永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的設(shè)計

1、目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358904014 目錄 PAGEREF _Toc358904014 h I HYPERLINK l _Toc358904015 摘要 PAGEREF _Toc358904015 h III HYPERLINK l _Toc358904016 Abstract PAGEREF _Toc358904016 h IV HYPERLINK l _Toc358904017 第一章 緒論 PAGEREF _Toc358904017 h 1 HYPERLINK l _Toc358904018 1.1 電機的發(fā)展概況 PAGEREF _

2、Toc358904018 h 1 HYPERLINK l _Toc358904019 1.2 永磁電機的主要特點和應(yīng)用 PAGEREF _Toc358904019 h 1 HYPERLINK l _Toc358904020 1.3 研究的意義 PAGEREF _Toc358904020 h 1 HYPERLINK l _Toc358904021 1.4 相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況 PAGEREF _Toc358904021 h 2 HYPERLINK l _Toc358904022 1.5 研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc358904022 h 3 HYPERLINK l _Toc358904

3、023 第二章 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及特性 PAGEREF _Toc358904023 h 5 HYPERLINK l _Toc358904024 2.1 永磁同步電機的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc358904024 h 5 HYPERLINK l _Toc358904025 2.2 永磁電機的工作方式 PAGEREF _Toc358904025 h 7 HYPERLINK l _Toc358904026 2.2.1 直流發(fā)電機供電的勵磁方式 PAGEREF _Toc358904026 h 7 HYPERLINK l _Toc358904027 2.2.2 交流勵磁機供電的勵磁方式 PAGER

4、EF _Toc358904027 h 7 HYPERLINK l _Toc358904028 2.2.3 無勵磁機的勵磁方式 PAGEREF _Toc358904028 h 8 HYPERLINK l _Toc358904029 2.3 有關(guān)特性 PAGEREF _Toc358904029 h 8 HYPERLINK l _Toc358904030 2.3.1 電壓的調(diào)節(jié) PAGEREF _Toc358904030 h 8 HYPERLINK l _Toc358904031 2.3.2 無功功率的調(diào)節(jié) PAGEREF _Toc358904031 h 8 HYPERLINK l _Toc3589

5、04032 2.3.3 無功負荷的分配 PAGEREF _Toc358904032 h 8 HYPERLINK l _Toc358904033 2.4 永磁同步電機的數(shù)學模型 PAGEREF _Toc358904033 h 8 HYPERLINK l _Toc358904034 2.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358904034 h 13 HYPERLINK l _Toc358904035 第三章 直接轉(zhuǎn)矩控制簡述 PAGEREF _Toc358904035 h 14 HYPERLINK l _Toc358904036 3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理 PAGEREF _Toc3589

6、04036 h 14 HYPERLINK l _Toc358904037 3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展進程與改進 PAGEREF _Toc358904037 h 14 HYPERLINK l _Toc358904038 3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向 PAGEREF _Toc358904038 h 16 HYPERLINK l _Toc358904039 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358904039 h 17 HYPERLINK l _Toc358904040 第四章 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制 PAGEREF _Toc358904040 h 18 HYPERLINK l _Toc

7、358904041 4.1 永磁同步電機控制策略分類 PAGEREF _Toc358904041 h 18 HYPERLINK l _Toc358904042 4.1.1 恒壓頻比控制 PAGEREF _Toc358904042 h 18 HYPERLINK l _Toc358904043 4.1.2 矢量控制 PAGEREF _Toc358904043 h 18 HYPERLINK l _Toc358904044 4.1.3 直接轉(zhuǎn)矩控制 PAGEREF _Toc358904044 h 18 HYPERLINK l _Toc358904045 4.1.4 不依賴對象的數(shù)學模型的控制策略 PA

8、GEREF _Toc358904045 h 19 HYPERLINK l _Toc358904046 4.2 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理 PAGEREF _Toc358904046 h 19 HYPERLINK l _Toc358904047 4.3 逆變器與開關(guān)表 PAGEREF _Toc358904047 h 20 HYPERLINK l _Toc358904048 4.4 定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測定 PAGEREF _Toc358904048 h 22 HYPERLINK l _Toc358904049 4.5 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358904049 h 24 HYPERL

9、INK l _Toc358904050 第五章 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 PAGEREF _Toc358904050 h 25 HYPERLINK l _Toc358904051 5.1 仿真軟件 PAGEREF _Toc358904051 h 25 HYPERLINK l _Toc358904052 5.2 仿真模型 PAGEREF _Toc358904052 h 25 HYPERLINK l _Toc358904053 5.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc358904053 h 29 HYPERLINK l _Toc358904054 5.3 仿真結(jié)果分析 PAGEREF _To

10、c358904054 h 29 HYPERLINK l _Toc358904055 第六章 結(jié)論 PAGEREF _Toc358904055 h 33 HYPERLINK l _Toc358904056 參考文獻 PAGEREF _Toc358904056 h 34 HYPERLINK l _Toc358904057 致謝 PAGEREF _Toc358904057 h 35摘要永磁同步電機因為其運行的可靠性高，結(jié)構(gòu)簡單，所以在交流伺服電機中所處的地位越來越高。而另一方面，直接轉(zhuǎn)矩控制是近年來應(yīng)用比較廣泛的一種控制策略。它的優(yōu)點包括控制原理直觀明了，操作簡單快捷，具有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性?；谶@一

11、發(fā)展趨勢，本文重點研究了把直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)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(zhuǎn)矩控制，本文介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和它的優(yōu)缺點，還有永磁同步電機的分類、結(jié)構(gòu)及其在不同坐標系下的數(shù)學模型。然后借助MATLAB中的Simulink功能，搭建永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的模型，對仿真結(jié)果進行分析歸納，最后得出結(jié)論。結(jié)論表明，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制具有較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，基本能實現(xiàn)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(zhuǎn)矩響應(yīng)。這就確定了改善永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時候的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)將成為今后的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞: 直接轉(zhuǎn)矩控制；永磁同步電機；仿真Abst

12、ractPermanent magnet synchronous machine (PMSM) become more and more important for its high reliability and simple structure. on the other hand, Direct torque control (DTC) is used widely recently. It is intuitive and clear, simple and swift and has fast torque respond. In this paper, we focused on

13、the effect of the application of DTC to PMSM. In order to analyze PMSM DTC better, this paper precented both the advantage and the disavantage of DTC .Whats more,it also shown PMSMs classification, structure, mathematical models in different coordinate system . Then I built model of PMSM DTC and smu

14、lated in the simulink environment. In the end I drew a conclusion by the result of simulation. The conclusion shown that PMSM DTC has quick torque respond to achieve rapid and reliable control. however, it has poor low-speed performance. Therefore, improving PMSM DTC low-speed performance will be th

15、e trend of improvement in the future.Keyword: PMSM , DTC , Simulation第一章 緒論電機是以磁場為媒介進行機械能和電能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置。為在電機內(nèi)建立機電能量轉(zhuǎn)換所必需的氣隙磁場，可以有兩種辦法：一種是在電機繞組內(nèi)通以電流來產(chǎn)生磁場，例如普通的直流電機和同步電機。這種電勵磁的電機既需要有專門的繞組和相應(yīng)的裝置，又需要不斷供給能量以維持電流的通過；另一種的磁場是有永磁體產(chǎn)生的。由于永磁體的固有特性，它經(jīng)過預(yù)先磁化（充磁）以后，就能直接在其周圍建立磁場而不需要外加能量了。這樣既可簡化電機結(jié)構(gòu)又可節(jié)約能量。這就是永磁電機。1.1 電

16、機的發(fā)展概況自1834年德國的雅克比發(fā)明了第一臺電機后，電機在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)，生活中發(fā)揮著越來越大的作用?，F(xiàn)今，電機已廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，交通工具，軍事設(shè)備上。國民經(jīng)濟的發(fā)展、科技的進步和人民生活水平的提高，都對電機的性能提出了許多新的更高的要求。而新材料、特別是高性能稀土永磁材料的問世和不斷完善，以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，為滿足這些要求提供了可能。1.2 永磁電機的主要特點和應(yīng)用與傳統(tǒng)的電勵磁電機相比，永磁電機，特別是稀土永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；體積小，質(zhì)量輕；損耗少，效率高；電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等顯著優(yōu)點。因而應(yīng)用范圍極為廣泛，幾乎遍及航空航天、國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的

17、各個領(lǐng)域。1.3 研究的意義 為了做到機械能和電能在相互轉(zhuǎn)化的效率最高，并且盡最大可能節(jié)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(diào)速系統(tǒng)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(nèi)平滑地改變速度?；谶@一優(yōu)點，直流調(diào)速系統(tǒng)在上世紀70年代就廣泛應(yīng)用在需要響應(yīng)范圍廣，動態(tài)性能好，控制精度高的場合上。直流調(diào)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(chǎn)成本高，維護費用大，設(shè)備體積大，由于存在換向器和電刷，在運行過程中容易產(chǎn)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

18、電機。比起直流電機，交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，運行安全，維護便捷，對環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點。電機調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于維持氣隙磁場，控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩。但是因為交流電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩之間存在耦合，無法獨立調(diào)節(jié)磁鏈和轉(zhuǎn)矩。但是隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展。不僅促進了交流電機的研發(fā)，也大大優(yōu)化了交流電機的控制策略，很好地解決了交流電機調(diào)速難的問題。這就令交流電機得到廣泛的引用，占據(jù)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(yīng)電機，是由于它的轉(zhuǎn)子運動速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場的運動速度不同步而得名的。異步電機結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，運行比較安全可靠，容易安裝

19、傳感器和反饋裝置，轉(zhuǎn)矩脈動比較小。因此，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。但它同時也存在著調(diào)速特性較差，難以實現(xiàn)平滑的調(diào)速，功率因素較低等缺點。同步電機因轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度與定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度相同而得名。在同步電機中，應(yīng)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(zhuǎn)子為永磁體，所以不需要外加勵磁系統(tǒng)，為運行帶來了方便。而且轉(zhuǎn)矩阻尼效應(yīng)大，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(shù)。這為大量生產(chǎn)永磁同步電機打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。針對永磁同步電機的控制策略越來越成熟。近年來出現(xiàn)了一種新的控制策略直接轉(zhuǎn)矩控制。它放棄了

20、傳統(tǒng)矢量控制解耦后再分別控制被控量的思想。直接控制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，節(jié)約了大量的計算時間。1.4 相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況20世紀80年代開始，電力電子技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，很好地解決了交流電機調(diào)速難的問題。主要包括門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力場效應(yīng)管MOSFET和電力雙極性晶體管BJT這些全控型器件。它們的優(yōu)點主要有以下兩個方面：通過對門極發(fā)出一個信號，就能簡單快捷地控制電路的通斷；開關(guān)頻率高，因此開關(guān)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(fù)合型器件得到了迅猛的發(fā)展。絕緣柵雙極型晶體管IGBT是由BJT和MOSFET復(fù)合而成的。它

21、很好地融合了兩者的優(yōu)點，如耐壓高，載流量大，開關(guān)頻率高等。所以，它已經(jīng)成為了當今比較主流的電力電子器件。在電力電子器件發(fā)展的同時, 與之相應(yīng)的PWM控制技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。各國學者不僅對傳統(tǒng)的PWM進行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。PWM（Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，主要通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)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(tǒng)的PWM控制技術(shù)主要是靠載波信號和調(diào)制信號相比較，確認交點，從而起到調(diào)節(jié)的作用。SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦波的脈沖寬度

22、調(diào)節(jié)，是如今應(yīng)用最廣，發(fā)展最成熟的脈沖寬度調(diào)節(jié)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(guī)律變化的脈沖代替了正弦波，通過調(diào)節(jié)這些脈沖的寬度，間接調(diào)節(jié)正弦波的特性，從而起到控制電路的作用。實現(xiàn)SPWM基本控制方法主要有以下兩種：1) 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(yōu)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(nèi)距離不相同，從而使得計算涉及到超越方程，增加了數(shù)學運算的難度，延長了運算的時間。2) 規(guī)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

23、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(guān)斷。規(guī)則采樣法又分為對稱的規(guī)則采樣法和非對稱的規(guī)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(guī)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(guī)則采樣法。隨著技術(shù)的不斷進步，人們對傳統(tǒng)的PWM控制方法進行改進，提出了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空間矢量的脈沖寬度調(diào)節(jié)。SVPWM是以三相對稱正弦波電壓供電時定子所產(chǎn)生的

24、三相對稱的理想磁場圓為參考標準，適當?shù)剞D(zhuǎn)換三相逆變器各種開關(guān)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。1.5 研究的主要內(nèi)容本文主要對永磁同步電機的設(shè)計并著重于直接轉(zhuǎn)矩控制這一課題進行研究。第二章對永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，分類，及它在各個坐標系下的數(shù)學模型進行介紹。第三章主要介紹直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和發(fā)展趨勢。第四章主要講述了直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁同步電機上的引用，列出了雙滯環(huán)的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的各個重要的構(gòu)成部分進行了說明。第五章介紹了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真環(huán)境，仿真模型，并對仿真結(jié)果進行分析。第六章為結(jié)論章節(jié)，對前面五章的內(nèi)容，特別是仿真結(jié)果

25、進行歸納，最后的得出本文的結(jié)論。 第二章 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及特性永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點：永磁式同步電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、起動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制。2.1 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)永磁同步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。永磁同步電

26、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(chǎn)生一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。這個氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)速度稱為同步轉(zhuǎn)速。它的大小與供電的頻率，電機的極對數(shù)有關(guān)。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子通?？蓺w納為圓柱形轉(zhuǎn)子、無極靴星形轉(zhuǎn)子、有極靴星形轉(zhuǎn)子、爪極式轉(zhuǎn)子和切向式轉(zhuǎn)子等幾類。圓柱形轉(zhuǎn)子，出現(xiàn)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(zhuǎn)軸緊密連接，就形成了圓柱形轉(zhuǎn)子。圓柱形轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，對制作工藝要求不高，除了精磨轉(zhuǎn)子表

27、面外，其他都不需要用機械加工。轉(zhuǎn)子表面光滑，風摩系數(shù)和噪音小。缺點是對永磁體的利用率低，在極數(shù)較多時這一問題更為明顯。因此只用于極數(shù)較少的永磁同步電機。無極靴星形轉(zhuǎn)子，為了改善圓柱形轉(zhuǎn)子永磁體利用率低這一不足，在圓柱形永磁鐵的基礎(chǔ)上，去掉部分永磁鐵，就形成了無極靴星形轉(zhuǎn)子。無極靴星形轉(zhuǎn)子的磁鐵平均長度比圓柱形轉(zhuǎn)子長，體積小，橫軸的電樞反應(yīng)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(zhuǎn)子相比，磁鐵的利用率增大。但是和有極靴星形轉(zhuǎn)子和爪極式轉(zhuǎn)子相比，無極靴星形轉(zhuǎn)子還存在若干缺點

28、：永磁鐵為多極星形，形狀復(fù)雜，磁性能差。而且隨著極數(shù)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(shù)越多，不均勻磁化就越嚴重，磁鐵利用率就越低。電機瞬態(tài)運行時，磁路系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)子可采用各向異性的永磁材料外，其余的多極轉(zhuǎn)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(yīng)用。無極靴星形轉(zhuǎn)子沒有其他的加固措施，因此機械強度較差，轉(zhuǎn)速和

29、容量度受到比較大的限制。綜上所述，無極靴星形轉(zhuǎn)子的極數(shù)一般較少，多應(yīng)用在小容量的場合上。有極靴星形轉(zhuǎn)子，在無極靴星形轉(zhuǎn)子的永磁體兩端安裝軟鐵極靴，就形成了有極靴星形轉(zhuǎn)子。有極靴星形轉(zhuǎn)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(nèi)表面進行精磨。有極靴星形轉(zhuǎn)子主要有以下優(yōu)點：由于軟鐵極靴的存在，消除了橫軸電樞反應(yīng)，對永磁體的去磁作用大大減弱。去掉負載后，不產(chǎn)生不可逆去磁和不對稱去磁。磁路系統(tǒng)阻尼作用強，使電機在瞬態(tài)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(xiàn)了較大的漏磁。通過調(diào)節(jié)漏磁

30、，就能使永磁體得到更好的利用。當磁鐵是矩形結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子也存在若干缺點：加入了軟鐵極靴后，使轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，由于永磁體和極靴都要精磨，是加工量增大。在高速旋轉(zhuǎn)時，極靴與永磁體可能出現(xiàn)松動。軟鐵極靴增大了轉(zhuǎn)子的外徑，也就是說，與無極靴星形轉(zhuǎn)子比較，在同等外徑下，永磁鐵比較小。爪極式轉(zhuǎn)子，爪極式轉(zhuǎn)子是由兩個帶爪的法蘭盤與一個沿轉(zhuǎn)子軸向充磁的圓環(huán)形永磁鐵組成的。兩個帶爪的法蘭盤爪數(shù)相等，并且均等于極對數(shù)。把法蘭盤的爪相互錯開，夾著圓環(huán)形的永磁鐵

31、，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(zhuǎn)子主要有以下優(yōu)點：永磁體為圓環(huán)形，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，磁性好，不會出現(xiàn)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(yōu)化磁化特性。帶爪的法蘭環(huán)屏蔽了橫軸的電樞反應(yīng)，消除了電樞反應(yīng)對氣隙磁場的畸變效應(yīng)，使氣隙磁場保持穩(wěn)定。爪極間的漏磁很大，有效消除了縱軸電樞反應(yīng)對磁鐵的去磁作用，讓磁鐵能承受較大的過載。爪極式轉(zhuǎn)子的阻尼作用很大，令電機在瞬態(tài)運行時很穩(wěn)定。短路時，電流對永磁鐵的作用約等于穩(wěn)態(tài)時電流的作用。結(jié)構(gòu)牢固，機械強度高。磁鐵為圓環(huán)形的形狀，使磁鐵的利

32、用程度與極靴無關(guān)，所以特別適合用于多極和高頻的電機。但是爪極式轉(zhuǎn)子也存在以下缺點：帶爪的法蘭盤結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhuǎn)速較高時，爪極受力很大，比較容易發(fā)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(zhuǎn)子，切向式轉(zhuǎn)子由優(yōu)硅鋼沖片疊成的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)不合理等缺點，能應(yīng)用到大容量的場合。2.2 永磁電機的工作方式2.2.1 直流發(fā)電機供電的勵磁方

33、式這種勵磁方式的發(fā)電機具有專用的直流發(fā)電機，這種專用的直流發(fā)電機稱為直流勵磁機，勵磁機一般與發(fā)電機同軸，發(fā)電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環(huán)及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立，工作比較可靠和減少自用電消耗量等優(yōu)點，是過去幾十年間發(fā)電機主要勵磁方式，具有較成熟的運行經(jīng)驗。缺點是勵磁調(diào)節(jié)速度較慢，維護工作量大，故在10MW以上的機組中很少采用。2.2.2 交流勵磁機供電的勵磁方式現(xiàn)代大容量發(fā)電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發(fā)電機大軸上，它輸出的交流電流經(jīng)整流后供給發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，此時，發(fā)電機的勵磁方式屬他勵磁方式，又由于采用靜止的整流裝置，故又稱為他勵

34、靜止勵磁，交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恒壓裝置的交流發(fā)電機。為了提高勵磁調(diào)節(jié)速度，交流勵磁機通常采用100200HZ的中頻發(fā)電機，而交流副勵磁機則采用400500HZ的中頻發(fā)電機。這種發(fā)電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子只有齒與槽而沒有繞組，像個齒輪，因此，它沒有電刷，滑環(huán)等轉(zhuǎn)動接觸部件，具有工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便等優(yōu)點。缺點是噪音較大，交流電勢的諧波分量也較大。2.2.3 無勵磁機的勵磁方式在勵磁方式中不設(shè)置專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機本身勵磁，稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵

35、和自復(fù)勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發(fā)電機出口的整流變壓器取得勵磁電流，經(jīng)整流后供給發(fā)電機勵磁，這種勵磁方式具有結(jié)簡單，設(shè)備少，投資省和維護工作量少等優(yōu)點。自復(fù)勵磁方式除設(shè)有整流變壓外，還設(shè)有串聯(lián)在發(fā)電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發(fā)生短路時，給發(fā)電機提供較大的勵磁電流，以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源，通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯(lián)變壓器獲得的電流源。2.3 有關(guān)特性2.3.1 電壓的調(diào)節(jié)自動調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)可以看成為一個以電壓為被調(diào)量的負反饋控制系統(tǒng)。無功負荷電流是造成發(fā)電機端電壓下降的主要原因，當勵磁電流不變時，發(fā)電機的端電壓將隨無功電流

36、的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質(zhì)量的要求，發(fā)電機的端電壓應(yīng)基本保持不變，實現(xiàn)這一要求的辦法是隨無功電流的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。2.3.2 無功功率的調(diào)節(jié)發(fā)電機與系統(tǒng)并聯(lián)運行時，可以認為是與無限大容量電源的母線運行，要改變發(fā)電機勵磁電流，感應(yīng)電勢和定子電流也跟著變化，此時發(fā)電機的無功電流也跟著變化。當發(fā)電機與無限大容量系統(tǒng)并聯(lián)運行時，為了改變發(fā)電機的無功功率，必須調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流。此時改變的發(fā)電機勵磁電流并不是通常所說的“調(diào)壓”，而是只是改變了送入系統(tǒng)的無功功率。2.3.3 無功負荷的分配并聯(lián)運行的發(fā)電機根據(jù)各自的額定容量，按比例進行無功電流的分配。大容量發(fā)電機應(yīng)負擔較多無功負荷，

37、而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現(xiàn)無功負荷能自動分配，可以通過自動高壓調(diào)節(jié)的勵磁裝置，改變發(fā)電機勵磁電流維持其端電壓不變，還可對發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)特性的傾斜度進行調(diào)整，以實現(xiàn)并聯(lián)運行發(fā)電機無功負荷的合理分配。2.4 永磁同步電機的數(shù)學模型由于實際的永磁同步電機在制造或者設(shè)計上存在結(jié)構(gòu)不對稱，從而造成參數(shù)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(shù)學模型的難度。另一方面，由于永磁同步電機是一個旋轉(zhuǎn)設(shè)備，涉及到動態(tài)的分析，若在自然參考系下，永磁同步電機的狀態(tài)方程組就是一個變系數(shù)的微分方程組，系數(shù)與定子和轉(zhuǎn)子的相對位置有關(guān)。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

38、解，必須先假設(shè)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(tài)方程組轉(zhuǎn)換到相應(yīng)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(yīng)、磁滯效應(yīng)和渦流效應(yīng)的影響。假設(shè)鐵心的導磁系數(shù)是常數(shù)。二、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分別關(guān)于橫軸和縱軸對稱。三、定子三相繞組的結(jié)構(gòu)完全相同，在空間上分別相差120電角度。所產(chǎn)生的磁動勢在氣隙中按正弦規(guī)律分布。四、氣隙均勻，也就是說磁路與轉(zhuǎn)子無關(guān)，定子、轉(zhuǎn)子中的自感和互感與轉(zhuǎn)子和定子的相對位置無關(guān)。五、在恒定轉(zhuǎn)速且電機空載時轉(zhuǎn)子的磁動勢在定子上感應(yīng)出的電動勢是關(guān)于時間的正弦函數(shù)。六、假設(shè)電機的定子以及轉(zhuǎn)子的表面是光滑的，忽略通風溝和槽對定子和轉(zhuǎn)子電感的影響

39、。在假設(shè)了理想的永磁同步電機的基礎(chǔ)上，下面將要討論在不同坐標下永磁同步電機的數(shù)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(nèi)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： （2-1） (2-2)上式中的為定子電壓，為定子電流，為定子電阻，為定子磁鏈，為定子電感，為轉(zhuǎn)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： (2-3)、為定子的a、b、c各相電壓，p為微分算子，、為定子abc三相的磁鏈，、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： (2-4)、分變?yōu)槿喔髯缘淖愿邢禂?shù)， 和為a、b相之間

40、的互感系數(shù)，和為a、c相之間的互感系數(shù)，和為b、c相之間的互感系數(shù)，為轉(zhuǎn)子磁鏈， 轉(zhuǎn)子位置較角?？梢钥闯鲈诙ㄗ尤囔o止坐標下，永磁同步電機的狀態(tài)方程組是變系數(shù)的微分方程組，且與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)。在分析和求解時比較困難，不利于應(yīng)用。所以人們就開始想辦法將變系數(shù)的方程組轉(zhuǎn)換成常系數(shù)的方程組。-坐標系中永磁同步電機的數(shù)學模型，如下圖：圖2.1 -坐標系中永磁同步電機的數(shù)學模型在磁場等效原則下，用兩相匝數(shù)相同，結(jié)構(gòu)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(jīng)過變換后新的兩相繞組的兩個分電流產(chǎn)生的合成磁動勢與原來三相繞組三個分電流所產(chǎn)生的合成磁動勢大小相等。為

41、了計算簡便，我們規(guī)定兩相繞組的合成磁動勢和三相繞組的合成磁動勢轉(zhuǎn)向相同，且軸與a軸重合。經(jīng)過變換，可得出在-坐標系永磁同步電機的狀態(tài)方程。電壓方程的矩陣形式： (2-5)、為-坐標系中定子的電壓，、為的定子電流，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)矩方程：， (2-6)、為-坐標系中的定子磁鏈，P為磁極數(shù)，為電磁轉(zhuǎn)矩。d-q坐標系中永磁同步電機的數(shù)學模型，如下圖：圖2.2 d-q坐標系中永磁同步電機的數(shù)學模型在磁場等效的原則下，以轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場為參考系，以與轉(zhuǎn)子重合的方向為d軸的方向，以與轉(zhuǎn)子正交的方向為q軸，且q軸超前d軸90。將-中永磁同步電機狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到d-q坐標系的過程，就稱作park變換。經(jīng)過park變

42、換后，永磁同步電機的狀態(tài)方程組是一個常系數(shù)的方程組，分析計算比較簡便。電壓方程的矩陣形式： (2-7)、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坐標系中的定子磁鏈。磁鏈方程的矩陣形式： (2-8)、為d-q坐標系中的定子電感，為轉(zhuǎn)子磁鏈。轉(zhuǎn)矩方程： (2-9)M-T坐標系中永磁同步電機的數(shù)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(shù)從靜止參考系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)的參考系中。與d-q坐標系不同的是，d軸是與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換關(guān)系如下： (2-10) (2-11)、為d-q坐標系中的磁動勢，、為

43、M-T坐標系中磁動勢，為定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。磁鏈方程的矩陣形式：(2-12)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： (2-13)轉(zhuǎn)矩方程： (2-14)整理得： (2-15)2.5 本章小結(jié)本章主要介紹了永磁同步電機的分類、結(jié)構(gòu)特點、工作方式以及它的數(shù)學模型。簡述了永磁同步電機的結(jié)構(gòu)以及圓柱形轉(zhuǎn)子、無極靴星形轉(zhuǎn)子、有極靴星形轉(zhuǎn)子、爪極式轉(zhuǎn)子和切向式轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。并且主要介紹的發(fā)電機的三種勵磁方式：直流發(fā)電機供電的勵磁方式、交流勵磁機供電的勵磁方式、無勵磁機的勵磁方式。展示了永磁同步電機在a-b-c坐標系，-坐標系，d-q坐標系和M-T坐標系下的數(shù)學模型，主要

44、包括電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的方程。通過這些理論基礎(chǔ)，為后續(xù)章節(jié)打下了基礎(chǔ)。第三章 直接轉(zhuǎn)矩控制簡述 3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理直接轉(zhuǎn)矩控制是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行綜合控制，不僅控制轉(zhuǎn)矩，也用于磁鏈量的控制和磁鏈自控制。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制的區(qū)別是，它不是通過控制電流、磁鏈等量間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量控制，其實質(zhì)是用空間矢量的分析方法，以定子磁場定向方式，對定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進行直接控制的。這種方法不需要復(fù)雜的坐標變換，而是直接在電機定子坐標上計算磁鏈的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制和系統(tǒng)的高動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點主要有以下幾方面：一、直接轉(zhuǎn)矩控制直

45、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進行簡單的轉(zhuǎn)換，既沒有像矢量控制一樣，需要一系列繁瑣的坐標轉(zhuǎn)換，也沒有了旋轉(zhuǎn)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(tài)。二、直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感相比，大大減弱了對電機參數(shù)的依賴性。因此直接轉(zhuǎn)矩控制擁有較強抗干擾能力。三、由于直接轉(zhuǎn)矩控制是通過給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩進行比較，得到誤差，經(jīng)過滯環(huán)比較器，然后選擇適當?shù)碾妷菏噶咳フ{(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。因此，它的控制效果是由實際的轉(zhuǎn)矩情況決定的，這使它得到較迅速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

46、。3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展進程與改進直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)用空間矢量的分析方法，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM 波信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動機的數(shù)學模型簡化處理，沒有通常的PWM 信號發(fā)生器。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制手段直接，信號處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動。針對其不足之處，現(xiàn)在的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)相對于早期的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)有了很大的改進，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究在實際應(yīng)用中，安裝速度傳

47、感器會增加系統(tǒng)成本，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，此外，速度傳感器不實用于潮濕、粉塵等惡劣的環(huán)境下。因此，無速度傳感器的研究便成了交流傳動系統(tǒng)中的一個重要的研究方向，且取得了一定的成果。對轉(zhuǎn)子速度估計的方法有很多，常用的有卡爾曼濾波器法、位置估計法、模型參考自適應(yīng)法、磁鏈位置估計法、狀態(tài)觀測器位置估計法和檢測電機相電感變化法等。有的學者從模型參考自適應(yīng)理論出發(fā)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)造了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，只要選擇適當?shù)膮?shù)自適應(yīng)律，速度辨識器就可以比較準確地辨識出電機速度。（2）定子電阻變化的影響直接轉(zhuǎn)矩最核心的問題之一是定子磁鏈觀測，而定子磁鏈的觀測要用到定子電阻。采

48、用簡單的u-i 磁鏈模型，在中高速區(qū)，定子電阻的變化可以忽略不考慮，應(yīng)用磁鏈的u-i 磁鏈模型可以獲得令人滿意的效果；但在低速時定子電阻的變化將影響磁通發(fā)生畸變，使系統(tǒng)性能變差。因此，如果能夠?qū)Χㄗ与娮柽M行在線辨識，就可以從根本上消除定子電阻變化帶來的影響。目前，常用的方法有參考模型自適應(yīng)法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊理論構(gòu)造在線觀測器的方法對定子電阻進行補償，研究結(jié)果表明，在線辨識是一個有效的方法。（3）磁鏈和轉(zhuǎn)矩滯環(huán)的改進傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制一般對轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用單滯環(huán)控制，根據(jù)滯環(huán)輸出的結(jié)果來確定電壓矢量。因為不同的電壓矢量對轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用不相同，所以只有根據(jù)當前轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實

49、時值來合理的選擇電壓矢量，才能有可能使轉(zhuǎn)矩和磁鏈的調(diào)節(jié)過程達到比較理想的狀態(tài)。顯然，轉(zhuǎn)矩和磁鏈的偏差區(qū)分的越細，電壓矢量的選擇就越精確，控制性能也就越好。（4）死區(qū)效應(yīng)的解決為了避免上下橋臂同時導通造成直流側(cè)短路，有必要引入足夠大的互鎖延時，結(jié)果帶來了死區(qū)效應(yīng)。死區(qū)效應(yīng)積累的誤差使逆變器輸出電壓失真，于是又產(chǎn)生電流失真，加劇轉(zhuǎn)矩脈動和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定等問題，在低頻低壓時，問題更嚴重，還會引起轉(zhuǎn)矩脈動。死區(qū)效應(yīng)的校正，可由補償電路檢測并記錄死區(qū)時間，進行補償。這樣既增加了成本，又降低了系統(tǒng)的可靠性?？捎密浖崿F(xiàn)的方法，即計算出所有的失真電壓，根據(jù)電流方向制成補償電壓指令表，再用前向反饋的方式補償，

50、這種新型方案還消除了零電壓箝位現(xiàn)象。除了以上幾種最主要的方面外，一些學者還通過其他途徑試圖提高系統(tǒng)的性能。3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向1)對傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的空間電壓矢量開關(guān)表進行改進。以永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制為例，可以在原有的開關(guān)表的基礎(chǔ)上加上兩個零矢量，即000和111，把開關(guān)表從4行擴充到6行。插入了零矢量后，有效地把轉(zhuǎn)矩的變化維持在一定的范圍內(nèi)。這樣，轉(zhuǎn)矩的脈動頻率和電壓逆變器的開關(guān)次數(shù)就相應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩維持在一定范圍內(nèi)，卻

51、同時使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)變慢了。這樣一來就失去了直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的優(yōu)勢。細分電壓矢量法雖然能有效抑制轉(zhuǎn)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(diào)制的方法去代替空間電壓矢量開關(guān)表，從而得到恒定的開關(guān)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s 、電磁轉(zhuǎn)矩值與磁鏈位置角。給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差不再經(jīng)過滯環(huán)比較器，而是經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后得到磁鏈增量角。然后通過對參考電壓的預(yù)測計算可以得出期望的參考電壓矢量，再經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制得到所需要的開關(guān)控制

52、信號。3)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(guī)則的知識，所以在對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓練時，不能運用已有的經(jīng)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(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，模糊調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差以及誤差的變化率。但這種方法要經(jīng)過模糊推理和模糊判斷，大幅增加了計算的復(fù)雜程度，所以目前還得不到廣泛的應(yīng)用。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，把模糊集合所定義的模糊概念應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習和計算之上，這樣就能在普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了各種各樣的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。一方

53、面利用了模糊控制去提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習能力，縮短了訓練時間；另一方面利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強大的學習能力去調(diào)整模糊化的精度函數(shù)，加強模糊推理的能力，提高模糊判斷的能力，實現(xiàn)并行推理?？梢?，如果能把模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制有機地結(jié)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)與直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合的控制策略都更優(yōu)的控制策略。3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理、主要特征、發(fā)展過程和未來的方向。通過直接轉(zhuǎn)矩控制主要通過控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈直接控制電機，簡單直觀，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。但是仍然存在著低速時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)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(guān)

54、表，用空間矢量脈沖寬度調(diào)制代替空間電壓矢量開關(guān)表和將模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合這三種方案。這就指明了直接轉(zhuǎn)矩控制今后的發(fā)展方向。第四章 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制4.1 永磁同步電機控制策略分類任何電動機的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產(chǎn)生的。直流電動機的主磁場和電樞磁場在空間互差90，因此可以獨立調(diào)節(jié)；交流電機的主磁場和電樞磁場互不垂直，互相影響。因此，長期以來，交流電動機的轉(zhuǎn)矩控制性能較差。經(jīng)過長期研究，目前的交流電機控制有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、不依賴對象的數(shù)學模型的控制策略等方案。4.1.1 恒壓頻比控制恒壓頻比控制是一種開環(huán)控制。它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利

55、用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出電壓uout進行控制，使電動機以一定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。在一些動態(tài)性能要求不高的場所，由于開環(huán)變壓變頻控制方式簡單，至今仍普遍用于一般的調(diào)速系統(tǒng)中，但因其依據(jù)電動機的穩(wěn)態(tài)模型，無法獲得理想的動態(tài)控制性能，因此必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學模型。永磁同步電動機的動態(tài)數(shù)學模型為非線性、多變量，它含有與id或iq的乘積項，因此要得到精確的動態(tài)控制性能，必須對和id，iq解耦。近年來，研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線性特性。4.1.2 矢量控制矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律，磁場定向坐標通過矢量變換，將三相交流電動機的定子電

56、流分解成勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這兩個分量相互垂直，彼此獨立，然后分別調(diào)節(jié)，以獲得像直流電動機一樣良好的動態(tài)特性。因此矢量控制的關(guān)鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終的實施是對id，iq的控制。由于定子側(cè)的物理量都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此調(diào)節(jié)、控制和計算都不方便。需借助復(fù)雜的坐標變換進行矢量控制，而且對電動機參數(shù)的依賴性很大，難以保證完全解耦，使控制效果大打折扣。4.1.3 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制（direct torque control，簡稱DTC），年，德國魯爾大學的Depenbrock教授和日本的Ta

57、kahashi教授提出了直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩作為被控量，直接對電機進行控制。有關(guān)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理下文有詳細的介紹，在這里暫且不說。4.1.4 不依賴對象的數(shù)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(huán)節(jié)，雖然控制的魯棒性有所加強，但同時在帶負載時出現(xiàn)了較大的靜態(tài)誤差。經(jīng)改進后，如今的模糊控制已經(jīng)有了積分效應(yīng)，能做到無靜態(tài)誤差控制。但是，如果單靠模糊控制，特

58、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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀80年代末發(fā)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和自動控制理論結(jié)合起來的產(chǎn)物。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像人一樣，擁有學習和記憶能力。在電機的控制上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是觀測估算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)速，并作出自適應(yīng)調(diào)整。但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種比較新的控制策略，所以技術(shù)還不是很成熟，有時會導致估算值出現(xiàn)很大的誤差或者系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。4.2 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理從式(2-15)可以看出，在M-T坐標下，電磁轉(zhuǎn)矩分成了兩部分：第一部分與轉(zhuǎn)子磁鏈有關(guān)，屬于勵磁轉(zhuǎn)

59、矩；第二部分是由轉(zhuǎn)子的不均勻，即凸極性引起的，屬于磁阻轉(zhuǎn)矩。方程中的磁極數(shù)，d軸電感和q軸電感都是常量，因此轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)子磁鏈，定子磁鏈和定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的正弦值有關(guān)。在控制過程中，假若忽略了定子電阻，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角就等于負載角。根據(jù)同步電機的特點，我們可以知道，在穩(wěn)態(tài)時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈是以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的。它們之間的夾角也恒定不變。在暫態(tài)時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，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(shù)遠遠小于轉(zhuǎn)子的機械時間常數(shù)，所以在實際應(yīng)用中，我們把轉(zhuǎn)子的磁鏈看作是一個常數(shù)，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

60、向，從而改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。這就能實時快捷地控制電磁轉(zhuǎn)矩。以上就是永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。圖4.1 是永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理圖通過原理圖4-1我們可以清楚看到永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的具體情況。三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制主要包括以下幾個部分：轉(zhuǎn)速調(diào)解環(huán)節(jié)，主要由比例積分環(huán)節(jié)完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的功能。滯環(huán)比較器，空間電壓矢量開關(guān)表，三相電壓逆變器，永磁同步電機，坐標轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，磁鏈估計環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)矩估計環(huán)節(jié)和區(qū)域判斷環(huán)節(jié)組成。系統(tǒng)把三相永磁同步電機實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速作比較，將兩者之間的誤差作為比例積分環(huán)節(jié)的輸入量。另一方面，系統(tǒng)把測得的定子的三相電流和相間電壓送入坐標