永磁同步電機直接轉矩控制摘要直接轉矩控制是近年來應用比較廣泛的一種控制策略。它的優點包括控制原理直觀明了，操作簡單快捷，具有良好的轉矩響應性。而另一方面，永磁同步電機因為其運行的可靠性高，結構簡單，所以在交流伺服電機中所處的地位越來越高。基于這一發展趨勢，本文重點研究了把直接轉矩控制應用在永磁同步電機上的控制效果。為了更好地分析永磁同步電機直接轉矩控制，本文介紹了直接轉矩控制的原理和它的優缺點，還有永磁同步電機的分類、結構及其在不同坐標系下的數學模型。然后借助MATLAB中的Simulink功能，搭建永磁同步電機直接轉矩控制系統的模型，對仿真結果進行分析歸納，最后得出結論。結論表明，永磁同步電機直接轉矩控制具有較好的轉矩響應，基本能實現對永磁同步電機的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，得不到快速的轉矩響應。這就確定了改善永磁同步電機直接轉矩控制在低速時候的轉矩響應將成為今后的發展趨勢。關鍵詞:直接轉矩控制;永磁同步電機;仿真1AbstractDirecttorquecontrol(DTC)isusedwidelyrecently.Itisintuitiveandclear,simpleandswiftandhasfasttorquerespond.ontheotherhand,permanentmagnetsynchronousmachine(PMSM)becomemoreandmoreimportantforitshighreliabilityandsimplestructure.Inthispaper,wefocusedontheeffectoftheapplicationofDTCtoPMSM.InordertoanalyzePMSMDTCbetter,thispaperprecentedboththeadvantageandthedisavantageofDTC.What’smore,italsoshownPMSM’sclassification,structure,mathematicalmodelsindifferentcoordinatesystem.ThenIbuiltmodelofPMSMDTCandsmulatedinthesimulinkenvironment.IntheendIdrewaconclusionbytheresultofsimulation.TheconclusionshownthatPMSMDTChasquicktorquerespondtoachieverapidandreliablecontrol.however,ithaspoorlow-speedperformance.Therefore,improvingPMSMDTClow-speedperformancewillbethetrendofimprovementinthefuture.Keyword:PMSM,DTC,Simulation2目錄摘要?ABSTRACT?第一章緒論1.1研究背景及研究意義41.2相關技術的發展情況51.3研究的主要內容6第二章直接轉矩控制概述2.1電機控制策略分類62.2直接轉矩控制原理72.3直接轉矩控制的發展方向82.4本章小結9第三章永磁同步電機概述3.1永磁同步電機的分類93.2永磁同步電機的結構103.3永磁同步電機的數學模型123.4本章小結16第四章永磁同步電機直接轉矩控制4.1永磁同步電機直接轉矩控制原理164.2逆變器與開關表174.3定子磁鏈與電磁轉矩的測定194.4本章小結20第五章永磁同步電機直接轉矩控制仿真5.1仿真軟件215.2仿真模型215.3仿真結果分析245.4本章小結26第六章結論26參考文獻283第一章緒論1.1研究背景及研究意義自1834年德國的雅克比發明了第一臺電機后，電機在人們日常的生產，生活中發揮著越來越大的作用。現今，電機已廣泛應用在工農業生產，交通工具，軍事設備上。電機，即將機械能和電能相互轉化的設備。為了做到機械能和電能在相互轉化的效率最高，并且盡最大可能節約成本，必須找到一個高效合適的電機控制策略。因此，電機的控制就成為了一個重要的課題。由于直流調速系統的控制比較方便，能通過控制電機的勵磁電流和輸入電壓，使電機能在很廣闊的范圍內平滑地改變速度。基于這一優點，直流調速系統在上世紀70年代就廣泛應用在需要響應范圍廣，動態性能好，控制精度高的場合上。直流調速也成為了當時主流的電機控制方式。但是直流電機也存在一些缺點:如生產成本高，維護費用大，設備體積大，由于存在換向器和電刷，在運行過程中容易產生火花，導致電機燃燒甚至爆炸。所以，人們就開始想方法用交流電機去取代直流電機。比起直流電機，交流電機具有結構簡單，堅固耐用，造價低廉，運行安全，維護便捷，對環境適應能力強等優點。電機調速系統的關鍵問題在于維持氣隙磁場，控制電機的電磁轉矩。但是因為交流電機的磁鏈和轉矩之間存在耦合，無法獨立調節磁鏈和轉矩。但是隨著電力電子技術和微處理器技術的飛速發展。不僅促進了交流電機的研發，也大大優化了交流電機的控制策略，很好地解決了交流電機調速難的問題。這就令交流電機得到廣泛的引用，占據了主導地位。交流電機主要有兩大類:即異步電機和同步電機。異步電機又稱感應電機，是由于它的轉子運動速度與定子旋轉磁場的運動速度不同步而得名的。異步電機結構簡單，制造成本低，運行比較安全可靠，容易安裝傳感器和反饋裝置，轉矩脈動比較小。因此，在生產和生活中得到廣泛的應用。但它同時也存在著調速特性較差，難以實現平滑的調速，功率因素較低等缺點。同步電機因轉子旋轉的速度與定子旋轉磁場的速度相同而得名。在同步電機中，應用的最多的就是永磁同步電機。原因主要有三方面:永磁同步電機的轉子為永磁體，所以不需要外加勵磁系統，為運行帶來了方便。而且轉矩阻尼效應大，轉矩響應性比較好，運行時功率因素比異步電機要高。我國是資源大國，擁有豐富的磁鐵礦和稀土礦。而且掌握了先進的永磁材料煉制技術。這為大量生產永磁同步電機打下了物質基礎。針對永磁同步電機的控制策略越來越成熟。近年來出現了一種新的控制策略——直接轉矩控制。它放棄了傳統矢量控制解耦后再分別控制被控量的思想。直接控制轉矩從而去控制永磁同步電機的運行。這就省去了繁瑣的坐標轉換，節約了大量的計算時間。41.2相關領域的發展情況20世紀80年代開始，電力電子技術得到了飛速的發展，很好地解決了交流電機調速難的問題。主要包括門極可關斷晶閘管GTO、電力場效應管MOSFET和電力雙極性晶體管BJT這些全控型器件。它們的優點主要有以下兩個方面:通過對門極發出一個信號，就能簡單快捷地控制電路的通斷;開關頻率高，因此開關損耗小。到了80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT為代表的復合型器件得到了迅猛的發展。絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由BJT和MOSFET復合而成的。它很好地融合了兩者的優點，如耐壓高，載流量大，開關頻率高等。所以，它已經成為了當今比較主流的電力電子器件。在電力電子器件發展的同時,與之相應的PWM控制技術也得到了飛速的發展。各國學者不僅對傳統的PWM進行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。PWM(PulseWidthModulation)即脈沖寬度調制，主要通過對一系列脈沖的寬度進行調制，從而得到理想的輸出波形。它在逆變、整流、直流斬波、交-交控制中起到了重要的作用，使電路的控制精度大幅提高。傳統的PWM控制技術主要是靠載波信號和調制信號相比較，確認交點，從而起到調節的作用。SPWM(SinusoidalPWM)，即正弦波的脈沖寬度調節，是如今應用最廣，發展最成熟的脈沖寬度調節的方法。它主要是通過把正弦波和載波信號作比較，用一系列寬度按正弦規律變化的脈沖代替了正弦波，通過調節這些脈沖的寬度，間接調節正弦波的特性，從而起到控制電路的作用。實現SPWM基本控制方法主要有以下兩種:自然采樣法是直接把正弦波和載波信號(常為等腰三角波)作比較，用它們的自然交點時刻作為電路通斷的時刻。它的優點是操作簡單，得到的波形很接近原來的正弦波。但是因為交點的任意性，造成了脈沖的中心在每個周期內距離不相同，從而使得計算涉及到超越方程，增加了數學運算的難度，延長了運算的時間。規則采樣法是先用一系列的三角波對正弦波進行采樣，得到了與正弦波形狀相似的階梯波，再把階梯波與三角波進行比較，確定它們的交點，從而得到了脈沖，去控制電路的開通或關斷。規則采樣法又分為對稱的規則采樣法和非對稱的規則采樣法。若在正弦波的頂點或最低點時刻進行采樣，在每一個采樣周期中，得到的脈沖的中心都是距離相等的，這就是對稱的規則采樣法。如果采樣時刻不在正弦波的頂點或最低點，在每個采樣周期中，脈沖的中心距離就不相等，這就是非對稱的規則采樣法。隨著技術的不斷進步，人們對傳統的PWM控制方法進行改進，提出了SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)即空間矢量的脈沖寬度調節。SVPWM是以三相對稱正弦波電壓供電時定子所產生的三相對稱的理想磁場圓為參考標準，適當地轉換三相逆變器各種開關模式，得到PWM的波形，從而形成實際的磁鏈向量去追蹤準確的磁場圓。51.3研究的主要內容本文主要對永磁同步電機直接轉矩控制這一課題進行研究。第二章主要介紹當今交流伺服系統的控制策略，直接轉矩控制的原理和發展趨勢。第三章對永磁同步電機的結構，第四章主要講述了直接轉矩控制在永磁分類，及它在各個坐標系下的數學模型進行介紹。同步電機上的引用，列出了雙滯環的永磁同步電機直接轉矩控制的系統，并對該系統的各個重要的構成部分進行了說明。第五章介紹了永磁同步電機直接轉矩控制的仿真環境，仿真模型，并對仿真結果進行分析。第六章為結論章節，對前面五章的內容，特別是仿真結果進行歸納，最后的得出本文的結論。第二章直接轉矩控制概述2.1交流伺服電機控制策略分類上文已經提及到由于科技的革新和技術的發展，交流伺服電機應用日漸廣泛，所以對交流伺服電機控制策略的研究的重要性也不斷提高。交流伺服電機的控制策略大概可以分為以下幾類:一、基于穩態的控制策略其中較有代表性的就是恒壓頻比控制。它忽略了控制變量的相位，只關注其的幅值，而且其反饋量和輸入量之間的比值為直流量，所以它的本質是一種標量控制方法。它具有操作簡易，投入成本低，實現簡單的優點。但同時也存在動態性能差，低速時轉矩響應低，參數設計難，沒有解決非線性、多變量的問題等缺點。因此，不能用在高精度要求的場合上，也就是說只能用于如風機、泵機這一類對控制精度要求不高的電機上。二、基于動態的控制策略矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是對電機的參數進行解耦，分別對電機的磁鏈和電流進行獨立的控制。具體實現方式是把轉子的旋轉磁場作為參考系，將定子電流分解成兩個分量，一個是與轉子同向的分量，即直軸分量;一個是與轉子正交的分量，即交軸分量。這樣就消除了轉子和定子之間的互感的影響，成功解耦。然后分別獨立對兩個分量進行控制，達到控制電機速度的目的。究其實質，就是將復雜的交流電機控制，通過坐標的轉換，變成直流電機的控制。但是，因為要實現這種控制方法，就必須在系統中增設位置傳感器，觀測轉子的實時位置。這樣就是的成本增加，而且加大了操作難度。另一方面，由于坐標軸的轉換，增加了大量的運算，降低了效率，帶來了諸多不便。直接轉矩控制(directtorquecontrol，簡稱DTC)，,,,,年，德國魯爾大學的Depenbrock教授和日本的Takahashi教授提出了直接轉矩控制這一控制策略。這一控制策略并沒有繼承前人提出的矢量控制策略的解耦思想，而是另辟蹊徑，把轉矩作為被控量，直6接對電機進行控制。有關直接轉矩控制的原理下文有詳細的介紹，在這里暫且不說。反饋線性控制，反饋線性控制主要分為兩類，第一類是微分幾何反饋線性控制;第二類是動態逆控制，又稱直接反饋線性控制。這兩種方法都是針對解決非線性問題而提出的。微分幾何反饋線性法因為要將問題轉換到幾何域里，比較抽象，在實際應用中不如物理概念清晰的動態逆控制法。自適應控制，自適應控制能根據電機的運行情況不斷提取實時參數，然后根據新的參數合理地修改控制策略。這樣，有利于加強動態性能。自適應控制主要包括模型自適應、參數自適應和非線性自適應。這種控制方式的不足在于當電機的運行狀態變化太快的時候，無法很好地跟蹤其參數，提取的結果與實際結果誤差較大，導致修改后的控制策略不合理。另一方面，由于電機模型的復雜性，導致運算時間過長，降低了控制的效率。但這一不足隨著微處理器的不斷更新換代，得以克服。三、不依賴對象的數學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確定性，從而模仿在實際控制過程中的人手操作。模糊控制主要包括三部分，分別是精確量的模糊化，模糊推理和模糊判斷。早期的模糊控制沒有加入積分環節，雖然控制的魯棒性有所加強，但同時在帶負載時出現了較大的靜態誤差。經改進后，如今的模糊控制已經有了積分效應，能做到無靜態誤差控制。但是，如果單靠模糊控制，特別是在控制精度要求高的場合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制一般與其他的控制策略相配合使用。神經網絡控制，神經網絡控制是20世紀80年代末發展起來的高新控制策略，它是智能控制的一個分支。它是神經網絡理論和自動控制理論結合起來的產物。神經網絡像人一樣，擁有學習和記憶能力。在電機的控制上，神經網絡的主要任務是觀測估算電機的磁鏈和轉速，并作出自適應調整。但是由于神經網絡控制是一種比較新的控制策略，所以技術還不是很成熟，有時會導致估算值出現很大的誤差或者系統出現振蕩。2.2直接轉矩控制原理直接轉矩控制是在矢量控制策略后又一應用廣泛的控制策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機，而是通過直接控制電機的轉矩來控制其轉速。它并沒有像矢量控制一樣，用轉子磁鏈作為參考系，而是把定子磁鏈作為參考系，這樣就使磁鏈僅僅由定子電阻確定，大大弱化了電機運行狀態改變時對控制策略的影響。確定了參考系后，只需測定定子的電壓和電流，就能通過空間矢量理論去計算電磁轉矩以及定子磁鏈。通過給定轉矩和實際轉矩以及給定的定子磁鏈和實際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當的電壓矢量進行控制。直接轉矩控制的優點主要有以下幾方面:一、直接轉矩控制直接以定子磁鏈為參考系。只需要在此參考系中對電機的各個變量7進行簡單的轉換，既沒有像矢量控制一樣，需要一系列繁瑣的坐標轉換，也沒有了旋轉時對各個變量的影響，大大簡化了運算量和信號的處理難度。而且另觀測者更直觀地了解到電機的運行狀態。二、直接轉控制只需要對定子電阻進行觀測就能得到定子磁鏈，從而估算到磁通。和矢量控制要通過觀測轉子電阻和轉子電感相比，大大減弱了對電機參數的依賴性。因此直接轉矩控制擁有較強抗干擾能力。三、由于直接轉矩控制是通過給定轉矩與實際轉矩進行比較，得到誤差，經過滯環比較器，然后選擇適當的電壓矢量去調節電機的轉速。因此，它的控制效果是由實際的轉矩情況決定的，這使它得到較迅速的轉矩響應。2.3直接轉矩控制的發展方向直接轉矩控制也并不是十全十美的控制策略，傳統的直接轉矩控制同樣存在著缺點。它要將給定轉矩與實際轉矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差輸入到滯環比較器中。由于滯環比較器存在一個閥值，而且電壓逆變器只有八種狀態可選擇。當轉矩或者定子磁鏈從一個很小的值變化到另一個很小的值，即電機運行在低速狀態，如在啟動階段時，電壓逆變開關沒來得及改變，導致電壓矢量繼續作用，直至給定轉矩與實際轉矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差達到滯環比較器的閥值，電壓逆變器才開始改變狀態，終止電壓矢量的作用。因此，在此過程中，會使電機的轉矩和定子磁鏈產生較大的波動。為了解決傳統的直接轉矩控制在低速時轉矩響應慢，動態性能不足這個缺點，目前專家提出了幾種解決方法。這就確定了直接轉矩控制在今后的發展方向。一、對傳統的直接轉矩控制的空間電壓矢量開關表進行改進。以永磁同步電機的直接轉矩控制為例，可以在原有的開關表的基礎上加上兩個零矢量，即000和111，把開關表從4行擴充到6行。插入了零矢量后，有效地把轉矩的變化維持在一定的范圍內。這樣，轉矩的脈動頻率和電壓逆變器的開關次數就相應減少了。此外，有專家提出了把空間電壓矢量細分的方法。把原來的6等份擴大到12等份或者24等份，從而減小轉矩的脈動。但是這兩種方案還是存在不足，插入零矢量雖然能有效把轉矩維持在一定范圍內，卻同時使轉矩響應變慢了。這樣一來就失去了直接轉矩控制轉矩響應快的優勢。細分電壓矢量法雖然能有效抑制轉矩的脈動，但其效果與細分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加運算量。2)用空間矢量脈沖寬度調制的方法去代替空間電壓矢量開關表，從而得到恒定的開關頻率。以定子的磁鏈為參考系，把檢測到的定子電壓和定子電流進行3/2變換。把變換后的定子電流和定子電壓通過全速度磁鏈模型去計算，從而得到定子磁鏈值Ψs、電磁轉矩8值與磁鏈位置角。給定轉矩與實際轉矩的誤差不再經過滯環比較器，而是經PI調節后得到磁鏈增量角。然后通過對參考電壓的預測計算可以得出期望的參考電壓矢量，再經空間矢量脈寬調制得到所需要的開關控制信號。3)神經網絡和模糊控制與傳統的直接轉矩控制相結合。神經網絡像人一樣有這很強的自我學習能力。但它不能處理已有的有規則的知識，所以在對神經網絡進行訓練時，不能運用已有的經驗和知識，只能重新給他一個初始值，這樣就使訓練時間大大增加，效率很低。模糊控制，主要在傳統的直接轉矩控制的基礎上，模糊調節給定轉矩與實際轉矩的誤差以及誤差的變化率。但這種方法要經過模糊推理和模糊判斷，大幅增加了計算的復雜程度，所以目前還得不到廣泛的應用。把神經網絡以及模糊控制與傳統的直接轉矩控制相結合，把模糊集合所定義的模糊概念應用到神經網絡的學習和計算之上，這樣就能在普通的神經網絡的基礎上產生了各種各樣的模糊神經網絡。一方面利用了模糊控制去提高神經網絡的學習能力，縮短了訓練時間;另一方面利用神經網絡的強大的學習能力去調整模糊化的精度函數，加強模糊推理的能力，提高模糊判斷的能力，實現并行推理。可見，如果能把模糊控制以及神經網絡和傳統的直接轉矩控制有機地結合起來，博取眾長，就能建立一種比單獨將模糊控制或者單獨將神經網絡與直接轉矩控制結合的控制策略都更優的控制策略。2.4本章小結本章主要介紹了電機控制的策略，大致可分為三類:基于穩態的控制策略，基于動態的控制策略和不依賴對象的數學模型的控制策略。其中基于穩態的控制策略受到動態性能的限制，不能得到廣泛的應用。而不依賴對象的數學模型的控制策略現今還沒成熟。基于動態的控制策略因其動態性能和控制精度較高，應用比較廣泛。其典型代表就是直接轉矩控制。直接轉矩控制主要通過控制轉矩和磁鏈直接控制電機，簡單直觀，抗干擾能力強，轉矩響應快。但是仍然存在著低速時轉矩響應慢的問題。針對這問題，專家們提出了改進空間電壓矢量開關表，用空間矢量脈沖寬度調制代替空間電壓矢量開關表和將模糊控制，神經網絡以及直接轉矩控制相結合這三種方案。這就指明了直接轉矩控制今后的發展方向。第三章永磁同步電機概述3.1永磁同步電機的分類按照轉子上的永磁體的位置，可以把永磁同步電機分為三類，分別是表面式，內埋式和嵌入式。表面式的永磁同步電機屬于隱極電機，永磁體位于轉子表面，體積較小，轉動9時慣性也比較小，因此轉矩的線性特性相對較好。內埋式永磁同步電機和嵌入式永磁同步電機同屬凸極電機，因此轉矩的線性沒有表面式永磁同步電機好。其中嵌入式永磁同步電機的凸極特性比內埋式永磁同步電機要小，因此轉矩的線性也比較好。但內埋式永磁同步電機也有著自己的優勢，它雖然轉矩的線性度較差，但它具有明顯的磁阻效應，有利于優化電機的調速特性和提高電機的運行效率。3.2永磁同步電機的結構永磁同步電機主要由定子和轉子兩部分組成。永磁同步電機的定子主要由硅鋼片，三相對稱分布的星形繞組，機殼以及端蓋組成的。如果給星形繞組通三相對稱的正弦波電流，定子繞組就會在氣隙中產生一個圓形的旋轉磁場。這個氣隙磁場的旋轉速度稱為同步轉速。它的大小與供電的頻率，電機的極對數有關。永磁同步電機的轉子通常可歸納為圓柱形轉子、無極靴星形轉子、有極靴星形轉子、爪極式轉子和切向式轉子等幾類。圓柱形轉子，出現得最早。把永磁鐵制成空心的圓柱體，澆鑄或者壓制在非磁性套筒再與轉軸緊密連接，就形成了圓柱形轉子。圓柱形轉子一般不超過8極，多為2極或4極。永磁材料大多采用鋁鎳和鋁鎳鈷合金。還有少部分用馬氏體鋼。圓柱形轉子的優點是結構簡單，對制作工藝要求不高，除了精磨轉子表面外，其他都不需要用機械加工。轉子表面光滑，風摩系數和噪音小。缺點是對永磁體的利用率低，在極數較多時這一問題更為明顯。因此只用于極數較少的永磁同步電機。無極靴星形轉子，為了改善圓柱形轉子永磁體利用率低這一不足，在圓柱形永磁鐵的基礎上，去掉部分永磁鐵，就形成了無極靴星形轉子。無極靴星形轉子的磁鐵平均長度比圓柱形轉子長，體積小，橫軸的電樞反應作用減少。由于永磁材料的磁阻率非常大，在負載急劇變化或者短路時，磁鐵阻尼作用小，去磁作用大。因此，需要在極間澆鑄非磁性材料合金作為非磁性套筒來保護永磁鐵。雖然和圓柱形轉子相比，磁鐵的利用率增大。但是和有極靴星形轉子和爪極式轉子相比，無極靴星形轉子還存在若干缺點:永磁鐵為多極星形，形狀復雜，磁性能差。而且隨著極數的增加，對磁性能的影響越來越大。永磁材料沒有得到充分的利用。由于永磁體的形狀為多極星形，造成了永磁體的不均勻磁化。磁鐵性能降低，利用率也隨之降低。同樣，極數越多，不均勻磁化就越嚴重，磁鐵利用率就越低。電機瞬態運行時，磁路系統的阻尼作用小，就算在極間澆鑄了非磁性材料，瞬間短路時，去磁作用也很大。為了增大磁路系統的阻尼作用，就要增長永磁鐵的長度，造成成本上升。除了二極轉子可采用各向異性的永磁材料外，其余的多極轉子只能使用各向同性的永磁材料。這樣就限制了擁有高磁性的各向異性的永磁材料的應用。無極靴星形轉子沒有其他的10加固措施，因此機械強度較差，轉速和容量度受到比較大的限制。綜上所述，無極靴星形轉子的極數一般較少，多應用在小容量的場合上。有極靴星形轉子，在無極靴星形轉子的永磁體兩端安裝軟鐵極靴，就形成了有極靴星形轉子。有極靴星形轉子的制作工序如下:將永磁體制成多極星形，用鉚釘把軟鐵極靴固定在永磁體上。為了增加永磁體和軟鐵極靴的吻合程度，需要對永磁體外表面和軟鐵極靴的內表面進行精磨。有極靴星形轉子主要有以下優點:由于軟鐵極靴的存在，消除了橫軸電樞反應，對永磁體的去磁作用大大減弱。去掉負載后，不產生不可逆去磁和不對稱去磁。磁路系統阻尼作用強，使電機在瞬態運行，如瞬間短路時，仍保持良好的短路特性。由于軟鐵極靴的存在，出現了較大的漏磁。通過調節漏磁，就能使永磁體得到更好的利用。當磁鐵是矩形結構時，可以用各向異性或晶體取向性的材料來制造永磁體，提高了磁性。同時，也可以采用稀土類的合金做永磁體，從而縮小電機的體積，提高電機的容量和輸出效率。但是有極靴星形轉子也存在若干缺點:加入了軟鐵極靴后，使轉子的結構變得復雜，由于永磁體和極靴都要精磨，是加工量增大。在高速旋轉時，極靴與永磁體可能出現松動。軟鐵極靴增大了轉子的外徑，也就是說，與無極靴星形轉子比較，在同等外徑下，永磁鐵比較小。爪極式轉子，爪極式轉子是由兩個帶爪的法蘭盤與一個沿轉子軸向充磁的圓環形永磁鐵組成的。兩個帶爪的法蘭盤爪數相等，并且均等于極對數。把法蘭盤的爪相互錯開，夾著圓環形的永磁鐵，相互對合。這樣，就讓一個帶爪法蘭盤的爪子呈N極性，而另一個則呈S級性，從而起到了極靴的作用。爪極式轉子主要有以下優點:永磁體為圓環形，結構簡單，制造方便，磁性好，不會出現較大的不均勻磁化，永磁材料的利用率較高。還可以采用鐵氧體和稀土鈷合金，從而縮短軸向長度，優化磁化特性。帶爪的法蘭環屏蔽了橫軸的電樞反應，消除了電樞反應對氣隙磁場的畸變效應，使氣隙磁場保持穩定。爪極間的漏磁很大，有效消除了縱軸電樞反應對磁鐵的去磁作用，讓磁鐵能承受較大的過載。爪極式轉子的阻尼作用很大，令電機在瞬態運行時很穩定。短路時，電流對永磁鐵的作用約等于穩態時電流的作用。結構牢固，機械強度高。磁鐵為圓環形的形狀，使磁鐵的利用程度與極靴無關，所以特別適合用于多極和高頻的電機。但是爪極式轉子也存在以下缺點:帶爪的法蘭盤結構復雜，制造工藝要求高。大部分不能采用鋼板沖片，只能采用粉末冶金或機械加工的方式，費時費力。在轉速較高時，爪極受力很大，比較容易發生彎曲變形，甚至斷裂。帶爪的法蘭盤體積比較大，在相同容量下，電機的體積尺寸和重量增加幅度比較大，可達25%左右。切向式轉子，切向式轉子由優硅鋼沖片疊成的轉子鐵心，非磁性套筒和薄片形的永磁鐵組成的。由于磁鐵沿切向方向磁化，因此很好地克服了因沿徑向方向磁化造成氣隙磁密偏低和尺寸結構不合理等缺點，能應用到大容量的場合。113.3永磁同步電機的數學模型由于實際的永磁同步電機在制造或者設計上存在結構不對稱，從而造成參數的不對稱。磁路相互之間的耦合也大大增加了分析永磁同步電機的數學模型的難度。另一方面，由于永磁同步電機是一個旋轉設備，涉及到動態的分析，若在自然參考系下，永磁同步電機的狀態方程組就是一個變系數的微分方程組，系數與定子和轉子的相對位置有關。這就給這個方程組的求解帶來了很大的不便。為了方便計算求解，必須先假設一臺理想的永磁同步電機，然后選取合適的參考系，把電機的狀態方程組轉換到相應的參考系中求解。首先介紹一下理想的永磁同步電機:一、忽略磁路的飽和效應、磁滯效應和渦流效應的影響。假設鐵心中的導磁系數是常數。二、轉子的結構分別關于橫軸和縱軸對稱。三、定子三相繞組的結構完全相同，在空間上分別相差120?電角度。所產生的磁動勢在氣隙中按正弦規律分布。四、氣隙均勻，也就是說磁路與轉子無關，定子、轉子中的自感和互感與轉子和定子的相對位置無關。五、在恒定轉速且電機空載時轉子的磁動勢在定子上感應出的電動勢是關于時間的正弦函數。六、假設電機的定子以及轉子的表面是光滑的，忽略通風溝和槽對定子和轉子電感的影響。在假設了理想的永磁同步電機的基礎上，下面將要討論在不同坐標下永磁同步電機的數學模型。定子三相坐標(a-b-c)中永磁同步電機模型忽略了內部電容后，三相永磁同步電機在a-b-c坐標下的電壓和磁鏈方程可以寫成如下形式:d,sU=IR+sssdt(3-1),,sssr,，IL(3-2),sUsIsRsLs上式中的為定子電壓，為定子電流，為定子電阻，為定子磁鏈，為定子電,r感，為轉子磁鏈。永磁同步電機在a-b-c坐標下的電壓方程的矩陣形式如下:12u00aaa,Ris，，，，，，，，,,,,,,,,bbsbu=00pRi，,,,,,,,,,,,,,,,,,ccscu00Ri,，，，，，，，，(3-3),a,b,cuaubuc、、為定子的a、b、c各相電壓，p為微分算子，、、為定子abc三iaibic相的磁鏈，、、為定子a、b、c各相電流。永磁同步電機在a-b-c坐標下的磁鏈方程的矩陣形式如下:,,aLMMiaaabacacos，，，，，，，，,,,,,,,,bbabbbcbr,，，:MLMicos(120),,,,,,,,,,,,,,,,,,,ccaccccbMMLicos(120),:,,，，，，，，，，(3-4)LaaLbbLccMabMba、、分變為三相各自的自感系數，和為a、b相之間的互感系數，,rMacMcaMbcMcb和為a、c相之間的互感系數，和為b、c相之間的互感系數，為轉子磁,鏈，轉子位置較角。可以看出在定子三相靜止坐標下，永磁同步電機的狀態方程組是變系數的微分方程組，且與轉子的位置角有關。在分析和求解時比較困難，不利于應用。所以人們就開始想辦法將變系數的方程組轉換成常系數的方程組。α-β坐標系中永磁同步電機的數學模型圖3-1在磁場等效原則下，用兩相匝數相同，結構相同，相互正交的繞組去代替定子a、b、c三相對稱繞組，這就是Clark變換。也就是說,經過變換后新的兩相繞組的兩個分電流產生的合成磁動勢與原來三相繞組三個分電流所產生的合成磁動勢大小相等。為了計算簡便，我們規定兩相繞組的合成磁動勢和三相繞組的合成磁動勢轉向相同，且α軸與a軸重合。經過變換，可得出在α-β坐標系永磁同步電機的狀態方程。電壓方程的矩陣形式:13uRpLi,,ss，,0sin,，，，，，，，，r,，,,,,,,,,,,ssuRpLi0cos，,,,，，，，，，，，(3-5)u,i,i,u,,、為α-β坐標系中定子的電壓，、為的定子電流，為轉子轉速。轉矩方程:，3TPiie,,,,,,,,()2(3-6),,,,、為α-β坐標系中的定子磁鏈，P為磁極數，為電磁轉矩。Ted-q坐標系中永磁同步電機的數學模型圖3-2在磁場等效的原則下，以轉子的旋轉磁場為參考系，以與轉子重合的方向為d軸的方向，以與轉子正交的方向為q軸，且q軸超前d軸90?。將α-β中永磁同步電機狀態方程轉換到d-q坐標系的過程，就稱作park變換。經過park變換后，永磁同步電機的狀態方程組是一個常系數的方程組，分析計算比較簡便。電壓方程的矩陣形式:uRidsddd0,,,，，，，，，，，，，,，，p,,,,,,,,,,,uRiqsqqq0,,，，，，，，，，，，(3-7),d,qiduq、為d-q坐標系中的定子電壓，、為d-q坐標系中的定子電流，、為d-q坐udiq標系中的定子磁鏈。磁鏈方程的矩陣形式:,,dddfLi0，，，，，，，，,，,,,,,,,,qqq00Li,，，，，，，，，(3-8)14,f、為d-q坐標系中的定子電感，為轉子磁鏈。LqLd轉矩方程:3TPiiedqqd,,,,()2(3-9)M-T坐標系中永磁同步電機的數學模型M-T坐標系變換原理和d-q坐標系一樣，都是把各個參數從靜止參考系轉換到旋轉的參考系中。與d-q坐標系不同的是，d軸是與轉子的幾何位置重合的，而M軸則是與磁場的軸線重合的。M-T坐標系和d-q坐標系相互轉換關系如下:FFdMcossin,,,，，，，，，,,,,,,,FFqTsincos,,，，，，，，(3-10)FFMdcossin,,，，，，，，,,,,,,,Tq,FFsincos,,，，，，，，(3-11)FMFT、為d-q坐標系中的磁動勢，、為M-T坐標系中磁動勢，為定子磁鏈與轉子FqFd,磁鏈的夾角。磁鏈方程的矩陣形式:22,,MMicos，，LLLLcossinsincossincosdqdq，,，,,,,,,，，，，，，,，f,,,,,,,,,22TTisin,,,dqdqLLLLsincossincossincos,，，,,,,,,，，，，，，，，(3-12),TiT因為M軸與磁場的軸線重合，所以=0。所以可以寫成如下形式:2sin()sin2,,,,fqsdqLLL,,IT,dq2LL(3-13)轉矩方程:TPiesT,1.5,(3-14)整理得:3[2sin()sin2]PsLsLL,,,,,fqqd,,eT,dq4LL(3-15)153.4本章小結本章介紹了表面式，內埋式和嵌入式這幾類永磁同步電機以及它們的應用場合。簡述了永磁同步電機的結構以及圓柱形轉子、無極靴星形轉子、有極靴星形轉子、爪極式轉子和切向式轉子的優缺點和應用場合。展示了永磁同步電機在a-b-c坐標系，α-β坐標系，d-q坐標系和M-T坐標系下的數學模型，主要包括電壓、磁鏈和轉矩的方程。為后續章節打下了一個理論基礎。第四章永磁同步電機直接轉矩控制4.1永磁同步電機直接轉矩控制原理從式(3-15)可以看出，在M-T坐標下，電磁轉矩分成了兩部分:第一部分與轉子磁鏈有關，屬于勵磁轉矩;第二部分是由轉子的不均勻，即凸極性引起的，屬于磁阻轉矩。方程中的磁極數，d軸電感和q軸電感都是常量，因此轉矩只與轉子磁鏈，定子磁鏈和定子磁鏈與轉子磁鏈夾角的正弦值有關。在控制過程中，假若忽略了定子電阻，定子磁鏈和轉子磁鏈的夾角就等于負載角。根據同步電機的特點，我們可以知道，在穩態時，定子磁鏈和轉子磁鏈是以相同的轉速旋轉的。它們之間的夾角也恒定不變。在暫態時，定子磁鏈和轉子磁鏈以不同的轉速旋轉，它們之間的夾角也是變化的。因為電機的定子電氣時間常數遠遠小于轉子的機械時間常數，所以在實際應用中，我們把轉子的磁鏈看作是一個常數，不予控制。只要使定子磁鏈的幅值不變，直接控制定子磁鏈運動速度的大小和方向，從而改變定子磁鏈和轉子磁鏈之間的夾角。這就能實時快捷地控制電磁轉矩。以上就是永磁同步電機直接轉矩控制的基本原理。16圖4-1通過原理圖4-1我們可以清楚看到永磁同步電機直接轉矩控制的具體情況。三相永磁同步電機直接轉矩控制主要包括以下幾個部分:轉速調解環節，主要由比例積分環節完成轉速調節的功能。滯環比較器，空間電壓矢量開關表，三相電壓逆變器，永磁同步電機，坐標轉換環節，磁鏈估計環節，轉矩估計環節和區域判斷環節組成。系統把三相永磁同步電機實際轉速與給定轉速作比較，將兩者之間的誤差作為比例積分環節的輸入量。另一方面，系統把測得的定子的三相電流和相間電壓送入坐標轉換環節，進行坐標轉換，再把坐標轉換環節的輸出值送入磁鏈估計環節，把其輸出的磁鏈值分別送入區域判斷環節和轉矩估計環節，并且與給定的定子磁鏈值作比較，將誤差輸入到滯環比較器中。然后，把比例積分環節輸出的給定轉矩和轉矩估計環節輸出的實際轉矩作比較，把它們的誤差輸入到滯環比較器中。將兩個滯環比較器的輸出值和區域判斷值作為開關表的輸入量，得出一組控制脈沖，去控制三相電壓逆變器的通斷，從而控制三相永磁同步電機。之后再一次檢測電機的轉速，電流和電壓，重復上述步驟，不斷循環。這就是永磁同步電機直接轉矩控制的過程。4.2逆變器與開關表逆變器和開關表都是三相永磁同步電機直接轉矩控制系統的重要組成部分。在三相永磁同步電機直接轉矩控制系統中，我們選擇三相橋式電壓逆變器來實現逆變功能。其結構如圖4-2，它的特點是每一支橋臂都導通180?，a、b、c各相導通的電角度相差120?，同一相的上下兩個橋臂交替導通。在任意一個時間里都有3支橋臂導通，上下兩橋臂交替換流。所以三相橋式電壓源逆變電路的換流方式為縱向換流。我們可以假定176個空間矢量去表示三相橋式電壓源逆變電路的6種狀態。它們分別是U1(100)，U2(110)，U3(010)，U4(011)，U5(001)和U6(101)。其中第一位數字代表a相，第二位數字代表b相，第三位數字代表c相。1代表導通，0代表關斷。在這6個空間矢量的基礎上，再引入兩個無意義的零矢量，就是圖4-3的空間矢量的分布情況。兩個零矢量U7(000)和U8(111)位于坐標原點，其余的6個矢量把坐標平面分成6等份，每一等份是60?。在由電壓空間矢量分布圖可知，在每一個區域中，我們能用兩個相鄰的電壓矢量來控制定子磁鏈的值。從而使開關頻率最小，盡量減小電磁轉矩的脈動。例如在60?—120?的區域中，定子磁鏈正在逆時針旋轉。這時，就可以用空間電壓矢量U3增加定子磁鏈的值，用空間電壓矢量U4減小定子磁鏈的值。圖4-2圖4-3根據空間電壓矢量的控制理論，可以通過磁鏈的位置，滯環比較器輸出的磁鏈的值和轉矩的值，去確定應用那一電壓矢量來控制三相橋式電壓源逆變電路的通斷。這就是空間電壓矢量開關表的原理。18表4-1ψτθθ1θ2θ3θ4θ5θ6ψ=1τ=1U2U3U4U5U6U1(110)(010)(011)(001)(101)(100)τ=-1U6U1U2U3U4U5(101)(100)(110)(010)(011)(001)ψ=-1τ=1U3U4U5U6U1U2(010)(011)(001)(101)(100)(110)τ=-1U5U6U1U2U3U4(001)(101)(100)(110)(010)(011)若ψ=1，說明實際的定子磁鏈小于給定的磁鏈，此時應增大定子磁鏈。若ψ=-1，說明實際的定子磁鏈大于給定的定子磁鏈，此時應減小定子磁鏈。同理可得轉矩的調節方法。4.3定子磁鏈與電磁轉矩的測定定子磁鏈的值在永磁同步電機直接轉矩控制中，作用舉足輕重。所以測定定子磁鏈的方法的選擇尤為重要。定子磁鏈的測定主要有兩種方法，分別是電流模型測定法和電壓模型測定法。圖(4-4)電流模型測定法。把在α-β坐標系下的兩個電流分量輸入到α-β坐標系與d-q坐標系的轉換環節中，再由在d-q坐標系下的磁鏈方程確定定子磁鏈的d軸分量和q軸分量。然后在分別把兩個分量經過d-q坐標系與α-β坐標系的轉換，得到定子磁鏈α軸的分量和β軸的分量。這種定子磁鏈的測定方法運用到一次Park變換和一次Park的逆變換，計算量比較大，操作起來比較麻煩，所以這種方法的應用并不廣泛。下面介紹一種運算相對方便簡單的定子磁鏈的測定方法，也是本人在仿真中使用到的一種方法。它就是電壓模型測定法。19圖4-5ssss,,()UiRdt,,,,,(4-1)ssss,,()UiRdt,,,,,(4-2)根據式(4-1)和(4-2)可以建造如圖4-5的模型。由圖可知，只要經過兩次積分，就可以把測得的定子電壓和電流的α軸的分量和β軸的分量轉化為定子磁鏈的α軸的分量和β軸的分量。與電力模型測定法相比，省去了兩次坐標轉換，使計算變得簡單，大大提高了運算速度。所以電壓模型測定法應用相當廣泛，且特別適合用于高速控制的場合。電磁轉矩的測定，電磁轉矩是永磁同步電機直接轉矩控制中必要的檢測量。但是在實際操作中，很難直接測定電磁轉矩的值。所以，就通過間接測量的辦法，去求得電磁轉矩的值。根據式(3-6)可知，只要測出定子電流的α軸的分量和β軸以及用電壓模型測定法測出的定子磁鏈的α軸的分量和β軸，就能求得電磁轉矩。圖4-64.4本章小結20本章重點介紹了永磁同步電機直接轉矩控制的原理和系統構造。在上一章講到的永磁同步電機的數學模型的基礎上講述了三相永磁同步電機直接轉矩控制系統中幾個重要的構成部分，如三相橋式逆變器，空間電壓矢量開關表，定子磁鏈測定環節和電磁轉矩測定環節的原理，為下一章的軟件仿真打下基礎。第五章永磁同步電機直接轉矩控制仿真5.1仿真軟件MATLAB(MatrixLaboratory)即矩陣實驗室，是美國Waterworks公司出品的軟件，是用于算法的開發、數據分析、數據可視化以及數值計算的高級技術計算語言和交互式平臺，主要包括MATLAB和Sibling兩大部分。本文主要應用到MATLAB的Simulink功能。Simulink為MATLAB的重要組成部分。它能提供用戶一個建模、仿真以及數據分析的環境。該環境的最大特點就是可視化，即用戶無需運用大量的算法和編程語言去對對象就行操作，只需要用鼠標點擊所需要的功能，拖動工具箱中所利用到的模塊，然后輸入參數，再進行連接建模，就能輕松仿真，并直觀地觀察到用戶所需的仿真波形，便于分析。Simulink主要有以下優點:仿真工具箱的模塊庫種類繁多，并且可以支持擴展和自定義編輯，使應用范圍變得廣泛。直觀的圖形交互式操作，使用戶的操作簡單快捷，易于初步掌握軟件的使用。糾錯功能出色，模型分析和診斷工具的引入，能查出模型中的錯誤，提示用戶，保證模型的一致性。5.2仿真模型如圖5-1所示，仿真模型主要有直接轉矩控制模塊，三相橋式電壓逆變模塊，永磁同步電機模型，測量模塊再輔以其余模塊搭建而成的。下面主要介紹一下直接轉矩控制模塊。21圖5-1直接轉矩控制模塊主要由a-b-c坐標系與α-β坐標系的定子電流轉換模塊和定子電壓轉換模塊，定子磁鏈計算模塊，電磁轉矩計算模塊，磁鏈位置判斷模塊和開關表模塊組成。定子電流轉換模塊圖5-2此模塊的主要功能是把在a-b-c坐標系下的定子電流轉換成α-β坐標系下的定子電流。22定子電壓轉換模塊圖5-3此模塊的主要功能是通把在a-b-c坐標系下的定子電壓轉換成α-β坐標系下的定子電流。定子磁鏈計算模塊圖5-4此模塊的主要功能是用電壓模型測定法，通過雙積分計算求的得實際的定子磁鏈的α軸的分量和β軸的分量。電磁轉矩計算模塊23圖(5-5)此模塊的主要功能是把測出定子電流的α軸的分量和β軸以及定子磁鏈的α軸的分量