永磁同步电机直接转矩控制的设计

1、目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358904014 目录 PAGEREF _Toc358904014 h I HYPERLINK l _Toc358904015 摘要 PAGEREF _Toc358904015 h III HYPERLINK l _Toc358904016 Abstract PAGEREF _Toc358904016 h IV HYPERLINK l _Toc358904017 第一章 绪论 PAGEREF _Toc358904017 h 1 HYPERLINK l _Toc358904018 1.1 电机的发展概况 PAGEREF _

2、Toc358904018 h 1 HYPERLINK l _Toc358904019 1.2 永磁电机的主要特点和应用 PAGEREF _Toc358904019 h 1 HYPERLINK l _Toc358904020 1.3 研究的意义 PAGEREF _Toc358904020 h 1 HYPERLINK l _Toc358904021 1.4 相关领域的发展情况 PAGEREF _Toc358904021 h 2 HYPERLINK l _Toc358904022 1.5 研究的主要内容 PAGEREF _Toc358904022 h 3 HYPERLINK l _Toc358904

3、023 第二章 永磁同步电机的结构及特性 PAGEREF _Toc358904023 h 5 HYPERLINK l _Toc358904024 2.1 永磁同步电机的结构 PAGEREF _Toc358904024 h 5 HYPERLINK l _Toc358904025 2.2 永磁电机的工作方式 PAGEREF _Toc358904025 h 7 HYPERLINK l _Toc358904026 2.2.1 直流发电机供电的励磁方式 PAGEREF _Toc358904026 h 7 HYPERLINK l _Toc358904027 2.2.2 交流励磁机供电的励磁方式 PAGER

4、EF _Toc358904027 h 7 HYPERLINK l _Toc358904028 2.2.3 无励磁机的励磁方式 PAGEREF _Toc358904028 h 8 HYPERLINK l _Toc358904029 2.3 有关特性 PAGEREF _Toc358904029 h 8 HYPERLINK l _Toc358904030 2.3.1 电压的调节 PAGEREF _Toc358904030 h 8 HYPERLINK l _Toc358904031 2.3.2 无功功率的调节 PAGEREF _Toc358904031 h 8 HYPERLINK l _Toc3589

5、04032 2.3.3 无功负荷的分配 PAGEREF _Toc358904032 h 8 HYPERLINK l _Toc358904033 2.4 永磁同步电机的数学模型 PAGEREF _Toc358904033 h 8 HYPERLINK l _Toc358904034 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc358904034 h 13 HYPERLINK l _Toc358904035 第三章 直接转矩控制简述 PAGEREF _Toc358904035 h 14 HYPERLINK l _Toc358904036 3.1 直接转矩控制的基本原理 PAGEREF _Toc3589

6、04036 h 14 HYPERLINK l _Toc358904037 3.2 直接转矩控制的发展进程与改进 PAGEREF _Toc358904037 h 14 HYPERLINK l _Toc358904038 3.3 直接转矩控制的发展方向 PAGEREF _Toc358904038 h 16 HYPERLINK l _Toc358904039 3.4 本章小结 PAGEREF _Toc358904039 h 17 HYPERLINK l _Toc358904040 第四章 永磁同步电机直接转矩控制 PAGEREF _Toc358904040 h 18 HYPERLINK l _Toc

7、358904041 4.1 永磁同步电机控制策略分类 PAGEREF _Toc358904041 h 18 HYPERLINK l _Toc358904042 4.1.1 恒压频比控制 PAGEREF _Toc358904042 h 18 HYPERLINK l _Toc358904043 4.1.2 矢量控制 PAGEREF _Toc358904043 h 18 HYPERLINK l _Toc358904044 4.1.3 直接转矩控制 PAGEREF _Toc358904044 h 18 HYPERLINK l _Toc358904045 4.1.4 不依赖对象的数学模型的控制策略 PA

8、GEREF _Toc358904045 h 19 HYPERLINK l _Toc358904046 4.2 永磁同步电机直接转矩控制原理 PAGEREF _Toc358904046 h 19 HYPERLINK l _Toc358904047 4.3 逆变器与开关表 PAGEREF _Toc358904047 h 20 HYPERLINK l _Toc358904048 4.4 定子磁链与电磁转矩的测定 PAGEREF _Toc358904048 h 22 HYPERLINK l _Toc358904049 4.5 本章小结 PAGEREF _Toc358904049 h 24 HYPERL

9、INK l _Toc358904050 第五章 永磁同步电机直接转矩控制仿真 PAGEREF _Toc358904050 h 25 HYPERLINK l _Toc358904051 5.1 仿真软件 PAGEREF _Toc358904051 h 25 HYPERLINK l _Toc358904052 5.2 仿真模型 PAGEREF _Toc358904052 h 25 HYPERLINK l _Toc358904053 5.4 本章小结 PAGEREF _Toc358904053 h 29 HYPERLINK l _Toc358904054 5.3 仿真结果分析 PAGEREF _To

10、c358904054 h 29 HYPERLINK l _Toc358904055 第六章 结论 PAGEREF _Toc358904055 h 33 HYPERLINK l _Toc358904056 参考文献 PAGEREF _Toc358904056 h 34 HYPERLINK l _Toc358904057 致谢 PAGEREF _Toc358904057 h 35摘要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。而另一方面，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。基于这一

11、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。关键词: 直接转矩控制；永磁同步电机；仿真Abst

12、ractPermanent magnet synchronous machine (PMSM) become more and more important for its high reliability and simple structure. on the other hand, Direct torque control (DTC) is used widely recently. It is intuitive and clear, simple and swift and has fast torque respond. In this paper, we focused on

13、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 smu

14、lated 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 th

15、e trend of improvement in the future.Keyword: PMSM , DTC , Simulation第一章 绪论电机是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置。为在电机内建立机电能量转换所必需的气隙磁场，可以有两种办法：一种是在电机绕组内通以电流来产生磁场，例如普通的直流电机和同步电机。这种电励磁的电机既需要有专门的绕组和相应的装置，又需要不断供给能量以维持电流的通过；另一种的磁场是有永磁体产生的。由于永磁体的固有特性，它经过预先磁化（充磁）以后，就能直接在其周围建立磁场而不需要外加能量了。这样既可简化电机结构又可节约能量。这就是永磁电机。1.1 电

16、机的发展概况自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。国民经济的发展、科技的进步和人民生活水平的提高，都对电机的性能提出了许多新的更高的要求。而新材料、特别是高性能稀土永磁材料的问世和不断完善，以及电力电子技术的发展，为满足这些要求提供了可能。1.2 永磁电机的主要特点和应用与传统的电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗少，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的

17、各个领域。1.3 研究的意义 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

18、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

19、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

20、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。1.4 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

21、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

22、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：1) 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。2) 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

23、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

24、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。1.5 研究的主要内容本文主要对永磁同步电机的设计并着重于直接转矩控制这一课题进行研究。第二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。第三章主要介绍直接转矩控制的原理和发展趋势。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

25、进行归纳，最后的得出本文的结论。 第二章 永磁同步电机的结构及特性永磁同步电机的结构特点：永磁式同步电机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；但它与异步电机相比，也有成本高、起动困难等缺点。和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。2.1 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

26、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

27、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

28、：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

29、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

30、，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

31、，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

32、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。2.2 永磁电机的工作方式2.2.1 直流发电机供电的励磁方

33、式这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机，这种专用的直流发电机称为直流励磁机，励磁机一般与发电机同轴，发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立，工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点，是过去几十年间发电机主要励磁方式，具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢，维护工作量大，故在10MW以上的机组中很少采用。2.2.2 交流励磁机供电的励磁方式现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上，它输出的交流电流经整流后供给发电机转子励磁，此时，发电机的励磁方式属他励磁方式，又由于采用静止的整流装置，故又称为他励

34、静止励磁，交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度，交流励磁机通常采用100200HZ的中频发电机，而交流副励磁机则采用400500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内，转子只有齿与槽而没有绕组，像个齿轮，因此，它没有电刷，滑环等转动接触部件，具有工作可靠，结构简单，制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大，交流电势的谐波分量也较大。2.2.3 无励磁机的励磁方式在励磁方式中不设置专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁，称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励

35、和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流，经整流后供给发电机励磁，这种励磁方式具有结简单，设备少，投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外，还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时，给发电机提供较大的励磁电流，以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源，通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。2.3 有关特性2.3.1 电压的调节自动调节励磁系统可以看成为一个以电压为被调量的负反馈控制系统。无功负荷电流是造成发电机端电压下降的主要原因，当励磁电流不变时，发电机的端电压将随无功电流

36、的增大而降低。但是为了满足用户对电能质量的要求，发电机的端电压应基本保持不变，实现这一要求的办法是随无功电流的变化调节发电机的励磁电流。2.3.2 无功功率的调节发电机与系统并联运行时，可以认为是与无限大容量电源的母线运行，要改变发电机励磁电流，感应电势和定子电流也跟着变化，此时发电机的无功电流也跟着变化。当发电机与无限大容量系统并联运行时，为了改变发电机的无功功率，必须调节发电机的励磁电流。此时改变的发电机励磁电流并不是通常所说的“调压”，而是只是改变了送入系统的无功功率。2.3.3 无功负荷的分配并联运行的发电机根据各自的额定容量，按比例进行无功电流的分配。大容量发电机应负担较多无功负荷，

37、而容量较小的则负提供较少的无功负荷。为了实现无功负荷能自动分配，可以通过自动高压调节的励磁装置，改变发电机励磁电流维持其端电压不变，还可对发电机电压调节特性的倾斜度进行调整，以实现并联运行发电机无功负荷的合理分配。2.4 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

38、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

39、。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： （2-1） (2-2)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： (2-3)、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： (2-4)、分变为三相各自的自感系数， 和为a、b相之间

40、的互感系数，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。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。-坐标系中永磁同步电机的数学模型，如下图：图2.1 -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

41、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，且轴与a轴重合。经过变换，可得出在-坐标系永磁同步电机的状态方程。电压方程的矩阵形式： (2-5)、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：， (2-6)、为-坐标系中的定子磁链，P为磁极数，为电磁转矩。d-q坐标系中永磁同步电机的数学模型，如下图：图2.2 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-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

42、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： (2-7)、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坐标系中的定子磁链。磁链方程的矩阵形式： (2-8)、为d-q坐标系中的定子电感，为转子磁链。转矩方程： (2-9)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： (2-10) (2-11)、为d-q坐标系中的磁动势，、为

43、M-T坐标系中磁动势，为定子磁链与转子磁链的夹角。磁链方程的矩阵形式：(2-12)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： (2-13)转矩方程： (2-14)整理得： (2-15)2.5 本章小结本章主要介绍了永磁同步电机的分类、结构特点、工作方式以及它的数学模型。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。并且主要介绍的发电机的三种励磁方式：直流发电机供电的励磁方式、交流励磁机供电的励磁方式、无励磁机的励磁方式。展示了永磁同步电机在a-b-c坐标系，-坐标系，d-q坐标系和M-T坐标系下的数学模型，主要

44、包括电压、磁链和转矩的方程。通过这些理论基础，为后续章节打下了基础。第三章 直接转矩控制简述 3.1 直接转矩控制的基本原理直接转矩控制是以转矩为中心来进行综合控制，不仅控制转矩，也用于磁链量的控制和磁链自控制。直接转矩控制与矢量控制的区别是，它不是通过控制电流、磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量控制，其实质是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能。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

45、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

46、。3.2 直接转矩控制的发展进程与改进直接转矩控制技术用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制电动机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生PWM 波信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它省去了复杂的矢量变换与电动机的数学模型简化处理，没有通常的PWM 信号发生器。它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念明确。直接转矩控制也具有明显的缺点即：转矩和磁链脉动。针对其不足之处，现在的直接转矩控制技术相对于早期的直接转矩控制技术有了很大的改进，主要体现在以下几个方面：无速度传感器直接转矩控制系统的研究在实际应用中，安装速度传

47、感器会增加系统成本，增加了系统的复杂性，降低系统的稳定性和可靠性，此外，速度传感器不实用于潮湿、粉尘等恶劣的环境下。因此，无速度传感器的研究便成了交流传动系统中的一个重要的研究方向，且取得了一定的成果。对转子速度估计的方法有很多，常用的有卡尔曼滤波器法、位置估计法、模型参考自适应法、磁链位置估计法、状态观测器位置估计法和检测电机相电感变化法等。有的学者从模型参考自适应理论出发，利用转子磁链方程构造了无速度传感器直接转矩控制系统，只要选择适当的参数自适应律，速度辨识器就可以比较准确地辨识出电机速度。（2）定子电阻变化的影响直接转矩最核心的问题之一是定子磁链观测，而定子磁链的观测要用到定子电阻。采

48、用简单的u-i 磁链模型，在中高速区，定子电阻的变化可以忽略不考虑，应用磁链的u-i 磁链模型可以获得令人满意的效果；但在低速时定子电阻的变化将影响磁通发生畸变，使系统性能变差。因此，如果能够对定子电阻进行在线辨识，就可以从根本上消除定子电阻变化带来的影响。目前，常用的方法有参考模型自适应法、卡尔曼滤波法、神经网络以及模糊理论构造在线观测器的方法对定子电阻进行补偿，研究结果表明，在线辨识是一个有效的方法。（3）磁链和转矩滞环的改进传统的直接转矩控制一般对转矩和磁链采用单滞环控制，根据滞环输出的结果来确定电压矢量。因为不同的电压矢量对转矩和定子磁链的调节作用不相同，所以只有根据当前转矩和磁链的实

49、时值来合理的选择电压矢量，才能有可能使转矩和磁链的调节过程达到比较理想的状态。显然，转矩和磁链的偏差区分的越细，电压矢量的选择就越精确，控制性能也就越好。（4）死区效应的解决为了避免上下桥臂同时导通造成直流侧短路，有必要引入足够大的互锁延时，结果带来了死区效应。死区效应积累的误差使逆变器输出电压失真，于是又产生电流失真，加剧转矩脉动和系统运行不稳定等问题，在低频低压时，问题更严重，还会引起转矩脉动。死区效应的校正，可由补偿电路检测并记录死区时间，进行补偿。这样既增加了成本，又降低了系统的可靠性。可用软件实现的方法，即计算出所有的失真电压，根据电流方向制成补偿电压指令表，再用前向反馈的方式补偿，

50、这种新型方案还消除了零电压箝位现象。除了以上几种最主要的方面外，一些学者还通过其他途径试图提高系统的性能。3.3 直接转矩控制的发展方向1)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

51、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s 、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

52、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

53、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。3.4 本章小结本章主要介绍了直接转矩控制的基本原理、主要特征、发展过程和未来的方向。通过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

54、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。第四章 永磁同步电机直接转矩控制4.1 永磁同步电机控制策略分类任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电动机的转矩控制性能较差。经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、不依赖对象的数学模型的控制策略等方案。4.1.1 恒压频比控制恒压频比控制是一种开环控制。它根据系统的给定，利

55、用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压uout进行控制，使电动机以一定的转速运转。在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电动机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电动机的动态数学模型。永磁同步电动机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有与id或iq的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对和id，iq解耦。近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电动机的非线性特性。4.1.2 矢量控制矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电

56、流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。4.1.3 直接转矩控制直接转矩控制（direct torque control，简称DTC），年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本的Ta

57、kahashi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。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。4.1.4 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

58、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。4.2 永磁同步电机直接转矩控制原理从式(2-15)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

59、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

60、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。图4.1 是永磁同步电机直接转矩控制的基本原理图通过原理图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