永磁同步电机直接转矩控制策略及仿真研究11000字

I 1.1课题背景及选题意义 1.2国内外研究现状 1.3本文的主要研究内容 2永磁同步电机的工作原理和数学模型 2.1永磁同步电机的结构 2.2永磁同步电机的控制方法 2.3永磁同步电机的数学模型(自然坐标系下) 2.3.2永磁同步电机的磁链方程 2.4永磁同步电机的数学模型(两相静止坐标系下) 2.5永磁同步电机的数学模型(旋转坐标系下) 3永磁同步电机的直接转矩控制 3.1永磁同步电机的直接转矩控制 3.3直接转矩控制的控制方式 3.4直接转矩控制的控制特点 4永磁同步电机直接转矩控制的仿真研究 4.1仿真模型的建立 4.2仿真设置 4.3实验结果分析 永磁同步电机出现于20世纪50年代，它的运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁替代激磁绕组激磁使得电机结构简单。永磁同步电机省略了普通同步电机所特有的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于永磁体激磁，无须激磁电流，因而提高了电机的效率和功率因数。普通同步电机调节励磁电流的大小可以人为地改变励磁磁势的大小。永磁同步电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源，它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化，无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁体作为磁路的一部分，由于磁铁的磁导率低，对电枢反应磁场起削弱作用，使得永磁同步电机的直轴电枢反应电抗比交轴反应电抗小得多。人们普遍认为永磁同步电机存在着无异步起动能力和重载时有振荡失步的危险。永磁同步电机起动时，虽然定子绕组中通以交变电流并建立旋转的定子磁场，旋转的定子磁场在永磁体磁极中产生相互作用，由于其转子惯性较大，使得电机无法获得足够的起动力矩。永磁同步电机以某一频率旋转时，负载的变化只是改变了定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角，此时电机仍保持同步转速旋转，当定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角，此时电机定子磁场与转子永磁体问的磁力将无法维持负载平衡，使得转子脱离同步转速发生失步。现如今，永磁同步电动机已经普遍应用到人们的生活中。永磁同步电机由于其结构简单、低功耗、性能高等优点已经广泛使用到工业领域及居民生活中。由于永磁同步电机广泛应用于各种生产和生活领域，因此要求电机在原有性能的基础上，还要利用不同的控制策略以完善和提高电机的性能指标。随着科技的发展，永磁同步电机的提升也逐渐变得势在必得，因此对永磁同步电机的控制系统有着重要的1.2国内外研究现状1820年7月，丹麦物理学家奥斯特发现了"电流的磁效应",研究出了电磁学。1821年英国著名物理学家法拉第做出了第一个用于实验电动机的模型，后来，又经过40多年的长时间的理论研究与实践磨砺，终于成功使实验电动机在现代工业生产和人们日常生活中已经开始小规模的推广使用。1831年法拉第用了十余年的艰苦时间深入实验室研究，在8月29日终于实现了"磁生电"的这一伟大科学梦想，发现了关于电磁波的感应守恒定律2。除此之外，法拉第还通过这些研究成果发现了原子电解质的定律，并且对原子气体具有放电性的现象研究进行了立竿见影的理论研究，为后来出现的伦琴的粒子科学技术研究的出现做足了准备条件，为如今粒子物理学的不断发展进步奠定了坚实的理论基础2]。随着20世纪70年代稀土永磁材料的发展，稀土永磁电机应运而生。永磁电机利用稀土永磁体励磁，永磁体充磁后能够产生永久磁场。它的励磁性能优异，因在稳定性、质量、降低损耗等方面都优于电励磁电机而动摇了传统的电机市场。近年来，随着现代科学技术的快速发展，电磁材料特别是稀士电磁材料性能及工艺逐渐得以提高和改善，再加上电力电子与电力传动技术、自动控制技术的高速发展，永磁同步电机的性能越来越好。再者，永磁同步电动机具有质量轻、结构较简单、体积小、特性好、功率密度大等优点，很多科研机构、企业都在努力积极开展永磁同步电机的研发工作，其应用领域将进一步扩大。在我国古代的许多历史文献记载中，首部齿轮直流电机的就是永磁直流电机。只不过在那个历史时期，永磁电机材料的导电性能还是显得相对不足，永磁体的余磁太低，过了没多久就被电励永磁电机所取代。一直到后来的20世纪70年代，以钦铁硼等金属为主要材料代表的各种新型稀土永磁复合材料的出现，使得永磁材料电动机再度出现在人们的生活中，这些材料具有强大的矫顽力，剩磁和退磁能力相比以前得到了大大的提升。如今这个时代，有关于永磁同步电机的相关技术理论研微型化、智能化等发展趋势方向迈进。这些年来，基于永磁同步电机之上已经发展出了许多更加高端的电机。虽然我国关于永磁直流电机相关技术的科学研究起步晚，但是随着国内外的专家学者及其他地方各级政府有关部门的大力帮助支持，它们的相关技术发展得很快。目前，我国已经逐步开始自行研制并自主设计批量生产3mw高速永磁式重型风力发电机，南车株洲公司也正在研究开发一种功能更多的大功率永磁式高速风力发电机3。目前，国内外的研究方向如下：一是数字化；二是智能化；三是网络化；四是绿色化。高性能和全数字伺服系统广泛应用于高精度数控机床，机器人，特殊加工设备和精细饲料系统。由于电机控制的DSP芯片(数字信号处理器)发明出来之后，所有数字交流伺服系统很大程度上实现了电流控制，实现了速度控制以及位置控制的数字化。使伺服系统设计水平得到提高并且使用灵活性也得到了增强。未来永磁电机研究以及开发的趋势为：恰当的选择最好的永磁材料。要开发最好的永磁电机，非常有必要探索最好的永磁体磁场，同时要恰当的选择永磁材料。现如今，自动控制技术发展的越来越迅速。永磁同步电动机(PMSM)在人们的生活中运用的越来越多。如今的社会进步的非常快，以前的电机技术已经逐渐跟不上人们的要求，永磁同步电机也随着发展的越来越迅速。随着现代科学技术越来越发达，具备较高性能的永磁材料已经得到了进一步的应用。这种方法使它的成本得以极大地减少，逐渐被广泛应用到了生活中的各个领域。永磁同步电动机(它的英文名名字全称为permanentmagnetsynchronousmotor,缩写为PMSM)主要组成部分由永磁转子、端盖及定子等几个主要零件共同组成。永磁同步电机的转子上可以放一个高质量的永磁体作为磁极。因为其放置的位置不同，永磁自动同步系列电动机通常大致可以被划分为转子外置或者是内置式的两种转子整体结构。一般来说，永磁体的摆放位置将会影响到电动机的性能。表面式转子结构结构简单，制造成本低，转动惯量小。而且，表面式转子结构的永磁磁极很容易实现，可以让电机的气隙磁密波形趋于正弦分布。内置式转子结构可以充分利用转子磁路不对称而产生的磁阻转矩，提高电机的功率密度。制造工艺简单，启动性能好，不过漏磁系数和制造成本都比表面式转子结构大。定子绕组、转子鼠笼绕组以及永磁体这三者之间产生的磁场共同促进永磁同步电机的运行。在电动机静止情况下，定子旋转磁场在定子绕组中通过三相对称电流的时候产生；定子旋转磁场在笼型绕组内产生电流，转子便开始产生旋转磁场，然后又与定子旋转磁场两两作用，这样一来，转子便开始从静止加速转动4。在一定的条件下电动机能够不受限制的旋转是指永磁电机的转子，这些转子由永磁材料组成。这种永磁体稀土材料具有大的剩磁和矫顽力，这种磁导率与大气磁导率相类似，位于电动机垂直方向的交轴的磁阻和直轴的磁阻增大，导致电抗减小，所以就削弱了电枢反应5。该电机重量轻，效率高，功率因数高5。除此之外，(1)结构简单，使用方便，可靠性高，并且没有电刷，没有滑环。该电机的效率高于电磁同步电动机的效率，其功率因数可设计为1.0左右。(2)该电机不仅结构灵活，而且在一定功率范围内电磁同步电机的重量体积要比它大得多。(3)转向架系统可以自由设计，原因是永磁同步电机无齿轮箱。电机体可整体安装在同步轴上，形成一体式直接驱动系统，即一轴即为一个驱动单元，节省了永磁同步电机本身所具有的特点后，主要研究永磁同步电机直接转矩控制的转矩永磁同步电动机根据电机转子上永磁材料所处位置的不同可分为表贴式和内置式6,如图2.1所示。永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成，定子数和制造成本都较表贴式电机转子结构大7。对于采用稀土永磁材料的电机来说，由于永磁材料的磁导率接近1,所以表贴式转子结构在电磁性能上属于隐极转子结构；而内置式转子结构相邻永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，在电磁性能上属于凸极转子结构。永磁自动同步电动机按气隙磁场分布可以分为两类：(1)正弦波永磁同步电动机。磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称做正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电机8。(2)梯形波永磁同步电动机。磁极仍为永磁材料，由于磁极输入的电流是方波电流，气隙磁场呈梯形波形分布，性能更接近于直流电动机8。用梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称无刷直流电动机8。1.矢量控制矢量控制技术的不断出现也具有重要理论研究现实意义，这一时期的通用电机矢量控制系统技术已经逐步迈进了新的技术发展历史阶段。后来被新的研究者们重新引入了对三相PMSM和异步矢量传动控制，并且他们发现因为不需要考虑涉及到异步矢量电动机高速转差信噪比的巨大问题，所以三相PMSM和异步矢量传动控制已经被实现了。对于三相PMSM转速向量第一个是通过自动控制定子驱动稳压电机转速从而使电机稳定。第二个是为了能够加快在对系统的直流定子稳压电流向量进行一个动态电流调整后的过程，让定子电流趋近于系统给定电流。在旋转坐标系下，常见的方法有滞电流销箱的电流控原理如下：参考坐标基于永磁体产生的转子磁链轴建立，两个相互正交的分量在定子电流中分成垂直分量和水平分量，垂直分量是与磁链在一个方向上的定子电流的励磁分量，水平分量是正交的定子电流转矩分量，是在磁链的方向上产生的；然后单独对其完成控制的，类似于直流电机的控制，动态稳态性能非常好。此外，同步电动机的矢量控制方法因其单一的控制结构和易于控制的策略而被广泛应用于交流调速系统中。92.直接转矩控制直接转矩控制技术减少了坐标变换中复杂的计算方法，对于信号的控制方法比较单调，把耦合效应降到了最低，对转矩的反应比较迅速，系统的阻尼比大于1,对于交流调速的控制呈现出极高的动态和静态，1997年人们把直接转矩控制结合2.3永磁同步电机的数学模型(自然坐标系下)2.3.1永磁同步电机的电压回路方程2.3.2永磁同步电机的磁链方程2.3.3永磁同步电机的电磁转矩方程等，如式(2-6)所示：2.3.4永磁同步电机的机械运动方程2.4永磁同步电机的数学模型(两相静止坐标系下)由自然坐标系ABC到静止坐标系α-β的坐标变换叫Clark变换，根据图2.2[fAfBfc]T=T₂s/3s[fafefo](2-10)根据图2.2所示各坐标系之间的关系，可以得到如式(2-12)所示的坐标变换公[fafa]T=T₂s/2r[fafg]T(2-12)其中，T₂s/2r为坐标变换矩阵，可表示为：将同步旋转坐标系d-q变换到静止坐标系α-β称为反Park变换，可表示为：[fafp]T=T2r/2s[fafa]T(2-14)其中T2r/2s为坐标变换矩阵，可表示为：将静止坐标系ABC变换到同步旋转坐标系d-q,各变量具有如下关系：[fafqfo]T=T3s/2rDAfbfc]T(2-16)将同步旋转坐标系d-q变换到自然坐标系ABC,各变量具有如下关系：[fafBfc]T=T2r/3s[fafafo]T(2-18)r以上简要的描述了同步旋转坐标系和静止坐标系中各变量之间的关系，当幅值不变作为约束条件时，变换前矩阵系数为2/3;当采用功率不变作为约束条件时，该系数变为√2/3,在三相系统中。计算时零序分量f₀可以忽略不计。直接转矩调速控制系统是近年来在继矢量转矩控制系统技术之后逐步发展应用起来的一种新高性能的交流变频调速控制技术。不同于其他滞环向量控制系统制信号，对逆变器的各个主要开关元件运行时的状态和开关电压波动进行最精度直接转矩控制技术特点8:(2)在转子中，由于没有集电环和电刷产生的摩擦损耗，并且该转子没有铜损(3)转动惯量小，动态性能好。(4)结构紧凑，运行可靠。3.2直接转矩控制原理在直接转矩控制中，电机定子磁链的幅值通过电压的矢量控制而保持为额定直接转矩控制对转矩和磁链的控制要通过滞环比较器来实现。滞环比较器的保持不变，一旦超过这个范围，滞环比较器便给出相应的值。根据图3.1所示的关系图，可以求出定子磁链在d-q坐标系上的投影为：根据定子磁链方程：φa=Laia+φf;φq=Lqiq;结合式(3-1)式(3-2)可得d-q坐标系下的定子电流方程为：将式(3-4)式(3-4)代入电磁转矩方程：由式(3-5)可以看出电磁转矩包含两部分：一部分为电磁转矩，由电机的定子转子之间的磁场相互作用产生；另一部分为磁阻转矩，由电机的凸极结构产生。对于表贴式三相PMSM而言，定子电感满足于表贴式三相PMSM而言，定子电感满足La=Lq=Ls,此时式(3-5)可以表示为：取其增量形态的转矩增量方程如下：从式(3-7)可以看到三相PMSM中转矩增量与磁链和转矩角增量的关系。在一个控制周期中，由于机械时间常数远大于电气时间常数，其转子位置变化很小，故可通过控制定子磁链迅速改变其转矩角或稳定幅值，使转矩快速变化。图3.2为直接转矩控制方框图。从图中可以看出，该系统大致有四个模块：转速环控制模块，Bang-Bang控制(滞环控制)模块，开关表选择模块，磁链估计和转矩计算模块。该系统为闭环控制系统，给定转速与估计转速相比较，得到给定转矩；经转矩调节器将转矩差做滞环处理得到转矩控制信号；将磁链估计值跟给定磁链相比，经滞环比较器得到磁链控制信号；根据计算的得到的转子位移，划分区段；根据区段，以及转矩和磁链控制信号，合理选择开关矢量，生成PWM波；输出给逆变器，给电机供电。TT4Øs速度TW3.3直接转矩控制的控制方式接自控制，这种思想可以控制转矩，磁链量，也可以使磁链自控制；它以转矩为核心对电机进行整体控制12]。DTC的优势便是可以直接建立一个定子坐标，从而便可以直接解出磁链的模，还可以轻而易举地知道转矩的大小，更加简洁易懂。人们在出矢量控制技术逐渐成熟后，又对DTC变频调速展开了研究，并且取得了很大的成果。1985年，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分别提出了六边形直接转矩控制方案和圆形直接转矩控制方案[16。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13]。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13]。与VC(矢量控制)系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与VC系统不同的特点是：(1)转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器，并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。(2)选择定子磁链作为被控量，而不象VC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。(3)由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。(4)定子坐标系下分析电机的数学模型直接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、等效、转化，省去复杂的计算。有涉及。件主要面对科学计算、可视自动化和交互式企业应用程序的应用高新技术和云计线性动态系统)非常强大，若是使用MATLAB,便可以实现数值的自动分析、矩阵于数据进行有效的矢量数值分析计算等众多专业技术以及在工程科学应用领域都已经提供了一种完整的解决办法和设计方案，并且在一大程度上也完全摆脱了许多基于传统的非专业交互式应用程序编辑设计应用语言(包括例如java和c、fortran)的程序编辑设计模式4。4.1仿真模型的建立1.MATLAB软件简介MATLAB全名叫MatrixLaboratory。MATLAB的功能繁多，作为一款可以解决复杂矩阵数据的软件，MATLAB的特性Simulink可以轻易的完成在动态系统下的工作，并不依靠复杂的代码。在PMSMDTC仿真系统中，主要使用Simulink库和PSB(PowerSystemBlockset)库中的模块。如图4.1所示为直接转矩控制系统。55O×+11(b)磁链区段的确定：定子磁链矢量所在的区段我们可以根据磁链在α—β坐标上的分量进行判定，由φa的正负确定定子磁链矢量的象限，再由αtan(φβ/φa)决定定子磁链矢量的具体位置。其实现模块如图4.2和4.3所示。其中的MATLAB函数模块是用来调用MATLAB中求反正切的函数，开关模块是一个2选1的输出，其输出再经过图4.3子系统便可以得到区段结果。pi6piG-2pi2-pi2-pi2Lo2-S曰SS·尽曰34Aconver~(c)转矩估算：在转矩控制系统中，转矩给定Te是由速度环PI控制器输出获得的.磁链和转矩的误差信号，按公式进行计算以后输出，磁链和转矩的误差信号的具体实现过程如图4.4所示。261图4.4转矩估算(d)磁链模型：kk图4.5磁链模型(e)逆变器及驱动信号：按照以上相类似的方法，对逆变器及其驱动信号，坐标的变换，ua和up的获取，电机磁链的估算等等，建立模型。心心4.2仿真设置永磁同步电机参数设置如表4.1所示：定子电阻Rs/Ω0404.3实验结果分析为ON·m。在t=0.5s时，转速变为1000r/min;转矩变为4N·m。仿真结果如图4.9和图4.10所示。仿真分析：永磁同步电机转矩波形图如图4.9所示；横坐标：时间t(s),纵坐<ElectromagnetictorqueTe(N"m)<ElectromagnetictorqueTe(N"m)5000.10.2永磁同步电机转速波形图如图4.10所示；横坐标：时间t(s),纵坐标：转速0.10.2从以上仿真结果可以看出，当电机从零速上升到给定转速800r/min时，虽然开始电机转速有一定的超调量，但仍然具有较快的动态响应速度，并且在t=0.5s时突加转矩T=4N·m,给定转速变为1000r/min,电机也能快速的恢复到给定参考转速值，能够满足实际电机控制性能的需求。由此可以看出在控制过程完成后，系统在阶跃变化时能够自动保持稳定运行状态。通过这次实验，我对永磁同步电机的了解更加深刻，知识储备也增加了许多。本设计首先对永磁同步电动机的发展和前景做了详细的介绍，之后又对永磁同步电动机的研究现状做了阐述。本设计主要包含了四个模块：1.永磁同步电机的背景和优点；2.永磁同步电机的结构和数学模型；3.永磁同步电机直接转矩控制原理和直接转矩控制方框图；4.在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，研究永磁同步电机直接转矩控制的转速和转矩变化情况。在MATLAB/Simulink电机仿真模拟环境下，对永磁同步电机直接转矩控制进行了系统建模与仿真，了解到了各个电机仿真系统模块并研究了系统的基本性能。从仿真结果中，我发现永磁同步电机直接转矩控制的转速和转矩响应良好。但电磁转矩Te的波动幅度较大，为此还需