永磁同步电机直接转矩控制系统的设计

毕业设计题目：永磁同步电机直接转矩控制系统的设计系：电气与信息工程系专业：自动化班级：0201学号：0201110128学生姓名：导师姓名：完成日期：2006年6月诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计〔论文〕是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计〔论文〕中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计〔论文〕中的所有内容均真实、可信。作者签名：日期：年月日毕业设计〔论文〕任务书题目：永磁同步电机直接转矩控制系统的设计姓名娄晶系别电气与信息工程系专业自动化班级0201学号0201110128指导老师唐勇奇职称副教授教研室主任根本任务及要求：本系统以永磁同步电动机作为被控对象，针对永磁同步电机的特点，研究直接转矩控制方法，并设计以DSP为控制核心的硬件电路，软硬件设计包括：被控对象同步电动机模型的建立、控制方法研究、主电路设计、控制电路设计、控制系统程序设计、系统控制效果仿真等。进度安排及完成时间：第一周至第三周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。第三周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务，确定个人研究重点，做好选题报告。第四周至第五周：根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，根据对象特性进行各种控制方法的研究，并设计硬件总体模块图及软件模块图。第六周至第十二周：完成系统的控制方法研究，软、硬件设计。第十三周至第十四周：系统仿真及调试。第十五周至第十六周：整理资料，完成毕业论文编写，进行毕业辩论。目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1课题研究的背景11.2本课题的主要研究工作5第2章永磁同步电动机的数学模型62.1永磁同步电机的分类和结构62.2永磁同步电机数学模型的建立62.2.1坐标系的定义62.2.2三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)72.2.3两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r)92.3两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换〔2t-2s〕102.4永磁同步电机的数学模型102.4.1永磁同步电机在ABC坐标系上的数学模型112.4.2永磁同步电机在坐标系上的数学模型112.4.3永磁同步电机在坐标系上的数学模型122.5本章小结13第3章永磁同步电机直接转矩控制系统的研究143.1电压空间矢量根本原理143.1.1电压空间矢量143.1.2电压空间矢量的选择及零电压矢量应用163.2直接转矩控制系统原理和控制规律183.2.1直接转矩控制的开展及特点183.2.2直接转矩控制系统的原理193.2.3直接转矩控制系统的控制规律203.3永磁同步电机的直接转矩控制策略原理及其系统结构213.3.1永磁同步电机直接转矩控制策略原理213.3.2永磁同步电机的直接转矩控制系统结构243.4本章小结24第4章系统的硬件设计254.1主控制芯片TMS320LF2407DSP的介绍254.2系统的主电路的设计284.2.1系统的总体框图284.2.2系统的主电路设计294.3系统的控制电路的设计314.3.1系统的检测电路的设计324.3.2系统的保护电路的设计364.4本章小结37第5章系统的软件设计395.1集成开发介绍环境的395.2系统的软件设计总体结构395.3系统的主程序模块的设计405.4系统的中断程序模块的设计415.4.1A/D转换子程序的设计425.4.2SVPWM子程序设计435.5系统的故障中断程序的设计465.6本章小结47结束语48参考文献50致谢52附录53永磁同步电机直接转矩控制系统的设计摘要：直接转矩控制策略直接对电机定子磁链和转矩进行控制，解决了交流电机矢量控制策略存在的转子磁场定向解耦控制复杂性问题，已成功应用于高性能异步电机交流调速系统中。随着直接转矩控制在永磁同步电机(PMSM)中的理论根底的解决，永磁同步电机直接转矩控制策略受到了越来越多的关注。本设计也将在这方面进行一些研究和探讨。本设计从永磁同步电机数学模型出发，论述了永磁同步电机的直接转矩控制策略的根本理论，推导出了传统直接转矩控制策略的空间电压矢量开关表；并根据理论分析，引入了零电压矢量参与控制，可以使得电机在控制过程中保持转矩根本不变，从而可以降低逆变器的开关频率，在不减小控制周期的情况下减小电机的转矩脉动，提高系统的控制品质。本设计在完成理论推导根底上，对控制系统进行了基于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407的软硬件设计，构建了一个永磁同步电机直接转矩控制系统。硬件设计主要包括主电路、检测电路、保护电路和控制电路等。其中检测电路包括了直流母线电压检测、电流检测和转速检测；保护电路包括启动限流保护、过流保护和IPM故障保护等。软件设计主要是在软件中实现DTC控制策略。本设计分别完成了软硬件的调试，在软件中实现了DTC控制策略。关键字：永磁同步电机；直接转矩控制；空间电压矢量；数字信号处理器DesignforDirectTorqueControlSystemofPermanentMagnetSynchronousMotorAbstract:Thedirecttorquecontrolstrategywhichdirectstocontrolthemotor’sstatorlinkageandtorque,resolvingtheproblemthatthecomplexityofthedecoupledcontrolforthedirectionalrotormagneticfiledexsitedinthealternatingcurrent(AC)motor’svectorcontrol(VC)strategy,hasbeenappliedsuccessfullytoahighqualifiedcontrolsystemofinductionmotor’sACspeedgovernor.Withthedevelopmentofdirecttorquecontrol(DTC)controltheoryandtheestablishmentofitsfundamentaltheoryinpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM),DTCstrategyofPMSMhasdrawnconsiderableattention.ThispaperisalsoconcernedwiththeDTCcontroltheory,andsomeimprovementhasbeenmade.BasedonthePMSMmathematicalmodel,thediscussionoffirndamentaltheoryinDTCofPMSMisaddressed.AfterthattheclassicalDTCspacevoltagevectorswitchstatelookuptableisderived.Onthebasisoftheoreticanalysis,thezerovoltagevectorisintroducedintothecontrolstrategy,whichcankeepthetorqueremainandreducetheswitchingfrequency,andcandecreasemotortorquerippleunderthesituationofnotreducethecontrolperiod.thevectorwillimprovethesystemperformance.Onthebasisoftheoreticanalysis,thehardwareandsoftwarearedesignedbythedigitalsignalprocessor(DSP)TMS320LF2407.Furthermore,thedirecttorquecontrolsystemofpermanentmagnetsynchronousmotorsystemisdesigned.Thehardwaredesignofthispaperincludesdesignofmaincircuit,measurementcircuits,protectioncircuits,andcontrolcircuits.ThemeasurementcircuitsincludeDClinevoltagemeasurement,currentmeasurement,andspeedmeasurement.Theprotectioncircuitsincludestartupunderlimitedcurrentprotection,over-currentprotection,andIPMfaultprotection.ThesoftwaredesignofthispapermainlycarriesouttheDTCstrategyinthesoftware.ThedebuggingofhardwareandsoftwareiscompletedinthispaperandtheDTCstrategyiscarriedoutinthesoftwar.Keywords:permanentmagnetsynchronous;motordirecttorquecontrolspace;voltagevector;digitalsignalprocessor第1章绪论1.1课题研究的背景电动机是电能向机械能转换的能量载体。在工业、农业、交通运输以及日常生活中广泛地应用着电机传动。其中对很多机械有调速的要求，一方面是为了满足运行、生产和工艺的要求，从而提高生产效率，保证产品质量；另一方面是为了减少运行损耗、节约能量。由此产生了电机调速技术即电气传动技术，它可分为直流电气传动和交流电气传动两大类[3]。与直流电动机相比交流电动机尤其是鼠笼异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠和效率较高等优点，但很长一段时期内其调速性能却无法和直接调速系统相媲美，其根本原因是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此在20世纪的大局部年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动那么采用交流电动机。20世纪70年矢量控制技术的提出及实用化，使得交流调速系统的性能和直流系统调速相媲美，从而使交流调速技术发生了质的飞跃。在矢量控制之后又提出了磁场定向控制、自适应控制、非线性控制、直接转矩控制和智能控制等先进控制策略，推动了交流电气传动技术不断地向前开展。随着科学技术的不断进步，电力电子学、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理(DSP)、传感器技术、计算机技术和网络技术等技术的开展为交流电气传动技术开展提供硬件保障；仿真软件(如MATLAB)和计算机辅助设计(CAD)的出现使高效、快捷地仿真和分析成为可能；控制理论的开展是先进交流调速控制策略的涌现提供了理论依据。今天，交流电气传动技术已开展成为多门新技术、多门新学科相交叉的新兴学科。由于控制简单，长期以来在要求较高的场合，直流电机一直占主导地位。但它存在一些固有的缺点，例如电刷、换向器易损耗，需要经常维护，换向器会产生火花，限制了电机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作场合。而交流电机特别是感应电机那么没有上述缺点和限制，转子惯量较小，动态响应更好。一般而言，同样体积的交流电机的输出功率比直流电机提高10-70%,此外，交流电机容量可以制造得更大，到达更高的转速和电压。交流电机虽然结构较简单，其控制却比拟复杂。交流异步电机价格廉价，运行可靠，但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，且需要吸收滞后的励磁电流，功率因数和效率都较低。相比拟而言，永磁同步电机具有以下优点[3]：…………….20世纪70年代出现的微处理器(Micro-processor)使得计算机在自动控制系统中发挥了极为重要的作用，微处理器即计算机的中央处理单元(CPU)和控制单元的集成，它配上一定的存储器、I/O接口和其它外设，就可构成自动控制系统的通用控制器。正是由于单片机的出现，计算机在控制领域的应用得到了一次突破，单片机不但小巧、本钱低，而且由于众多设备集成到了一块芯片上带来了功耗小和抗干扰能力强的优点。另外它可以方便地组成各种智能式控制设备和仪器，做到机电仪一体化:也可以方便地实现多机和分布式控制，使得整个控制系统的效率和可靠性大为提高。单片机有许多类型，其中Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的68系列和Zilog公司的Z8系列为大家所知。单片机自问世以来，得到了飞速的开展，以Intel公司为例，早期推出MCS-48系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的MCS-51系列所取代。MCS-51系列单片机功能较强，寻址范围到达64K,有多级中断处理系统，片内带有串行I/O口，16位定时计数器，这些性能根本能够满足一般控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。虽然MCS-51单片机目前应用得最为广泛，但在一些比拟复杂的控制系统中，它就显得有些力不从心，不得不让位于16位单片机。MCS系列16位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特别是在其CPU中不采用常规的累加器结构，改用存放器一存放器结构，CPU操作直接面向256字节存放器，消除一般CPU结构中存在的累加器瓶颈效应；尤其是80C196MC型内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特别适用于变频调速电机控制系统。虽然此类单片机性能优越，但当用于进行大量数据处理或浮点运算时那么略有逊色。DSP那么是近年来出现的一种高速专用的微处理器，其主要特点是采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器；并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算[7]。片内还集成了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，并且它有完整的开发和调试工具，开发周期短，使得DSP在控制领域的应用倍受关注。二十世纪九十年代后期，国外公司推出了专用于电机控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、AnalogDevices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP内核根底上，增加了带死区功能的三相PWM发生器、光电编码器输入接口、丰富的I/O和中断资源，为全数字化交流电机控制系统提供了功能强大的控制器。控制策略和方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前通用变频器输出电压在380-650V,输出功率在，工作频率在0-400Hz，它的主电路采用交一直一交电路。变频器控制方式主要经历以下几种方式。〔1〕恒压频比控制方式：它根据异步电机等效电路确定的线性进行变频调速。其特点是:控制电路结构简单、本钱较低。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。〔2〕矢量控制方式〔VC控制〕：交流传动控制理论及实践终于在70年代取得了突破性的进展，即出现了矢量控制技术。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机[4]。矢量控制的控制方法实现了异步电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。然而，在实际系统中，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果不如理论分析的好。这是矢量控制技术在实践上的缺乏之处。交流传动领域的专家学者也都针对矢量控制上的缺陷做过许多研究，诸如进行参数辨识(或补偿)以及使用状态观测器等现代控制理论，但是这些方案的引入使系统更加复杂，控制的实时性和可靠性降低了[6]。〔3〕直接转矩控制方式〔DTC控制〕：其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。其优点是：对转矩直接控制，动态性能好。直接转矩控制技术是继矢量控制技术(1974年)之后开展起来的又一种高性能的新型交流变频调速技术。1985年，德国学者M.Depenbrock教授首次提出直接转矩控制的理论，随后日本学者I.Takahashi教授也提出了类似控制方案，并取得了令人振奋的控制效果[15]。尽管推导的方法和实现的手段有所不同，但他们的根本思想是一致的。即跳出了交流传动技术研究的传统思维模式，不去考虑如何去解耦，将定子电流分解成为励磁电流分量和转矩电流分流量。直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。通过检测得到的定子电压和电流，采用定子磁场定向，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的快速响应，以获得高效的控制性能。直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普遍的关注。与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点。1.2本课题的主要研究工作〔1〕对直接转矩控制根本原理及方法进行研究，建立基于DSP的永磁同步电机直接转矩控制系统。〔2〕分析了直接转矩控制中转矩脉动的因素，提出零电压矢量使用的方法，有效地减小了永磁同步电机直接转矩控制中的转矩脉动。〔3〕研究TI公司的电机控制专用数字信号处理器TMS320LF2407，设计出以此种DSP为控制核心，以IPM作为功率器件的变频调速系统。〔4〕采用TMS320F240汇编指令编写系统控制软件，实现永磁同步电机的直接转矩控制算法。第2章永磁同步电动机的数学模型本章将首先从转子结构的角度对PMSM进行分类，然后在不同的坐标系中建立PMSM的数学模型，在此根底上对PMSM的DTC控制原理进行介绍，最后给出两种情况下空间电压矢量开关表。2.1永磁同步电机的分类和结构常见的永磁同步电机〔PMSM〕按转子结构来分，可以分为外表贴装式PMSM(SurfacePMSM)和内嵌式IPMSM(InteriorPMSM)。其中IPMSM又分为嵌入式PPMSM和内埋式PPMSM[2]。其特点如表2.1所示。SPMSM实质上属于隐极式同步电机，永久磁铁安装在转子外表，体积较小，惯性也较小，转矩特性的线性度比拟好。由于构造的原因，当电机运行在高速区时，离心力比拟大，因此永久磁铁需要设置固定的保护环。IPMSM实质上属于凸极式同步电机，由于永久磁铁埋于转子内部，因离心力而使磁铁飞出的问题也没有SPMSM严重。嵌入式IPMSM的凸极特性小，也有比拟好的线性转矩。内埋式PPMSM那么具有比拟明显的凸极特性，因此其转矩线性度比拟差，但其磁阻效应可以用来提高电机效率和改善调速特性[1]。2.2永磁同步电机数学模型的建立2.2.1坐标系的定义坐标系在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。1.三相定子坐标系(ABC坐标系)PMSM的定子中有三相绕组，其轴线分别为A,B,C，且彼此间互差1200的空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标系定义如图2.1所示。三相定子坐标系2.定子静止直角坐标系(坐标系)为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即坐标系(图2.2)，其α轴与A轴重合，轴超前β轴900。如果在轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与两相绕组产生的一样。因此可以将两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而到达简化运算的目的。图2.2定子静止坐标系3.转子旋转直角坐标系(dq坐标系)转子旋转坐标系固定在转子上(图2.3)，其d轴位于转子轴线上，q轴超前d轴900，空间坐标以d轴与参考坐标轴之间的电角度确定。该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步旋转坐标系。定子静止坐标系与转子旋转坐标系4.定子旋转直角坐标系(xy坐标系)xy坐标系为随定子磁链旋转的坐标系(图2.4)，定子磁链的方向为x轴的正方向，Y轴超前x轴。同时，定义x轴与d轴的夹角为转矩角，x轴超前d轴时转矩角为正。2.2.2三相定子坐标系与两相定子坐标系变换(3s-2s)两个坐标系，为了方便起见，取A轴与α轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N3，两相绕组每相有效匝数为N2，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，那么两套绕组瞬时磁动势在α，β轴上的投影也相图2.4定子坐标系和转子坐标系等，即写成矩阵形式得：()考虑变换前后总功率不便，在此前提下，可以证明，匝数比应为()代入式〔2.1〕得()令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，那么()如果三相绕组是Y型联结不带零线，那么有]，代入式〔2.3〕和式〔2.4〕并整理后得:()按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵[1]。2.2.3两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s-2r)图2.3是两相坐标系到两相旋转坐标系的变换，简称2s-2r变换，其中s表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，如图2-4所示。两相交流电流、和两个直流电流、产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势。由于个绕组匝数都相等，可以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示。在图2.3中，d、q轴和矢量〔〕都以转速旋转，分量、的长短不便，相当于d、q绕组的直流磁动势。但、轴是静止的，轴与d轴的夹角随时间而变化，因此在、轴上的分量、的长短也随时间变化，相当于、绕组交流磁动势的瞬时值。由图可见，、和、之间存在以下关系图2.5两相静止和旋转坐标系与磁动势〔电流〕空间矢量写成矩阵形式，得()式中(2.7)是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵。对式〔2.6〕两边都左乘以变换阵的逆矩阵，得()那么两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是:(2.9)电压和磁链的旋转变换阵也与电流〔磁动势〕旋转变换阵相同。2.3两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换〔2t-2s〕分别定义，dq坐标系是建立在转子上的旋转坐标，xy坐标系是建立在定子上的旋转坐标系，定子磁链的方向为x轴的正向，x轴与d轴的夹角为转矩角，、为xy坐标系到dq坐标系和dq坐标系到xy坐标系的变换阵，由图2.4可知：(2.10)(2.11)其中为x轴与d轴的夹角，即转矩角。2.4永磁同步电机的数学模型当永磁同步电机的定子通入三相交流电流工时，三相电流在定子绕组电阻上产生电压降。由三相交流电流产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应电动势，另一方面以电磁力拖动着转子以同步转速旋转。电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势。此外转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势。为了简化分析过程，在建立数学模型时常忽略一些影响较小的参数，作如下假设：〔1〕忽略铁芯饱和；〔2〕定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆是按正弦分布的，即略去磁场中的所有空间谐波；〔3〕各相绕组对称，即各相绕组匝数和电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度；〔4〕不计涡流和磁滞的影响。PMSM的定子和普通三相同步电机的定子是相似的，如果永磁体产生的感应电动势〔反电动势〕与励磁线圈产生的感应电动势一样也是正弦的，那么PMSM的数学模型就与电励磁同步电机根本相同[3]。在以上假设的根底上，建立PMSM在不同坐标系下的数学模型。2.4.1永磁同步电机在ABC坐标系上的数学模型对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下，其电压矢量和磁链矢量可以表示为：(2.12)(2.13)其中：为定子电压矢量，和，分别表示定子电阻和定子电感，和分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，表示定子电流。根据式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下：(2.14)其中为、、各相绕组端电压，、、为各相绕组电流，、、为转子磁场在定子绕组中产生的交链，为微分算子。由于假设转子磁链在气隙中呈正弦分布，根据图2.1及图2.2可知：(2.15)另外，对于星形接法的三相绕组，根据基尔霍夫〔Kirchhoff〕定律有()联合式〔2.14〕、式〔2.15〕和式〔2.16〕整理可以得到：()2.4.2永磁同步电机在坐标系上的数学模型根据坐标变换理论，对用此同步电机在ABC坐标系下的数学模型进行3s-2s的坐标变换，就可以得到在αβ坐标系下的数学模型。式(2.5)为电流方程：()由式〔2.4〕、〔2.5〕和〔2.17〕可得电压方程()其中、分别为定子电压在轴上的的分量,、为在轴上的电感分量，其中，为转子磁链在定子侧的耦合磁链，为转子角速度。2.4.3永磁同步电机在坐标系上的数学模型在坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，对于分析永磁同步电机控制过程系统的稳态和动态性能都十分方便。对永磁同步电机在坐标系的数学模型进行2s-2r坐标变换，就可以获得永磁同步电机在坐标系下的数学模型。由式(2.5)和式(2.8)得到永磁同步电机在dq坐标系下的电流方程：()其中、分别为定子电流在dq坐标系下的分量，结合式(2.16)整理得()永磁同步电机在dq坐标系上的磁链方程为：())()电压方程为：()()()转矩方程为：()运动方程为：()其中为转动惯量，为转矩负载。其中、、、、、、、分别是定子绕组、轴的磁链、电压、电流和电感，、、为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；为转子磁链在定子侧的耦合磁链；、为电机极对数、电磁转矩和角频率，为微分算子。以上即是永磁同步电机在同步旋转坐标轴系下的数学模型。2.5本章小结本章节对永磁同步电机的分类、结构及特点进行了分析，给出了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，最后给出了其运动方程。为后续章节研究永磁同步电机直接转矩控制技术奠定了理论根底。第3章永磁同步电机直接转矩控制系统的研究永磁同步电机直接转矩控制系统，是根据磁链状态、转矩状态及磁链所在扇区这几个条件从六个(或八个)电压矢量中选择一个最正确矢量，使电机按照给定的指标运行。本章主要内容是基于永磁同步电机，介绍电压空间矢量以及直接转矩的根本理论，并建立永磁同步电机直接转矩控制系统的结构框图。3.1电压空间矢量根本原理电压空间矢量法(SVPWM)是从电动机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器(原理图见图3.1)不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而到达较高的控制性能。电压空间矢量法与传统的SPWM法相比，不但可以减少转矩脉动和铁损耗，而且可以提高电源的利用率。电压空间矢量直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生开关信号，直接对逆变器的开关状态进行电压空间是量的最正确控制，以获得转矩的高动态性能。图3.1理想逆压器如图3.1所示，图中、、分别用来表示桥臂a、b、c中同一桥臂上的两个开关器件的状态。当某相开关信号S为1，表示该相的上桥臂接通，为0那么表示该相的下桥臂接通。由此可以分析出此电路中共有八个电压矢量，其中包括六个有效电压矢量和两个零电压矢量，如图3.2所示。六个有效电压矢量为(100),(110),(010),(011),(001),(101)，两个零电压矢量为(000)和(111)。关于逆变器电压状态的表示于开关的对照关系见表3.1。表3.1中的电压状态的各种表示法。逆变器的七个电压状态，用空间电压矢量Us(t)图3.2空间电压矢量图来表示，那么形成7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔600，6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量的顺序正是从状态“1”到状态“6”逆变针旋转。零电压矢量那么位于六边形的中心。表3.1逆变器的电压状态与开关状态对照关系状态工作状态零状态12345678开关状态011001101100110010000111电压状态表示一us(t)Us(011)Us(001)Us(101)Us(100)Us(110)Us(010)Us(000)Us(111)表示二us(t)Us1Us2Us3Us4Us5Us6Us7表示三us(t)1234567设电机A相相电压单独作用时形成的电压空间矢量位于ABC坐标系中的A轴上，那么不同开关状态下逆变器输出电压空间矢量可以表示如下：()其中为直流侧母线电压。另外，在不同的电压矢量开关状态下，由图3.1得到A、B、C三相相电压可以表示为：()其中、、分别表示A、B、C三相相电压。据PMSM电压与磁链空间矢量的关系式〔即定子电压方程式〕：()图3.3空间矢量划分图可以得到PMSW定子磁链表示为：()由于逆变器的开关频率比拟高，开关间隔时间△t短，因此将式(3.1)代入式(3.4)可得：()从式〔3.5〕可以看出，由于定子电阻较小，在其上的压降可以忽略不计，故磁链矢量的运动轨迹将沿着电压矢量的方向移动，因此，为了控制沿设定轨迹运动，可以通过选择适宜的电压矢量来实现:把电压矢量平面按定子磁链角度0划分为六个区域(如图3.2所示)，如区域表示处于〔〕，在每一个区域，可以选择相邻两个矢量来增加或减小磁链幅值。例如:当磁链矢量在且逆时针旋转时，电压矢量的应用可以增大磁链幅值，而电压矢量的应用那么将减小磁链幅值。在实际控制中，根据磁链所在区域和磁链的旋转方向选择适宜的电压矢量，就可以控制磁链矢量在所需的值上。图3.3中的虚线所示的圆的半径即为设定的磁链幅值的大小，其相邻两圆的间距为磁链冗差。………………….永磁同步电机的直接转矩控制系统的结构方框图如图3.7所示。根据转子磁极的位置信号、定子三相电流和电压经过三相，二相的坐标变换的、、、，通过式〔3.9〕、〔3.10〕求得、，通过式〔3.11〕得到电磁转矩，将电磁转矩与转矩给定、定子磁链与磁链给定分别在转矩、磁链比拟器中进行比拟，用它们的输出值控制逆变器的开关状态选择。3.4本章小结本章主要介绍了永磁同步电机的直接转矩控制系统的根本原理。首先介绍了电压空间矢量根本原理，对电压空间矢量的选择做了详细的说明。随后根据永磁同步电机的特点，分析了直接转矩控制系统的控制规律。最后介绍了系统的控制策略原理，给出了控制系统的结构框图。结束语随着直接转矩控制控制理论的成熟和永磁材料的开展，交流永磁同步电动机调速系统的性能到达甚至超过了直流调速系统，因而成为近年来研究和应用的热点。但是目前国内的交流调速系统产品与国外的产品在技术水平上还有一定的差距，特别是永磁同步电机调速系统，目前国内永磁同步电机直接转矩控制系统的技术，大都还在研究阶段。本文在借鉴国内外电气传动领域研究的最新成果的根底上，对于永磁同步电机直接转矩控制系统从控制理论和系统实现上进行了深入的分析和研究。希望本论文的研究能够对我国永磁同步电机调速系统的开展起到一定的推动作用。本设计在参考大量的国内外文献根底之上，首先扼要地回忆了永磁同步电机及其驱动系统的开展和现状，介绍了与之相关的永磁材料、电力电子技术等方面的开展概况，针对现代交流驱动与伺服系统开展的趋势阐述了研究永磁同步电机转矩直接控制的意义。然后介绍了永磁同步电机数学模型的数学荃础和建立过程，推导了永磁同步电机在定转子坐标系下的电磁转矩方程。阐述了永磁同步电机转矩直接控制的根本理论。紧接着分析了永磁同步电机转矩直接控制结构中各个组成局部的根本原理，其中包括永磁同步电机转矩直接控制的定子磁链估算，永磁同步电机转矩直接控制分区的选择和开关表确实定，永磁同步电机转矩直接控制定子磁链幅值的选择。提出了永磁同步电机转矩直接控制方案。本设计主要完成了以下一些工作：〔1〕介绍了当今交流电机的开展状况以及永磁同步电机调速系统的应用领域，提出采用直接转矩控制策略原理对永磁同步电机控制的思想。〔2〕在不同的坐标系中建立了永磁同步电机的数学模型，并推导出了相互之间的关系；在此根底上，详细阐述了永磁同步电机的直接转矩控制策略的原理，给出了空间电压矢量原理。探讨了在永磁同步电机的直接转矩控制中选择空间电压矢量的两种不同策略。〔3〕分析了直接转矩控制中转矩脉动的因素，提出零电压矢量使用的方法，有效地减小了永磁同步电机直接转矩控制中的转矩脉动。〔4〕有了理论分析的保证，对控制系统进行了基于DSP的硬件设计，硬件设计包括主电路、检测电路和控制保护电路等，并完成了对硬件系统的调试。〔5〕在DSP汇编环境下编写了DTC控制的软件局部，软件中主要包括了磁链转矩计算、扇区选择、SVPWM的实现以及故障中断等各个局部。本设计进一步研究的工作：由于时间的仓促和条件的限制，有很多的工作还没有进一步开展，所以将在以下几个方面是