永磁同步电机的直接转矩控制系统.docx
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永磁同步电机的直接转矩控制系统
永磁同步电机的直接转矩控制系统
前言
摘要....................................................................IABSTRACT................................................................II第1章绪论..............................................................1
1.1本课题的背景及研究意义..............................................11.2永磁同步电机控制相关领域发展概况....................................2
1.2.1永磁同步电机的特点..............................................2
1.2.2电力电子器件的发展..............................................3
1.2.3微处理器的发展..................................................4
1.2.4永磁同步电机控制策略............................................4
1.3直接转矩控制的研究现状及发展趋势....................................61.4本课题的研究内容....................................................7第2章永磁同步电机的数学模型...........................................92.1引言................................................................92.2三相永磁同步电机的基本结构..........................................92.3三相永磁同步电机的数学模型.........................................10
2.3.1A-B-C坐标系下的PMSM模型......................................11
2.3.2α-β坐标系下的PMSM模型......................................12
2.3.3d-q坐标系下的PMSM模型........................................14
2.3.4M-T坐标系下的PMSM模型........................................152.4本章小结...........................................................16第3章永磁同步电机的直接转矩控制......................................173.1引言...............................................................173.2三相永磁同步电机的直接转矩控制.....................................17
3.2.1直接转矩控制的基本思想.........................................17
3.2.2逆变器和空间电压矢量...........................................19
3.2.3定子磁链的观测与控制...........................................21
3.2.4电磁转矩的观测与控制...........................................24
3.2.5逆变器开关表...................................................253.3本章小结...........................................................26第4章永磁同步电机直接转矩控制系统的仿真研究..........................27
...............................................................274.1引言
4.2MATLAB7.1/SIMULINK仿真工具箱简介....................................274.3三相永磁同步电机传统直接转矩控制系统仿真...........................28
4.3.1PMSM模型及主电路模块..........................................28
-B-C/α-β坐标变换单元...................................284.3.2电流A
4.3.3α-β坐标系的定子电压分量获取模块..............................29
4.3.4ψs、Te及γ估算模块...........................................30
4.3.5定子磁链区域号的判断模块.......................................31
4.3.6开关表及逆变器驱动信号模块.....................................324.4仿真结果与分析.....................................................33
4.5本章小结...........................................................37第5章系统软硬件设计....................................................385.1永磁同步电机直接转矩控制系统的硬件构成.............................38
5.2软件设计...........................................................385.3本章小结...........................................................39结论...................................................................40参考文献.............................................................41致谢...................................................................42附录1:
三相永磁同步电机直接转矩控制系统仿真图..........................43
附录2:
三相永磁同步电机直接转矩控制系统结构框图........................43
2009届电气工程与自动化毕业论文
摘要
直接转矩控制策略因其具有转矩控制直接、动态响应较快、算法相对简单等优点在交流电机调速领域得到越来越多的关注。
随着对永磁同步电机研究的深入，直接转矩控制策略在永磁同步电机的控制领域逐步得到应用。
本文主要针对永磁同步电机的直接转矩控制技术进行深入研究。
为了准确分析直接转矩控制原理，需要对控制对象进行数学分析。
为此，本文首先从永磁同步电机的结构出发，分析了永磁同步电机的工作原理，进而建立了永磁同步电机在不同参考坐标系下的数学模型。
深入分析了直接转矩控制的控制思想，对基于Bang-Bang滞环控制的传统方式进行了研究，分析了空间电压矢量对定子磁链和电磁转矩的影响。
借助Matlab7.1/Simulink工具对永磁同步电机的传统直接转矩控制系统进行建模设计，建立了仿真模型。
关键词永磁同步电机，直接转矩控制
I
罗喻舰:
永磁同步电机直接转矩控制系统
ABSTRACT
MoreattentionispaidtoDTCinACmotorspeedcontrolareabecauseofitsadvantagessuchasfastdynamicresponse，relativelysimplealgorithmandsoon.Withdeepstudyof
permanentmagnetsynchronousmotor（PMSM）,DTCstrategyisappliedgraduallyinPMSMcontrolarea.ThispaperisaimedatstudyingDTCtechnologydeeplyforPMSM.
InordertomakeanaccurateanalysisfortheprincipleofDTC,mathematicalanalysisofmotorstobecontrolledisessential.SotheoperationalprincipleofPMSMisanalyzedfirstlybasedonitsstructureinthispaper,thenmathematicalmodelsofPMSMareestablishedunderdifferentreferencecoordinatesystems.
Afterthat,thetheoryofDTCisstudieddeeplyandtraditionalcontrolsystembasedonBang-Bangmodeisresearched.Theeffectsofspacevoltagevectorstowardsstatorfluxandelectromagnetictorquearealsoanalyzed.
WithMatlab7.1/SimulinkthesubsystemsoftraditionalDTCsystemaremodeledanddesigned.Thenthesimulationmodelisalsoestablished.
KEYWORD:
PMSM，DTC
II
2009届电气工程与自动化毕业论文
第1章绪论
1.1本课题的背景及研究意义
在工业农业、交通运输、国防建设、军事设施和日常生活中广泛应用电机传动，其中多场合需要电机调速。
直流调速系统调速方便，只要改变电机的输入电压或励磁电流就可以在宽范围内实现无级调速，而且在磁场一定的情况下转矩输出与电枢电流成正比，使得直流电机的转矩易于控制。
因此在上世纪70年代以前，直流调速系统广泛应用于调速范围广、控制精度高、动态性能好的场合，在变速传动领域中长期占据统治地位。
但是直流电机本身存在如下缺点:
电刷和换向器使电机成本高，体积大而需要定期维护，转速和容量方面有所限制，不适用于易燃、易爆、多尘及环境恶劣的场合等。
相比直流电机，交流电机具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、维护容易、价格便宜、对环境要求低等优点。
电机调速系统的关键问题是在维持气隙磁链不变的情况下控制电机的电磁转矩，而交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，不能像直流电机那样磁链和转矩可以独立调节，因此交流电机的调速成为难题。
然而，电力电子技术、计算机技术和控制理论的迅速发展大大地促进了交流电机控制技术的研究和产品的研发，交流调速系统已逐渐占据传动领域的主导地位，而且应用实践表明交流调速技术的广泛应用带来了巨大的经济和社会效益。
交流伺服电机主要分为感应电机（InductionMotor，简写为IM）和永磁同步电机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简写为PMSM）两大类。
目前，由这两类电机组成的高性能交流伺服驱动装置已占据市场的主导地位。
感应电机由于结构简单、运行可靠、价格低廉，在工农业生产中得到了广泛应用，但其调速性能不如直流电机，调速比较麻烦。
另外，转子电阻随温度而变化影响了磁场定向的准确性。
感应电机虽然存在上述诸多缺点，但是它具有容易进行弱磁控制、齿槽脉动转矩较低、反馈装置便宜、容易实现高速运行等优点。
永磁同步电机与感应电机相比，转子具有较低的惯性，电机对于一定的转矩具有快速响应的能力;不需要励磁电流，不需要阻尼绕组，减少了定子电流和定子电阻的损耗;而且在稳定运行时没有转子电阻损耗，效率和功率因数都比较高;与同容量的感应电机相比体积较小。
所以采用永磁同步电机的交流传动
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罗喻舰:
永磁同步电机直接转矩控制系统
系统成为今后的发展趋势。
近年来，电力电子技术、微电子技术、现代控制理论的发展为交流调速传动产品的发展创造了有利条件，使其逐步具备了宽范围、高精度、快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能，并实现了产品的系列化。
在这种情况下，国际上出现了“运动控制系统”这一新概念，它包含着电机、电力半导体器件、变换器电路、数字电子技术、自动控制理论和微型计算机等众多学科。
最近又增添了超大规模集成电路和计算机辅助设计技术，而其核心就是交流电机的控制。
永磁同步电机作为交流电机的一种，发展其传动控制系统具有以下优势:
在永磁材料方面，我国作为一个稀土资源大国，对稀土钕铁硼永磁材料的性能研究己经达到世界先进水平，所以对于发展永磁同步电机具有很强的优势。
因此开发驱动永磁同步电机的调速传动装置具有非常广阔的市场应用前景。
在控制理论方面，直接转矩控制技术作为近年发展起来的一种控制理论，省掉了矢量控制理论中复杂的矢量变换，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，转矩响应迅速，对转子参数不敏感，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。
因此，研究永磁同步电机的直接转矩控制技术在经济和理论上都具有重大意义。
迄今为止，真正应用直接转矩控制技术的产品并不多见。
本文研究的目的是探讨该技术在永磁同步电机控制上的应用，为开发实用的永磁同步电机直接转矩控制系统进行理论及初步的实践研究。
1.2永磁同步电机控制相关领域发展概况
1.2.1永磁同步电机的特点
上世纪20年代，美国GE公司利用铁氧体磁钢研制出一批微型永磁同步电机，但功率很小。
到了70年代，第一代和第二代稀土钐钴永磁材料相继问世，其优异的磁性能使得永磁电机的发展呈现出繁荣的生机。
当前比较流行的永磁电机用永磁材料是稀土钕铁硼（NdFeB）。
NdFeB磁钢具有很高的磁能积，它的剩余磁感应强度和矫顽力都较大，用较少的永磁磁钢就能产生足够的电机磁能积，可以使电机的体积大大减小并且效率更高。
永磁同步电机的优点有:
（1）永磁同步电机用永磁体取代电励磁，且无励磁损耗;在同步运行时，由于定、
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转子同步，转子铁芯中也没有铁耗。
因此，永磁同步电机的效率比电励磁同步电机和感应电机高，而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流，提高了电机的功率因数，具有明显的节能效果。
（2）永磁同步电机不需要电励磁装置，大大简化了转子结构，提高了电机运行的可靠性。
（3）永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化等扰动具有较强的承受能力。
（4）永磁同步电机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。
1.2.2电力电子器件的发展
电力电子器件是电机控制系统中弱电控制强电的关键所在。
电力电子器件的发展一直是电机控制领域最重要的物质基础，大功率半导体器件的发展制约着电机控制的水平。
电力电子器件从二极管到三极管，实现了从不可控到可控的发展;可控晶闸管的诞生使得可控器件向大功率方向发展，并开始占据大功率市场。
但是可控晶闸管只能控制导通不能控制关断的缺点限制了它在许多领域的发展，尤其是在要求能够高频控制功率变换的应用场合。
双极型功率三极管GTR的出现在一定程度上解决了这个问题。
它具有控制方便、全控型自关断、工作频率高的优点。
特别是随着GTR饱和压降的不断降低和工作频率的提高，GTR在许多领域得到了应用。
但是由于它存在功率放大倍数较低、控制功率较大、保护电路复杂、器件存在二次击穿等问题，因此其应用无法快速推广。
随着功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的诞生和发展，MOSFET凭借其微功率电压控制特性和高频率特性，迅速在中小功率变换领域发挥作用。
然而，MOSFET通态电阻较大和耐压有限等缺点限制了它向高电压应用场合发展。
绝缘栅双极晶体管IGBT在结合MOSFET的电压控制特性和GTR的饱和电压特性的基础上发展起来，并突破了二者的限制，开始向大功率领域进军。
近年来带驱动和保护电路的智能功率模块（IntelligentPowerModule，简写为IPM）相继问世，它被称为第三代功率器件。
用户不必考虑器件的具体运行方式，只需设计系统的控制部分和最优结构。
新型IPM模块甚至将开关电源等其他环节也设计在模块内，更加方便用户使用。
例如三菱公司的IPM模块，不但具备常规IPM的基本功能，而且不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电，并且采用了低电感封装技术，
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罗喻舰:
永磁同步电机直接转矩控制系统
在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。
因此智能功率器件IPM是目前电机数字控制领域的发展方向。
1.2.3微处理器的发展
微处理器是交流伺服系统的核心，其型号的选择往往直接影响系统的控制功能和效果。
适用于交流伺服系统的微处理器通常有单片微型计算机（简称单片机）和数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，简写为DSP）两种。
一般来说，单片机是面向控制的，在片内集成了较多的I/O接口和外围部件，但运算速度比较慢;DSP是面向快速信号处理的，运算速度比同一时期的单片机要快1~2个数量级，但价格相对昂贵。
为了满足实际需要，单片机和DSP都在沿着扩大集成度、增加位数、加快速度、提高数据和信号处理能力、扩展功能、降低成本的方向发展。
控制用DSP芯片是传统DSP与单片机相结合的产物，它既具有传统DSP的高速处理器内核，又集成了类似于单片机的丰富外设资源。
与传统DSP相比，它具有适合于控制应用的外围模块、更丰富的内置RAM和Flash存储器和更强的中断处理能力;与单片机相比，它具有更快的处理速度，适用于电机控制的高端应用场合。
经过近几年的发展，DSP芯片已取代单片机成为伺服控制领域的主流控制芯片。
目前，DSP芯片的主要供应商有TI公司、AD公司和Motorola公司等。
1.2.4永磁同步电机控制策略
永磁同步电机的特点是转速与电源频率严格同步，可以采用变压变频（VariableVoltageVariableFrequency，简写为VVVF）来实现调速。
为了取代直流调速、提高控制性能并降低成本，各种VVVF控制策略得到了很大的发展，新型控制策略也不断涌现出来。
目前，应用于永磁同步电机的控制策略主要有以下几种:
（1）转速开环恒压频比控制该控制策略是从电机的稳态特性推导出来的控制方法。
它只需控制变量的幅值，并且反馈量是与给定量成比例的直流量，因此在本质上是一种标量控制。
它的优点是控制原理和结构简单、成本较低、实现起来比较容易，也能满足一定的调速性能要求。
到目前为止，恒压频比控制方式在实践中仍然有着广泛的应用，并且得到不断的完善;缺点是系统性能不高、动态性能不够理想、调节器参数很难设计，究其根本原因在于它采用的是单变量系统的控制思想，没有从根本上解决非线性、多变量的特殊问题。
因此转速开环恒压频比控制方式比较适用于风机、水泵
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等调速场合。
具体地说，采用这种控制策略，系统的控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机的转矩利用率不高，低速运行时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而使性能下降，导致系统稳定性变差，已经不能满足高精度的应用场合。
（2）转子磁场定向的矢量控制（FieldOrientatedControl，简写为FOC）该控制策略是20世纪70年代由西德F.Blasschke等人首先提出。
矢量控制是将交流电机和直流电机进行对比分析来阐述其原理的，由此开创了交流电机等效直流电机控制的先河。
它使人们看到交流电机尽管控制复杂，但是同样可以实现电磁转矩、电机磁场独立控制的内在本质。
矢量控制的基本特点是控制转子磁链，以转子磁通定向，实现了定子电流的励磁分量与电磁转矩分量二者间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的。
但是由于转子磁链难以准确观测以及矢量坐标变换比较复杂，使得实际控制效果往往难以达到与理论分析一致的效果。
这是矢量控制技术在实践上的不足。
此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，因此在矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。
（3）直接转矩控制技术（DirectTorqueControl，简写为DTC）直接转矩控制技术是由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授于1985年分别提出的一种继矢量变换控制之后在交流调速领域里出现的一种新型变频调速技术。
直接转矩控制与矢量控制不同，它不通过控制电流、磁链等变量来间接控制电磁转矩，而是把转矩直接作为被控量来进行控制。
该理论摒弃矢量控制解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向。
由于定子磁通定向只牵涉到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减弱。
在实现上，直接转矩控制取消旋转坐标变换，简单地通过检测定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的定子磁链和电磁转矩，并根据与给定值比较所得的差值，实现电机磁链和转矩的直接控制。
直接转矩控制的优越性在于:
侧重点是关注定子磁链的控制，在本质上并不需要转速信息;控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好;借助定子磁链观测器就能够很容易地估算出电机同步转速信息，因而能够方便地实现系统的无速度传感器运行。
但是，开关速度较慢会使电机在低速时电流和转矩的脉动十分明显，所以制约了其控制系统的调速范围。
如何提高直接转矩控制方案的低速性能是现在许多学者正在深入研究的理论和实践课题。
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罗喻舰:
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1.3直接转矩控制的研究现状及发展趋势
直接转矩控制技术自从被提出以来，凭借其诸多优点而引起人们广泛的关注和研究热潮。
在实际产品化方面，ABB公司首次把直接转矩控制技术转化为产品，开发了第一台商用变频器（ASC600系列）。
由于巨大的商用价值及其带来的可观经济效益，各大变频器厂商如西门子、三菱等都竞相开发此类产品。
众多的专家学者在该领域都做了大量研究与开发工
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