永磁同步电机直接转矩控制Word格式.docx
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第二章直接转矩控制概述
2.1电机控制策略分类6
2.2直接转矩控制原理7
2.3直接转矩控制的发展方向8
2.4本章小结9第三章永磁同步电机概述
3.1永磁同步电机的分类9
3.2永磁同步电机的结构10
3.3永磁同步电机的数学模型12
3.4本章小结16第四章永磁同步电机直接转矩控制
4.1永磁同步电机直接转矩控制原理16
4.2逆变器与开关表17
4.3定子磁链与电磁转矩的测定19
4.4本章小结20第五章永磁同步电机直接转矩控制仿真
5.1仿真软件21
5.2仿真模型21
5.3仿真结果分析24
5.4本章小结26第六章结论26
参考文献28
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1.1研究背景及研究意义
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。
电机，即将机械能和电能相互转化的设备。
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。
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1.2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（PulseWidthModulation）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（SinusoidalPWM），即正弦波的脉冲宽度调节，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:
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。
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（SpaceVectorPulseWidthModulation）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。
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1.3研究的主要内容
本文主要对永磁同步电机直接转矩控制这一课题进行研究。
第二章主要介绍当今交流伺服系统的控制策略，直接转矩控制的原理和发展趋势。
第三章对永磁同步电机的结构，
第四章主要讲述了直接转矩控制在永磁分类，及它在各个坐标系下的数学模型进行介绍。
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，特别是仿真结果进行归纳，最后的得出本文的结论。
2.1交流伺服电机控制策略分类
上文已经提及到由于科技的革新和技术的发展，交流伺服电机应用日渐广泛，所以对交流伺服电机控制策略的研究的重要性也不断提高。
交流伺服电机的控制策略大概可以分为以下几类:
一、基于稳态的控制策略
其中较有代表性的就是恒压频比控制。
它忽略了控制变量的相位，只关注其的幅值，而且其反馈量和输入量之间的比值为直流量，所以它的本质是一种标量控制方法。
它具有操作简易，投入成本低，实现简单的优点。
但同时也存在动态性能差，低速时转矩响应低，参数设计难，没有解决非线性、多变量的问题等缺点。
因此，不能用在高精度要求的场合上，也就是说只能用于如风机、泵机这一类对控制精度要求不高的电机上。
二、基于动态的控制策略
矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是对电机的参数进行解耦，分别对电机的磁链和电流进行独立的控制。
具体实现方式是把转子的旋转磁场作为参考系，将定子电流分解成两个分量，一个是与转子同向的分量，即直轴分量;
一个是与转子正交的分量，即交轴分量。
这样就消除了转子和定子之间的互感的影响，成功解耦。
然后分别独立对两个分量进行控制，达到控制电机速度的目的。
究其实质，就是将复杂的交流电机控制，通过坐标的转换，变成直流电机的控制。
但是，因为要实现这种控制方法，就必须在系统中增设位置传感器，观测转子的实时位置。
这样就是的成本增加，而且加大了操作难度。
另一方面，由于坐标轴的转换，增加了大量的运算，降低了效率，带来了诸多不便。
直接转矩控制（directtorquecontrol，简称DTC），,,,,年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本的Takahashi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
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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。
反馈线性控制，反馈线性控制主要分为两类，第一类是微分几何反馈线性控制;
第二类是动态逆控制，又称直接反馈线性控制。
这两种方法都是针对解决非线性问题而提出的。
微分几何反馈线性法因为要将问题转换到几何域里，比较抽象，在实际应用中不如物理概念清晰的动态逆控制法。
自适应控制，自适应控制能根据电机的运行情况不断提取实时参数，然后根据新的参数合理地修改控制策略。
这样，有利于加强动态性能。
自适应控制主要包括模型自适应、参数自适应和非线性自适应。
这种控制方式的不足在于当电机的运行状态变化太快的时候，无法很好地跟踪其参数，提取的结果与实际结果误差较大，导致修改后的控制策略不合理。
另一方面，由于电机模型的复杂性，导致运算时间过长，降低了控制的效率。
但这一不足随着微处理器的不断更新换代，得以克服。
三、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。
2.2直接转矩控制原理
直接转矩控制是在矢量控制策略后又一应用广泛的控制策略，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。
它并没有像矢量控制一样，用转子磁链作为参考系，而是把定子磁链作为参考系，这样就使磁链仅仅由定子电阻确定，大大弱化了电机运行状态改变时对控制策略的影响。
确定了参考系后，只需测定定子的电压和电流，就能通过空间矢量理论去计算电磁转矩以及定子磁链。
通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢量进行控制。
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
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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。
2.3直接转矩控制的发展方向
直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。
它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。
由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。
当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开始改变状态，终止电压矢量的作用。
因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。
为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，目前专家提出了几种解决方法。
这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。
一、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Ψs、电磁转矩
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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。
2.4本章小结
本章主要介绍了电机控制的策略，大致可分为三类:
基于稳态的控制策略，基于动态的控制策略和不依赖对象的数学模型的控制策略。
其中基于稳态的控制策略受到动态性能的限制，不能得到广泛的应用。
而不依赖对象的数学模型的控制策略现今还没成熟。
基于动态的控制策略因其动态性能和控制精度较高，应用比较广泛。
其典型代表就是直接转矩控制。
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。
第三章永磁同步电机概述
3.1永磁同步电机的分类
按照转子上的永磁体的位置，可以把永磁同步电机分为三类，分别是表面式，内埋式和嵌入式。
表面式的永磁同步电机属于隐极电机，永磁体位于转子表面，体积较小，转动
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时惯性也比较小，因此转矩的线性特性相对较好。
内埋式永磁同步电机和嵌入式永磁同步电机同属凸极电机，因此转矩的线性没有表面式永磁同步电机好。
其中嵌入式永磁同步电机的凸极特性比内埋式永磁同步电机要小，因此转矩的线性也比较好。
但内埋式永磁同步电机也有着自己的优势，它虽然转矩的线性度较差，但它具有明显的磁阻效应，有利于优化电机的调速特性和提高电机的运行效率。
3.2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:
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
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加固措施，因此机械强度较差，转速和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，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
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