2 svm-dtc的实现如果已知合成目标空间电压矢量uout或者是其在、坐标系下的分量、就可以计算出两个空间电压矢量所作用的时间t1和t2，就可以方便地实现空间矢量调制直接转矩数字控制系统。图3-3为永磁同步电机的svm-dtc系统，该系统采用定子磁链和转矩误差的电压矢量法，基本思想是：根据定子磁链与转矩的误差实时地控制定子磁链的幅值和将转矩保持在一定的容差带内。据此，可以使用两个pi控制器来调整定子磁链的幅值和转矩，以获得合成目标空间电压矢量uout。从而实现永磁同步电机的svm-dtc控制。图3-3 永磁同步电机的svm-dtc系统4 永磁同步电机直接转矩控制性能仿真研究4.1 永磁同步电机直接转矩控制仿真模型在matlab环境下建立永磁同步电机直接转矩控制仿真模型，如图4-1所示。仿真模型中包括永磁电机本体模块、逆变器、开关表、坐标变换、磁链的估算、转矩的估算、转矩的给定，涵盖了传统dtc控制的各组成部分。电机参数为：极对数np =12、直轴电感ld = 0.0011h、交轴电感lq = 0.0013h、永磁体磁势= 0.108wb、定子电阻rs = 0.015、转动惯量j = 25kg.m2。初始加负载为= 0 n.m，额定功率p = 250kw。图 4-1 永磁同步电机直接转矩控制仿真模型4.2 永磁同步电机svm-dtc仿真模型在整个仿真模型中，永磁电机部分和逆变器部分并不涉及到控制方法，在采用不同的控制方法时，只需改动开关表部分、去掉滞换环比较器、改变控制策略即可实现永磁同步电机的空间电压矢量调制直接转矩控制（svm-dtc）。搭建永磁同步电机svm-dtc仿真模型如图4-2所示。图 4-2 永磁同步电机svm-dtc仿真模型4.3 恒转矩控制方式仿真对转鼓实验台的恒转矩控制方式首先采用图4-1的直接转矩控制仿真模型进行仿真研究。给定恒定转矩为4800n，运行时间为0.6s，图4-3是永磁同步电机直接转矩控制的转矩响应曲线。当在0.29s时加入200nm的干扰，干扰持续时间0.01s，其响应曲线如图4-4所示。可以看出，系统稳定时间为0.02秒，响应迅速，超调量很小，但是转矩有脉动较为严重，系统鲁棒性下降。（a）转矩变化原图 （b）转矩变化10倍放大图图4-3 转矩变化曲线（a）转矩变化原图(b)转矩变化10倍放大图图4-4 转矩变化曲线在转鼓实验台的恒转矩工况控制仿真中，采用图4-2的空间电压矢量调制直接转矩控制（svm-dtc）仿真模型进行仿真研究，并更新svm-dtc系统的开关表。给定恒定转矩为4800n，运行时间为0.6s，转矩仿真曲线如图4-5所示。可以看出，系统稳定时间为0.02秒，系统响应迅速，转矩脉动在0.04%的范围内。在0.29s时加入200nm，持续时间为0.01s的干扰，其转矩响应曲线如图4-6所示，系统受到干扰后能迅速恢复到稳定状态。由此可以看出，空间电压矢量直接转矩控制的动态性能优于直接转矩控制，转矩脉动有明显下降，对外界干扰有一定的抵抗能力，系统鲁棒性明显增强。(a) 转矩变化原图（b）转矩变化10倍放大图图4-5 转矩变化曲线 （a）转矩变化原图（b）转矩变化10倍放大图图4-6 有干扰时转矩变化曲线5 永磁同步电机直接转矩控制仿真5.1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。图5-1 永磁同步电机直接转矩控制仿真模型直接转矩控制模块主要由a-b-c坐标系与-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 定子电流转换模块如图5-2所示，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-坐标系下的定子电流。 定子电压转换模块图5-3 定子电压模块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-坐标系下的定子电流。电磁转矩计算模块图5-4 电磁转矩计算模块 如图5-4所示，此模块的主要功能是把测出定子电流的轴的分量和轴以及定子磁链的轴的分量和轴，求得电磁转矩。5.2 仿真结果分析 simulink仿真过程中，永磁同步电机参数如下： 定子电阻3,定子电感0.168h,电机磁极数2 。图5-5 定子磁链圆定子磁链圆，如图5-5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5-6 永磁同步电机转速波形 如图5-6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。如图5-7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 图5-7 电磁转矩仿真波形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5-8 定子电流仿真波形图5-8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。6 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