永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系： 電氣與信息工程系 專(zhuān)業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 0201 學(xué)號(hào)： 0201110128學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 2006年6月 誠(chéng) 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表過(guò)的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過(guò)的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 題目： 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩

2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓名 婁晶 系別 電氣與信息工程系 專(zhuān)業(yè) 自動(dòng)化 班級(jí) 0201 學(xué)號(hào) 0201110128 指導(dǎo)老師 唐勇奇 職稱(chēng) 副教授 教研室主任 一、 基本任務(wù)及要求： 本系統(tǒng)以永磁同步電動(dòng)機(jī)作為被控對(duì)象，針對(duì)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，研究直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并設(shè)計(jì)以DSP為控制核心的硬件電路，軟硬件設(shè)計(jì)包括：被控對(duì)象同步電動(dòng)機(jī)模型的建立、控制方法研究、主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制效果仿真等。 二、 進(jìn)度安排及完成時(shí)間：1、 第一周至第三周：明確課題任務(wù)及要求，搜集課題所需資料，掌握資料查閱方法，了解本課題研究現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及研究的實(shí)際意義。2、 第三周：查閱相關(guān)資料，

3、自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，確定課題總體方案，分配課題任務(wù)， 確定個(gè)人研究重點(diǎn)，做好選題報(bào)告。 3、 第四周至第五周：根據(jù)自己研究的方向，確定自己的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)對(duì)象特性進(jìn)行 各種控制方法的研究，并設(shè)計(jì)硬件總體模塊圖及軟件模塊圖。4、 第六周至第十二周：完成系統(tǒng)的控制方法研究，軟、硬件設(shè)計(jì)。5、 第十三周至第十四周：系統(tǒng)仿真及調(diào)試。6、 第十五周至第十六周：整理資料，完成畢業(yè)論文編寫(xiě)，進(jìn)行畢業(yè)答辯。目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的背景11.2 本課題的主要研究工作5第2章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型62.1 永磁同步電機(jī)的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)62.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立62.

4、2.1 坐標(biāo)系的定義62.2.2 三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換(3s-2s)72.2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(2s-2r)92.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（2t-2s）102.4 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型102.4.1 永磁同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型112.4.2 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型112.4.3 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型122.5 本章小結(jié)13第3章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究143.1 電壓空間矢量基本原理143.1.1 電壓空間矢量143.1.2 電壓空間矢量的選擇及零電壓矢量應(yīng)用163.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理

5、和控制規(guī)律183.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展及特點(diǎn)183.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理193.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律203.3 永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)213.3.1 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理213.3.2 永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)243.4 本章小結(jié)24第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)254.1 主控制芯片TMS320LF2407 DSP的介紹254.2 系統(tǒng)的主電路的設(shè)計(jì)284.2.1 系統(tǒng)的總體框圖284.2.2 系統(tǒng)的主電路設(shè)計(jì)294.3 系統(tǒng)的控制電路的設(shè)計(jì)314.3.1 系統(tǒng)的檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)324.3.2 系統(tǒng)的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)364.4

6、本章小結(jié)37第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)395.1 集成開(kāi)發(fā)介紹環(huán)境的395.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)395.3 系統(tǒng)的主程序模塊的設(shè)計(jì)405.4 系統(tǒng)的中斷程序模塊的設(shè)計(jì)415.4.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì)425.4.2 SVPWM子程序設(shè)計(jì)435.5 系統(tǒng)的故障中斷程序的設(shè)計(jì)465.6 本章小結(jié)47結(jié)束語(yǔ)48參考文獻(xiàn)50致 謝52附 錄53永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制策略直接對(duì)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，解決了交流電機(jī)矢量控制策略存在的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向解耦控制復(fù)雜性問(wèn)題，已成功應(yīng)用于高性能異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中。隨著直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步

7、電機(jī)(PMSM)中的理論基礎(chǔ)的解決，永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略受到了越來(lái)越多的關(guān)注。本設(shè)計(jì)也將在這方面進(jìn)行一些研究和探討。本設(shè)計(jì)從永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，論述了永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的基本理論，推導(dǎo)出了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的空間電壓矢量開(kāi)關(guān)表；并根據(jù)理論分析，引入了零電壓矢量參與控制，可以使得電機(jī)在控制過(guò)程中保持轉(zhuǎn)矩基本不變，從而可以降低逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，在不減小控制周期的情況下減小電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。本設(shè)計(jì)在完成理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) TMS320LF2407 的軟硬件設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一個(gè)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)主要

8、包括主電路、檢測(cè)電路、保護(hù)電路和控制電路等。其中檢測(cè)電路包括了直流母線電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和轉(zhuǎn)速檢測(cè)；保護(hù)電路包括啟動(dòng)限流保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和IPM故障保護(hù)等。軟件設(shè)計(jì)主要是在軟件中實(shí)現(xiàn)DTC控制策略。本設(shè)計(jì)分別完成了軟硬件的調(diào)試，在軟件中實(shí)現(xiàn)了DTC控制策略。關(guān)鍵字： 永磁同步電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間電壓矢量；數(shù)字信號(hào)處理器 Design for Direct Torque Control System of Permanent Magnet Synchronous MotorAbstract: The direct torque control strategy which directs to

9、 control the motors stator linkage and torque, resolving the problem that the complexity of the decoupled control for the directional rotor magnetic filed exsited in the alternating current(AC) motors vector control(VC) strategy, has been applied successfully to a high qualified control system of in

10、duction motors AC speed governor . With the development of direct torque control (DTC) control theory and the establishment of its fundamental theory in permanent magnet synchronous motor (PMSM), DTC strategy of PMSM has drawn considerable attention. This paper is also concerned with the DTC control

11、 theory, and some improvement has been made.Based on the PMSM mathematical model, the discussion of firndamental theory in DTC of PMSM is addressed. After that the classical DTC space voltage vector switch state lookup table is derived. On the basis of theoretic analysis, the zero voltage vector is

12、introduced into the control strategy, which can keep the torque remain and reduce the switching frequency, and can decrease motor torque ripple under the situation of not reduce the control period.the vector will improve the system performance.On the basis of theoretic analysis, the hardware andsoft

13、ware are designed by the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407.Furthermore, the direct torque control system of permanent magnet synchronous motor system is designed. The hardware design of this paper includes design of main circuit, measurement circuits, protection circuits, and control circu

14、its. The measurement circuits include DC line voltage measurement, current measurement, and speed measurement. The protection circuits include startup under limited current protection, over-current protection, and IPM fault protection. The software design of this paper mainly carries out the DTC str

15、ategy in the software. The debugging of hardware and software is completed in this paper and the DTC strategy is carried out in the softwar.Keywords: permanent magnet synchronous; motordirect torque controlspace; voltage vector; digital signal processor- 20 -永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第1章 緒論1.1 課題研究的背景電動(dòng)機(jī)是電能向

16、機(jī)械能轉(zhuǎn)換的能量載體。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸以及日常生活中廣泛地應(yīng)用著電機(jī)傳動(dòng)。其中對(duì)很多機(jī)械有調(diào)速的要求，一方面是為了滿(mǎn)足運(yùn)行、生產(chǎn)和工藝的要求，從而提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面是為了減少運(yùn)行損耗、節(jié)約能量。由此產(chǎn)生了電機(jī)調(diào)速技術(shù)即電氣傳動(dòng)技術(shù)，它可分為直流電氣傳動(dòng)和交流電氣傳動(dòng)兩大類(lèi)3。與直流電動(dòng)機(jī)相比交流電動(dòng)機(jī)尤其是鼠籠異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠和效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)其調(diào)速性能卻無(wú)法和直接調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其根本原因是交流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。因此在20世紀(jì)的大部分年代里，由于直流傳動(dòng)具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動(dòng)

17、都采用直流電動(dòng)機(jī)，而約占電氣傳動(dòng)總?cè)萘?0%的不變速傳動(dòng)則采用交流電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)70年矢量控制技術(shù)的提出及實(shí)用化，使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能和直流系統(tǒng)調(diào)速相媲美，從而使交流調(diào)速技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在矢量控制之后又提出了磁場(chǎng)定向控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和智能控制等先進(jìn)控制策略，推動(dòng)了交流電氣傳動(dòng)技術(shù)不斷地向前發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子學(xué)、專(zhuān)用集成電路(ASIC )、數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展為交流電氣傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展提供硬件保障；仿真軟件(如MATLAB)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的出現(xiàn)使高效、快捷地仿真和分析成為可能；控制理論的

18、發(fā)展是先進(jìn)交流調(diào)速控制策略的涌現(xiàn)提供了理論依據(jù)。今天，交流電氣傳動(dòng)技術(shù)已發(fā)展成為多門(mén)新技術(shù)、多門(mén)新學(xué)科相交叉的新興學(xué)科。由于控制簡(jiǎn)單，長(zhǎng)期以來(lái)在要求較高的場(chǎng)合，直流電機(jī)一直占主導(dǎo)地位。但它存在一些固有的缺點(diǎn)，例如電刷、換向器易損耗，需要經(jīng)常維護(hù)，換向器會(huì)產(chǎn)生火花，限制了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和過(guò)載能力，且無(wú)法直接應(yīng)用在易燃易爆的工作場(chǎng)合。而交流電機(jī)特別是感應(yīng)電機(jī)則沒(méi)有上述缺點(diǎn)和限制，轉(zhuǎn)子慣量較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。一般而言，同樣體積的交流電機(jī)的輸出功率比直流電機(jī)提高10-70%,此外，交流電機(jī)容量可以制造得更大，達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。交流電機(jī)雖然結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其控制卻比較復(fù)雜。交流異步電機(jī)價(jià)格便宜，運(yùn)行可靠

19、，但不能經(jīng)濟(jì)地在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，且需要吸收滯后的勵(lì)磁電流，功率因數(shù)和效率都較低。相比較而言，永磁同步電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)3：.20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的微處理器(Micro-processor)使得計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)揮了極為重要的作用，微處理器即計(jì)算機(jī)的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲(chǔ)器、I/O接口和其它外設(shè)，就可構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的通用控制器。正是由于單片機(jī)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用得到了一次突破，單片機(jī)不但小巧、成本低，而且由于眾多設(shè)備集成到了一塊芯片上帶來(lái)了功耗小和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。另外它可以方便地組成各種智能式控制設(shè)備和儀器，做到機(jī)電儀一體化:也可以

20、方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)有許多類(lèi)型，其中Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的68系列和Zilog公司的Z8系列為大家所知。單片機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，得到了飛速的發(fā)展，以Intel公司為例，早期推出MCS-48系列單片機(jī)，該單片機(jī)功能簡(jiǎn)單，尋址范圍有限，性能較差，隨之被稍后推出的MCS-51系列所取代。MCS-51系列單片機(jī)功能較強(qiáng)，尋址范圍達(dá)到64K,有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，片內(nèi)帶有串行I/O口，16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，這些性能基本能夠滿(mǎn)足一般控制系統(tǒng)的需要，故這類(lèi)單片機(jī)仍是目前應(yīng)用最為廣泛的一種單片機(jī)。雖然MCS-51單片機(jī)目前應(yīng)用得最為廣

21、泛，但在一些比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，它就顯得有些力不從心，不得不讓位于16位單片機(jī)。MCS系列16位單片機(jī)具有豐富的硬件資源和軟件資源，特別是在其CPU中不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)寄存器，消除一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)；尤其是80C196MC型內(nèi)置的波形發(fā)生器可直接輸出三相脈寬調(diào)制波形，特別適用于變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)。雖然此類(lèi)單片機(jī)性能優(yōu)越，但當(dāng)用于進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)則略有遜色。DSP則是近年來(lái)出現(xiàn)的一種高速專(zhuān)用的微處理器，其主要特點(diǎn)是采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)，并各自擁有自己的數(shù)據(jù)總線和地址總線；采用流水

22、線技術(shù)，使得指令處理的平均速度大大提高；內(nèi)部增設(shè)專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器；并將硬件乘法器與累加器以流水線方式連接，從而可以高速連續(xù)進(jìn)行乘法和累加運(yùn)算7。片內(nèi)還集成了越來(lái)越多的外圍接口，從而大大提高其功能，并且它有完整的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，開(kāi)發(fā)周期短，使得DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用倍受關(guān)注。二十世紀(jì)九十年代后期，國(guó)外公司推出了專(zhuān)用于電機(jī)控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、Analog Devices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP內(nèi)核基礎(chǔ)上，增加了帶死區(qū)功能的三相PWM發(fā)生器、光電編碼器輸入接口、豐富的I/O和中斷資源，為全數(shù)字化交流電機(jī)控制系統(tǒng)提供了功能強(qiáng)大的控制器?？刂撇呗院?/p>

23、方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前通用變頻器輸出電壓在380-650V,輸出功率在0.75-400kW，工作頻率在0-400Hz，它的主電路采用交一直一交電路。變頻器控制方式主要經(jīng)歷以下幾種方式。（1）恒壓頻比控制方式：它根據(jù)異步電機(jī)等效電路確定的線性進(jìn)行變頻調(diào)速。其特點(diǎn)是:控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩，而不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制?？刂魄€會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高。（2）矢量控制方式（VC控制）：交流傳動(dòng)控制理論及實(shí)踐終于在70年代取得了突破性的進(jìn)展，即出現(xiàn)了矢量控制技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)

24、機(jī)，分別對(duì)速度、磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換重建的電動(dòng)機(jī)模型就可以等效為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)4。矢量控制的控制方法實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著的改善，開(kāi)創(chuàng)了交流傳動(dòng)的新紀(jì)元。然而，在實(shí)際系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際的控制效果不如理論分析的好。這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足之處。交流傳動(dòng)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者也都針對(duì)矢量控制上的缺陷做過(guò)許多研究，諸如進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)(或補(bǔ)償)以及使用狀態(tài)觀測(cè)器等現(xiàn)代控制理論，但

25、是這些方案的引入使系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制的實(shí)時(shí)性和可靠性降低了6。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC控制）：其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)轉(zhuǎn)矩直接控制，動(dòng)態(tài)性能好。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)(1974年)之后發(fā)展起來(lái)的又一種高性能的新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年，德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock教授首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，隨后日本學(xué)者I. Takahashi教授也提出了類(lèi)似控制方案，并取得了令人振奮的控制效果15。盡管推導(dǎo)的方法和實(shí)現(xiàn)的手段有所不同，但他們的基本思想是一致的。即跳出了交流傳動(dòng)技術(shù)研究的傳統(tǒng)思維模式，不去考慮如何去解耦，將

26、定子電流分解成為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分流量。直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)檢測(cè)得到的定子電壓和電流，采用定子磁場(chǎng)定向，直接控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，著眼于轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，以獲得高效的控制性能。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以新穎的控制思想，簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注。與矢量控制技術(shù)相比，對(duì)電機(jī)參數(shù)不敏感，簡(jiǎn)單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點(diǎn)。1.2 本課題的主要研究工作（1）對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理及方法進(jìn)行研究，建立基于DSP的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。（2）分析了直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素，提出零電壓矢量使用的方法，有效地減小了永磁同

27、步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。（3）研究TI公司的電機(jī)控制專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407，設(shè)計(jì)出以此種DSP為控制核心，以IPM作為功率器件的變頻調(diào)速系統(tǒng)。（4）采用TMS320F240匯編指令編寫(xiě)系統(tǒng)控制軟件，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。第2章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型本章將首先從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的角度對(duì)PMSM進(jìn)行分類(lèi)，然后在不同的坐標(biāo)系中建立PMSM的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)PMSM的DTC控制原理進(jìn)行介紹，最后給出兩種情況下空間電壓矢量開(kāi)關(guān)表。2.1 永磁同步電機(jī)的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的永磁同步電機(jī)（PMSM）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)分，可以分為表面貼裝式PMSM (Surface PMSM

28、)和內(nèi)嵌式IPMSM (Interior PMSM)。其中IPMSM又分為嵌入式PPMSM和內(nèi)埋式PPMSM2。其特點(diǎn)如表2.1所示。SPMSM實(shí)質(zhì)上屬于隱極式同步電機(jī)，永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子表面，體積較小，慣性也較小，轉(zhuǎn)矩特性的線性度比較好。由于構(gòu)造的原因，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)時(shí)，離心力比較大，因此永久磁鐵需要設(shè)置固定的保護(hù)環(huán)。IPMSM實(shí)質(zhì)上屬于凸極式同步電機(jī)，由于永久磁鐵埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因離心力而使磁鐵飛出的問(wèn)題也沒(méi)有SPMSM嚴(yán)重。嵌入式IPMSM的凸極特性小，也有比較好的線性轉(zhuǎn)矩。內(nèi)埋式PPMSM則具有比較明顯的凸極特性，因此其轉(zhuǎn)矩線性度比較差，但其磁阻效應(yīng)可以用來(lái)提高電機(jī)效率和改善調(diào)速特性

29、1。2.2 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立2.2.1 坐標(biāo)系的定義坐標(biāo)系在本文中，將涉及到以下幾種，對(duì)其進(jìn)行一一介紹。 1. 三相定子坐標(biāo)系(ABC坐標(biāo)系)PMSM的定子中有三相繞組，其軸線分別為A,B,C，且彼此間互差1200的空間電角度。當(dāng)定子通入三相對(duì)稱(chēng)交流電時(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。三相定子坐標(biāo)系定義如圖2.1所示。圖 2.1 三相定子坐標(biāo)系2. 定子靜止直角坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)為了簡(jiǎn)化分析，定義一個(gè)定子靜止直角坐標(biāo)系即坐標(biāo)系(圖2.2)，其軸與A軸重合，軸超前軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對(duì)稱(chēng)正弦電流時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其效果與兩相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標(biāo)系代替三

30、相定子坐標(biāo)系進(jìn)行分析，從而達(dá)到簡(jiǎn)化運(yùn)算的目的。圖2.2 定子靜止坐標(biāo)系3. 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上(圖2.3)，其d軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，q軸超前d軸900，空間坐標(biāo)以d軸與參考坐標(biāo)軸之間的電角度確定。該坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對(duì)于轉(zhuǎn)子來(lái)說(shuō)，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱(chēng)為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。圖2.3 定子靜止坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系4. 定子旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(xy坐標(biāo)系)xy坐標(biāo)系為隨定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(圖2.4)，定子磁鏈的方向?yàn)閤軸的正方向，Y軸超前x軸。同時(shí)，定義x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，x軸超前d軸時(shí)轉(zhuǎn)矩角為正。2.2.2 三相定子坐標(biāo)系與兩相定子

31、坐標(biāo)系變換(3s-2s)圖2.2中繪出了ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系，為了方便起見(jiàn)， 取 A 軸與軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為 N3 ，兩相繞組每相有效匝數(shù)為 N2 ，各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與兩相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，則兩套繞組瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)在，軸上的投影也相圖2.4 定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系等，即 寫(xiě)成矩陣形式得： (2.1)考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為 (2.2)代入式（2.1）得 (2.3)令表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 (2.4)如果三相繞組是Y型聯(lián)結(jié)不帶零線，則有，代入式

32、（2.3）和式（2.4）并整理后得: (2.5) 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時(shí)還可證明，它們也是磁鏈的變換陣1。2.2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(2s-2r)圖2.3是兩相坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，簡(jiǎn)稱(chēng)2s-2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫(huà)在一起，如圖2-4所示。兩相交流電流、和兩個(gè)直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì)。由于個(gè)繞組匝 數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的匝數(shù)，直接用電流表示。在圖2.3中，d、q軸和矢量（）都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長(zhǎng)短不便，相當(dāng)于d、q繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時(shí)間而變化，因此在

33、、軸上的分量、的長(zhǎng)短也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于、繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。由圖可見(jiàn)，、和、之間存在下列關(guān)系圖2.5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間矢量寫(xiě)成矩陣形式，得 (2.6)式中 (2.7)是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣。對(duì)式（2.6）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得 (2.8)則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是: (2.9)電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。2.3 兩相定子坐標(biāo)系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換（2t-2s）分別定義，dq坐標(biāo)系是建立在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，xy坐標(biāo)系是建立在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，定子磁鏈的方向?yàn)閤軸的正向，x軸與d軸的

34、夾角為轉(zhuǎn)矩角，、為xy坐標(biāo)系到dq坐標(biāo)系和dq坐標(biāo)系到xy坐標(biāo)系的變換陣，由圖2.4可知： (2.10) (2.11)其中為x軸與d軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。2.4 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型當(dāng)永磁同步電機(jī)的定子通入三相交流電流工時(shí)，三相電流在定子繞組電阻 上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動(dòng)勢(shì)及建立的電樞磁場(chǎng)，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，另一方面以電磁力拖動(dòng)著轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會(huì)產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動(dòng)勢(shì)。此外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而產(chǎn)生空載電動(dòng)勢(shì) 。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)常忽略

35、一些影響較小的參數(shù)，作如下假設(shè)：（1）忽略鐵芯飽和；（2）定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿定子內(nèi)圓是按正弦分布的，即略去磁場(chǎng)中的所有空間諧波； （3）各相繞組對(duì)稱(chēng)，即各相繞組匝數(shù)和電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度； （4）不計(jì)渦流和磁滯的影響。PMSM 的定子和普通三相同步電機(jī)的定子是相似的，如果永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（反電動(dòng)勢(shì)）與勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)一樣也是正弦的，那么 PMSM 的數(shù)學(xué)模型就與電勵(lì)磁同步電機(jī)基本相同3。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立PMSM在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。2.4.1 永磁同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型對(duì)于三相繞組電動(dòng)機(jī)，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢

36、量和磁鏈?zhǔn)噶靠梢员硎緸椋?(2.12) (2.13) 其中：為定子電壓矢量，和，分別表示定子電阻和定子電感，和分別表示定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，表示定子電流。根?jù)式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步電機(jī)三相繞組的電壓回路方程如下： (2.14)其中為、各相繞組端電壓，、為各相繞組電流，、為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈，為微分算子。由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖2.1及圖2.2可知： (2.15)另外，對(duì)于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律有 (2.16)聯(lián)合式（2.14）、式（2.15）和式（2.16）整理可以得到： (2.17)2.4.2 永磁

37、同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型根據(jù)坐標(biāo)變換理論，對(duì)用此同步電機(jī)在ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行3s-2s的坐標(biāo)變換，就可以得到在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。式(2.5)為電流方程：(2.18)由式（2.4）、（2.5）和（2.17）可得電壓方程 (2.19)其中、 分別為定子電壓在軸上的的分量, 、 為在 軸上的電感分量，其中 ，為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，為轉(zhuǎn)子角速度。2.4.3 永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型在坐標(biāo)系下建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于分析永磁同步電機(jī)控制過(guò)程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都十分方便。對(duì)永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行2s-2r坐標(biāo)變換，就可以獲得永磁同步電機(jī)在坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)

38、模型。由式(2.5)和式(2.8)得到永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電流方程： (2.20)其中、分別為定子電流在dq坐標(biāo)系下的分量，結(jié)合式(2.16)整理得 (2.21)永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系上的磁鏈方程為： (2.22)(2.23)(2.24)電壓方程為： (2.25) (2.26) (2.27)轉(zhuǎn)矩方程為： (2.28)運(yùn)動(dòng)方程為： (2.29)其中為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為轉(zhuǎn)矩負(fù)載。其中、分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感，、為定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈； 、為電機(jī)極對(duì)數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 軸系下的數(shù)學(xué)模型。

39、2.5 本章小結(jié)本章節(jié)對(duì)永磁同步電機(jī)的分類(lèi)、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行了分析，給出了永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，最后給出了其運(yùn)動(dòng)方程。為后續(xù)章節(jié)研究永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。第3章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，是根據(jù)磁鏈狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩狀態(tài)及磁鏈所在扇區(qū)這幾個(gè)條件從六個(gè)(或八個(gè))電壓矢量中選擇一個(gè)最佳矢量，使電機(jī)按照給定的指標(biāo)運(yùn)行。本章主要內(nèi)容是基于永磁同步電機(jī)，介紹電壓空間矢量以及直接轉(zhuǎn)矩的基本理論，并建立永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。3.1 電壓空間矢量基本原理電壓空間矢量法(SVPWM)是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值

40、恒定的圓形磁場(chǎng)，即正弦磁通。它以三相對(duì)稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器(原理圖見(jiàn)圖3.1)不同的開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。電壓空間矢量法與傳統(tǒng)的SPWM法相比，不但可以減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和鐵損耗，而且可以提高電源的利用率。3.1.1 電壓空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行電壓空間是量的最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。圖3.1 理想逆壓器如圖3.1所示，圖中、分別用來(lái)表示橋臂a、b、c中同一橋臂上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)。當(dāng)某相開(kāi)關(guān)信號(hào)S為1，表示該相的上橋臂接通，

41、為0則表示該相的下橋臂接通。由此可以分析出此電路中共有八個(gè)電壓矢量，其中包括六個(gè)有效電壓矢量和兩個(gè)零電壓矢量，如圖3.2所示。六個(gè)有效電壓矢量為 (100), (110), (010), (011), (001), (101)，兩個(gè)零電壓矢量為(000)和(111)。關(guān)于逆變器電壓狀態(tài)的表示于開(kāi)關(guān)的對(duì)照關(guān)系見(jiàn)表3.1。表3.1中的電壓狀態(tài)的各種表示法。逆變器的七個(gè)電壓狀態(tài)，用空間電壓矢量Us(t)圖3.2 空間電壓矢量圖來(lái)表示，則形成7個(gè)離散的電壓空間矢量。每?jī)蓚€(gè)工作電壓空間矢量在空間的位置相隔600，6個(gè)工作電壓空間矢量的頂點(diǎn)構(gòu)成正六邊形的6個(gè)頂點(diǎn)。矢量的順序正是從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆變

42、針旋轉(zhuǎn)。零電壓矢量則位于六邊形的中心。表3.1 逆變器的電壓狀態(tài)與開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)照關(guān)系狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開(kāi)關(guān)狀態(tài)011001101100110010000111電壓狀態(tài)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設(shè)電機(jī)A相相電壓?jiǎn)为?dú)作用時(shí)形成的電壓空間矢量位于ABC坐標(biāo)系中的A軸上，則不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)下逆變器輸出電壓空間矢量可以表示如下： (3.1)其中為 直流側(cè)母線電壓。另外，在不同的電壓矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，由圖3.1

43、得到A、B、 C三相相電壓可以表示為： (3.2)其中、分別表示A、B、C三相相電壓。據(jù)PMSM電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系式（即定子電壓方程式）： (3.3)圖3.3 空間矢量劃分圖可以得到PMSW定子磁鏈表示為： (3.4)由于逆變器的開(kāi)關(guān)頻率比較高，開(kāi)關(guān)間隔時(shí)間t短，因此將式(3.1)代入式(3.4)可得： (3.5)從式（3.5）可以看出，由于定子電阻較小，在其上的壓降可以忽略不計(jì)，故磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡將沿著電壓矢量的方向移動(dòng)，因此，為了控制沿設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)選擇合適的電壓矢量來(lái)實(shí)現(xiàn):把電壓矢量平面按定子磁鏈角度0劃分為六個(gè)區(qū)域(如圖3.2所示)，如區(qū)域表示處于（），在每一個(gè)區(qū)域，可

44、以選擇相鄰兩個(gè)矢量來(lái)增加或減小磁鏈幅值。例如:當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭谇夷鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電壓矢量的應(yīng)用可以增大磁鏈幅值，而電壓矢量的應(yīng)用則將減小磁鏈幅值。在實(shí)際控制中，根據(jù)磁鏈所在區(qū)域和磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向選擇合適的電壓矢量，就可以控制磁鏈?zhǔn)噶吭谒璧闹瞪?。圖3.3中的虛線所示的圓的半徑即為設(shè)定的磁鏈幅值的大小，其相鄰兩圓的間距為磁鏈冗差。.永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖3.7所示。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)、定子三相電流和電壓經(jīng)過(guò)三相，二相的坐標(biāo)變換的、 、 ，通過(guò)式（3.9）、（3.10）求得、 ，通過(guò)式（3.11）得到電磁轉(zhuǎn)矩，將電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩給定 、定子磁鏈與磁鏈給定 分別在轉(zhuǎn)矩、磁鏈比較器中

45、進(jìn)行比較，用它們的輸出值控制逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇。3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理。首先介紹了電壓空間矢量基本原理，對(duì)電壓空間矢量的選擇做了詳細(xì)的說(shuō)明。隨后根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律。最后介紹了系統(tǒng)的控制策略原理，給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。結(jié)束語(yǔ)隨著直接轉(zhuǎn)矩控制控制理論的成熟和永磁材料的發(fā)展，交流永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能達(dá)到甚至超過(guò)了直流調(diào)速系統(tǒng)，因而成為近年來(lái)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。但是目前國(guó)內(nèi)的交流調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品與國(guó)外的產(chǎn)品在技術(shù)水平上還有一定的差距，特別是永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的技術(shù)，大都

46、還在研究階段。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外電氣傳動(dòng)領(lǐng)域研究的最新成果的基礎(chǔ)上，對(duì)于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)從控制理論和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上進(jìn)行了深入的分析和研究。希望本論文的研究能夠?qū)ξ覈?guó)永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的推動(dòng)作用。本設(shè)計(jì)在參考大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)基礎(chǔ)之上，首先扼要地回顧了永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了與之相關(guān)的永磁材料、電力電子技術(shù)等方面的發(fā)展概況，針對(duì)現(xiàn)代交流驅(qū)動(dòng)與伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)闡述了研究永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制的意義。然后介紹了永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)荃礎(chǔ)和建立過(guò)程，推導(dǎo)了永磁同步電機(jī)在定轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程。闡述了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制的基本理論。緊接著分析了永

47、磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制結(jié)構(gòu)中各個(gè)組成部分的基本原理，其中包括永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制的定子磁鏈估算，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制分區(qū)的選擇和開(kāi)關(guān)表的確定，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制定子磁鏈幅值的選擇。提出了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制方案。 本設(shè)計(jì)主要完成了以下一些工作：（1）介紹了當(dāng)今交流電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r以及永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，提出采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理對(duì)永磁同步電機(jī)控制的思想。（2）在不同的坐標(biāo)系中建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出了相互之間的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的原理，給出了空間電壓矢量原理。探討了在永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制中選擇空間電壓矢量的兩種不同策略。（3）分析了直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的因素，提出零電壓矢量使用的方法，有效地減小了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。（4）有了理論分析的保證，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于DSP的硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)包括主電路、檢測(cè)電路和控制保護(hù)電路等，并完成了對(duì)硬件系統(tǒng)的調(diào)試。（5）在DSP匯編環(huán)境下編寫(xiě)了DTC控制的軟件部分，軟件中主要包括了磁鏈轉(zhuǎn)矩計(jì)算、扇區(qū)選擇、SVPWM的實(shí)