永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略及仿真研究11000字

I 1.1課題背景及選題意義 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容 2永磁同步電機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型 2.1永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 2.2永磁同步電機(jī)的控制方法 2.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(自然坐標(biāo)系下) 2.3.2永磁同步電機(jī)的磁鏈方程 2.4永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(兩相靜止坐標(biāo)系下) 2.5永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下) 3永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 3.1永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制 3.3直接轉(zhuǎn)矩控制的控制方式 3.4直接轉(zhuǎn)矩控制的控制特點(diǎn) 4永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真研究 4.1仿真模型的建立 4.2仿真設(shè)置 4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。永磁同步電機(jī)省略了普通同步電機(jī)所特有的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。由于永磁體激磁，無(wú)須激磁電流，因而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。普通同步電機(jī)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小可以人為地改變勵(lì)磁磁勢(shì)的大小。永磁同步電機(jī)以永磁體代替電勵(lì)磁繞組作為磁勢(shì)源，它對(duì)外提供的磁通和磁勢(shì)隨著外磁路磁導(dǎo)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的變化而自動(dòng)變化，無(wú)法直接調(diào)節(jié)永磁鐵磁勢(shì)的大小。永磁體作為磁路的一部分，由于磁鐵的磁導(dǎo)率低，對(duì)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)起削弱作用，使得永磁同步電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗比交軸反應(yīng)電抗小得多。人們普遍認(rèn)為永磁同步電機(jī)存在著無(wú)異步起動(dòng)能力和重載時(shí)有振蕩失步的危險(xiǎn)。永磁同步電機(jī)起動(dòng)時(shí)，雖然定子繞組中通以交變電流并建立旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)在永磁體磁極中產(chǎn)生相互作用，由于其轉(zhuǎn)子慣性較大，使得電機(jī)無(wú)法獲得足夠的起動(dòng)力矩。永磁同步電機(jī)以某一頻率旋轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載的變化只是改變了定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角，此時(shí)電機(jī)仍保持同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)定子磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線的夾角增大并超過(guò)最大負(fù)載角，此時(shí)電機(jī)定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體問(wèn)的磁力將無(wú)法維持負(fù)載平衡，使得轉(zhuǎn)子脫離同步轉(zhuǎn)速發(fā)生失步?，F(xiàn)如今，永磁同步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)普遍應(yīng)用到人們的生活中。永磁同步電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、性能高等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)廣泛使用到工業(yè)領(lǐng)域及居民生活中。由于永磁同步電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，因此要求電機(jī)在原有性能的基礎(chǔ)上，還要利用不同的控制策略以完善和提高電機(jī)的性能指標(biāo)。隨著科技的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的提升也逐漸變得勢(shì)在必得，因此對(duì)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)有著重要的1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1820年7月，丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了"電流的磁效應(yīng)",研究出了電磁學(xué)。1821年英國(guó)著名物理學(xué)家法拉第做出了第一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的模型，后來(lái)，又經(jīng)過(guò)40多年的長(zhǎng)時(shí)間的理論研究與實(shí)踐磨礪，終于成功使實(shí)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪幸呀?jīng)開(kāi)始小規(guī)模的推廣使用。1831年法拉第用了十余年的艱苦時(shí)間深入實(shí)驗(yàn)室研究，在8月29日終于實(shí)現(xiàn)了"磁生電"的這一偉大科學(xué)夢(mèng)想，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于電磁波的感應(yīng)守恒定律2。除此之外，法拉第還通過(guò)這些研究成果發(fā)現(xiàn)了原子電解質(zhì)的定律，并且對(duì)原子氣體具有放電性的現(xiàn)象研究進(jìn)行了立竿見(jiàn)影的理論研究，為后來(lái)出現(xiàn)的倫琴的粒子科學(xué)技術(shù)研究的出現(xiàn)做足了準(zhǔn)備條件，為如今粒子物理學(xué)的不斷發(fā)展進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)2]。隨著20世紀(jì)70年代稀土永磁材料的發(fā)展，稀土永磁電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。永磁電機(jī)利用稀土永磁體勵(lì)磁，永磁體充磁后能夠產(chǎn)生永久磁場(chǎng)。它的勵(lì)磁性能優(yōu)異，因在穩(wěn)定性、質(zhì)量、降低損耗等方面都優(yōu)于電勵(lì)磁電機(jī)而動(dòng)搖了傳統(tǒng)的電機(jī)市場(chǎng)。近年來(lái)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電磁材料特別是稀士電磁材料性能及工藝逐漸得以提高和改善，再加上電力電子與電力傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，永磁同步電機(jī)的性能越來(lái)越好。再者，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、體積小、特性好、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，很多科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)都在努力積極開(kāi)展永磁同步電機(jī)的研發(fā)工作，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大。在我國(guó)古代的許多歷史文獻(xiàn)記載中，首部齒輪直流電機(jī)的就是永磁直流電機(jī)。只不過(guò)在那個(gè)歷史時(shí)期，永磁電機(jī)材料的導(dǎo)電性能還是顯得相對(duì)不足，永磁體的余磁太低，過(guò)了沒(méi)多久就被電勵(lì)永磁電機(jī)所取代。一直到后來(lái)的20世紀(jì)70年代，以欽鐵硼等金屬為主要材料代表的各種新型稀土永磁復(fù)合材料的出現(xiàn)，使得永磁材料電動(dòng)機(jī)再度出現(xiàn)在人們的生活中，這些材料具有強(qiáng)大的矯頑力，剩磁和退磁能力相比以前得到了大大的提升。如今這個(gè)時(shí)代，有關(guān)于永磁同步電機(jī)的相關(guān)技術(shù)理論研微型化、智能化等發(fā)展趨勢(shì)方向邁進(jìn)。這些年來(lái)，基于永磁同步電機(jī)之上已經(jīng)發(fā)展出了許多更加高端的電機(jī)。雖然我國(guó)關(guān)于永磁直流電機(jī)相關(guān)技術(shù)的科學(xué)研究起步晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家學(xué)者及其他地方各級(jí)政府有關(guān)部門(mén)的大力幫助支持，它們的相關(guān)技術(shù)發(fā)展得很快。目前，我國(guó)已經(jīng)逐步開(kāi)始自行研制并自主設(shè)計(jì)批量生產(chǎn)3mw高速永磁式重型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，南車(chē)株洲公司也正在研究開(kāi)發(fā)一種功能更多的大功率永磁式高速風(fēng)力發(fā)電機(jī)3。目前，國(guó)內(nèi)外的研究方向如下：一是數(shù)字化；二是智能化；三是網(wǎng)絡(luò)化；四是綠色化。高性能和全數(shù)字伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，特殊加工設(shè)備和精細(xì)飼料系統(tǒng)。由于電機(jī)控制的DSP芯片(數(shù)字信號(hào)處理器)發(fā)明出來(lái)之后，所有數(shù)字交流伺服系統(tǒng)很大程度上實(shí)現(xiàn)了電流控制，實(shí)現(xiàn)了速度控制以及位置控制的數(shù)字化。使伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平得到提高并且使用靈活性也得到了增強(qiáng)。未來(lái)永磁電機(jī)研究以及開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)為：恰當(dāng)?shù)倪x擇最好的永磁材料。要開(kāi)發(fā)最好的永磁電機(jī)，非常有必要探索最好的永磁體磁場(chǎng)，同時(shí)要恰當(dāng)?shù)倪x擇永磁材料。現(xiàn)如今，自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越迅速。永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)在人們的生活中運(yùn)用的越來(lái)越多。如今的社會(huì)進(jìn)步的非?？欤郧暗碾姍C(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸跟不上人們的要求，永磁同步電機(jī)也隨著發(fā)展的越來(lái)越迅速。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，具備較高性能的永磁材料已經(jīng)得到了進(jìn)一步的應(yīng)用。這種方法使它的成本得以極大地減少，逐漸被廣泛應(yīng)用到了生活中的各個(gè)領(lǐng)域。永磁同步電動(dòng)機(jī)(它的英文名名字全稱為permanentmagnetsynchronousmotor,縮寫(xiě)為PMSM)主要組成部分由永磁轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等幾個(gè)主要零件共同組成。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上可以放一個(gè)高質(zhì)量的永磁體作為磁極。因?yàn)槠浞胖玫奈恢貌煌?，永磁自?dòng)同步系列電動(dòng)機(jī)通常大致可以被劃分為轉(zhuǎn)子外置或者是內(nèi)置式的兩種轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，永磁體的擺放位置將會(huì)影響到電動(dòng)機(jī)的性能。表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。而且，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁磁極很容易實(shí)現(xiàn)，可以讓電機(jī)的氣隙磁密波形趨于正弦分布。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可以充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度。制造工藝簡(jiǎn)單，啟動(dòng)性能好，不過(guò)漏磁系數(shù)和制造成本都比表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大。定子繞組、轉(zhuǎn)子鼠籠繞組以及永磁體這三者之間產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同促進(jìn)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行。在電動(dòng)機(jī)靜止情況下，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中通過(guò)三相對(duì)稱電流的時(shí)候產(chǎn)生；定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在籠型繞組內(nèi)產(chǎn)生電流，轉(zhuǎn)子便開(kāi)始產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，然后又與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)兩兩作用，這樣一來(lái)，轉(zhuǎn)子便開(kāi)始從靜止加速轉(zhuǎn)動(dòng)4。在一定的條件下電動(dòng)機(jī)能夠不受限制的旋轉(zhuǎn)是指永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子，這些轉(zhuǎn)子由永磁材料組成。這種永磁體稀土材料具有大的剩磁和矯頑力，這種磁導(dǎo)率與大氣磁導(dǎo)率相類(lèi)似，位于電動(dòng)機(jī)垂直方向的交軸的磁阻和直軸的磁阻增大，導(dǎo)致電抗減小，所以就削弱了電樞反應(yīng)5。該電機(jī)重量輕，效率高，功率因數(shù)高5。除此之外，(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可靠性高，并且沒(méi)有電刷，沒(méi)有滑環(huán)。該電機(jī)的效率高于電磁同步電動(dòng)機(jī)的效率，其功率因數(shù)可設(shè)計(jì)為1.0左右。(2)該電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)靈活，而且在一定功率范圍內(nèi)電磁同步電機(jī)的重量體積要比它大得多。(3)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)可以自由設(shè)計(jì)，原因是永磁同步電機(jī)無(wú)齒輪箱。電機(jī)體可整體安裝在同步軸上，形成一體式直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即一軸即為一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，節(jié)省了永磁同步電機(jī)本身所具有的特點(diǎn)后，主要研究永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子上永磁材料所處位置的不同可分為表貼式和內(nèi)置式6,如圖2.1所示。永磁同步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成，定子數(shù)和制造成本都較表貼式電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)大7。對(duì)于采用稀土永磁材料的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于永磁材料的磁導(dǎo)率接近1,所以表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相鄰永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁自動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)按氣隙磁場(chǎng)分布可以分為兩類(lèi)：(1)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)。磁極采用永磁材料，輸入三相正弦波電流時(shí)，氣隙磁場(chǎng)為正弦分布，稱做正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，或簡(jiǎn)稱永磁同步電機(jī)8。(2)梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)。磁極仍為永磁材料，由于磁極輸入的電流是方波電流，氣隙磁場(chǎng)呈梯形波形分布，性能更接近于直流電動(dòng)機(jī)8。用梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的自控變頻同步電動(dòng)機(jī)又稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)8。1.矢量控制矢量控制技術(shù)的不斷出現(xiàn)也具有重要理論研究現(xiàn)實(shí)意義，這一時(shí)期的通用電機(jī)矢量控制系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐步邁進(jìn)了新的技術(shù)發(fā)展歷史階段。后來(lái)被新的研究者們重新引入了對(duì)三相PMSM和異步矢量傳動(dòng)控制，并且他們發(fā)現(xiàn)因?yàn)椴恍枰紤]涉及到異步矢量電動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)差信噪比的巨大問(wèn)題，所以三相PMSM和異步矢量傳動(dòng)控制已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)了。對(duì)于三相PMSM轉(zhuǎn)速向量第一個(gè)是通過(guò)自動(dòng)控制定子驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩闺姍C(jī)穩(wěn)定。第二個(gè)是為了能夠加快在對(duì)系統(tǒng)的直流定子穩(wěn)壓電流向量進(jìn)行一個(gè)動(dòng)態(tài)電流調(diào)整后的過(guò)程，讓定子電流趨近于系統(tǒng)給定電流。在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，常見(jiàn)的方法有滯電流銷(xiāo)箱的電流控原理如下：參考坐標(biāo)基于永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁鏈軸建立，兩個(gè)相互正交的分量在定子電流中分成垂直分量和水平分量，垂直分量是與磁鏈在一個(gè)方向上的定子電流的勵(lì)磁分量，水平分量是正交的定子電流轉(zhuǎn)矩分量，是在磁鏈的方向上產(chǎn)生的；然后單獨(dú)對(duì)其完成控制的，類(lèi)似于直流電機(jī)的控制，動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)性能非常好。此外，同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制方法因其單一的控制結(jié)構(gòu)和易于控制的策略而被廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速系統(tǒng)中。92.直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)減少了坐標(biāo)變換中復(fù)雜的計(jì)算方法，對(duì)于信號(hào)的控制方法比較單調(diào)，把耦合效應(yīng)降到了最低，對(duì)轉(zhuǎn)矩的反應(yīng)比較迅速，系統(tǒng)的阻尼比大于1,對(duì)于交流調(diào)速的控制呈現(xiàn)出極高的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)，1997年人們把直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合2.3永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(自然坐標(biāo)系下)2.3.1永磁同步電機(jī)的電壓回路方程2.3.2永磁同步電機(jī)的磁鏈方程2.3.3永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程等，如式(2-6)所示：2.3.4永磁同步電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程2.4永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(兩相靜止坐標(biāo)系下)由自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC到靜止坐標(biāo)系α-β的坐標(biāo)變換叫Clark變換，根據(jù)圖2.2[fAfBfc]T=T?s/3s[fafefo](2-10)根據(jù)圖2.2所示各坐標(biāo)系之間的關(guān)系，可以得到如式(2-12)所示的坐標(biāo)變換公[fafa]T=T?s/2r[fafg]T(2-12)其中，T?s/2r為坐標(biāo)變換矩陣，可表示為：將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q變換到靜止坐標(biāo)系α-β稱為反Park變換，可表示為：[fafp]T=T2r/2s[fafa]T(2-14)其中T2r/2s為坐標(biāo)變換矩陣，可表示為：將靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q,各變量具有如下關(guān)系：[fafqfo]T=T3s/2rDAfbfc]T(2-16)將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q變換到自然坐標(biāo)系A(chǔ)BC,各變量具有如下關(guān)系：[fafBfc]T=T2r/3s[fafafo]T(2-18)r以上簡(jiǎn)要的描述了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和靜止坐標(biāo)系中各變量之間的關(guān)系，當(dāng)幅值不變作為約束條件時(shí)，變換前矩陣系數(shù)為2/3;當(dāng)采用功率不變作為約束條件時(shí)，該系數(shù)變?yōu)椤?/3,在三相系統(tǒng)中。計(jì)算時(shí)零序分量f?可以忽略不計(jì)。直接轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制系統(tǒng)是近年來(lái)在繼矢量轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)技術(shù)之后逐步發(fā)展應(yīng)用起來(lái)的一種新高性能的交流變頻調(diào)速控制技術(shù)。不同于其他滯環(huán)向量控制系統(tǒng)制信號(hào)，對(duì)逆變器的各個(gè)主要開(kāi)關(guān)元件運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和開(kāi)關(guān)電壓波動(dòng)進(jìn)行最精度直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)特點(diǎn)8:(2)在轉(zhuǎn)子中，由于沒(méi)有集電環(huán)和電刷產(chǎn)生的摩擦損耗，并且該轉(zhuǎn)子沒(méi)有銅損(3)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)性能好。(4)結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠。3.2直接轉(zhuǎn)矩控制原理在直接轉(zhuǎn)矩控制中，電機(jī)定子磁鏈的幅值通過(guò)電壓的矢量控制而保持為額定直接轉(zhuǎn)矩控制對(duì)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制要通過(guò)滯環(huán)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。滯環(huán)比較器的保持不變，一旦超過(guò)這個(gè)范圍，滯環(huán)比較器便給出相應(yīng)的值。根據(jù)圖3.1所示的關(guān)系圖，可以求出定子磁鏈在d-q坐標(biāo)系上的投影為：根據(jù)定子磁鏈方程：φa=Laia+φf(shuō);φq=Lqiq;結(jié)合式(3-1)式(3-2)可得d-q坐標(biāo)系下的定子電流方程為：將式(3-4)式(3-4)代入電磁轉(zhuǎn)矩方程：由式(3-5)可以看出電磁轉(zhuǎn)矩包含兩部分：一部分為電磁轉(zhuǎn)矩，由電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生；另一部分為磁阻轉(zhuǎn)矩，由電機(jī)的凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。對(duì)于表貼式三相PMSM而言，定子電感滿足于表貼式三相PMSM而言，定子電感滿足La=Lq=Ls,此時(shí)式(3-5)可以表示為：取其增量形態(tài)的轉(zhuǎn)矩增量方程如下：從式(3-7)可以看到三相PMSM中轉(zhuǎn)矩增量與磁鏈和轉(zhuǎn)矩角增量的關(guān)系。在一個(gè)控制周期中，由于機(jī)械時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于電氣時(shí)間常數(shù)，其轉(zhuǎn)子位置變化很小，故可通過(guò)控制定子磁鏈迅速改變其轉(zhuǎn)矩角或穩(wěn)定幅值，使轉(zhuǎn)矩快速變化。圖3.2為直接轉(zhuǎn)矩控制方框圖。從圖中可以看出，該系統(tǒng)大致有四個(gè)模塊：轉(zhuǎn)速環(huán)控制模塊，Bang-Bang控制(滯環(huán)控制)模塊，開(kāi)關(guān)表選擇模塊，磁鏈估計(jì)和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊。該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，給定轉(zhuǎn)速與估計(jì)轉(zhuǎn)速相比較，得到給定轉(zhuǎn)矩；經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器將轉(zhuǎn)矩差做滯環(huán)處理得到轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)；將磁鏈估計(jì)值跟給定磁鏈相比，經(jīng)滯環(huán)比較器得到磁鏈控制信號(hào)；根據(jù)計(jì)算的得到的轉(zhuǎn)子位移，劃分區(qū)段；根據(jù)區(qū)段，以及轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制信號(hào)，合理選擇開(kāi)關(guān)矢量，生成PWM波；輸出給逆變器，給電機(jī)供電。TT4?s速度TW3.3直接轉(zhuǎn)矩控制的控制方式接自控制，這種思想可以控制轉(zhuǎn)矩，磁鏈量，也可以使磁鏈自控制；它以轉(zhuǎn)矩為核心對(duì)電機(jī)進(jìn)行整體控制12]。DTC的優(yōu)勢(shì)便是可以直接建立一個(gè)定子坐標(biāo)，從而便可以直接解出磁鏈的模，還可以輕而易舉地知道轉(zhuǎn)矩的大小，更加簡(jiǎn)潔易懂。人們?cè)诔鍪噶靠刂萍夹g(shù)逐漸成熟后，又對(duì)DTC變頻調(diào)速展開(kāi)了研究，并且取得了很大的成果。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案和圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案[16。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(biāo)系下計(jì)算與控制PWM波信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它省去了復(fù)雜的矢量變換與電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有通常的PWM信號(hào)發(fā)生器13]。它的控制思想新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確。直接轉(zhuǎn)矩控制也具有明顯的缺點(diǎn)即：轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)13]。與VC(矢量控制)系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：(1)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控制器，并在PWM逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM波形，從而避開(kāi)了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化了控制器的結(jié)構(gòu)。(2)選擇定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來(lái)，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒(méi)有影響。(3)由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。(4)定子坐標(biāo)系下分析電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，不需要和直流機(jī)比較、等效、轉(zhuǎn)化，省去復(fù)雜的計(jì)算。有涉及。件主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視自動(dòng)化和交互式企業(yè)應(yīng)用程序的應(yīng)用高新技術(shù)和云計(jì)線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng))非常強(qiáng)大，若是使用MATLAB,便可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值的自動(dòng)分析、矩陣于數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的矢量數(shù)值分析計(jì)算等眾多專(zhuān)業(yè)技術(shù)以及在工程科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域都已經(jīng)提供了一種完整的解決辦法和設(shè)計(jì)方案，并且在一大程度上也完全擺脫了許多基于傳統(tǒng)的非專(zhuān)業(yè)交互式應(yīng)用程序編輯設(shè)計(jì)應(yīng)用語(yǔ)言(包括例如java和c、fortran)的程序編輯設(shè)計(jì)模式4。4.1仿真模型的建立1.MATLAB軟件簡(jiǎn)介MATLAB全名叫MatrixLaboratory。MATLAB的功能繁多，作為一款可以解決復(fù)雜矩陣數(shù)據(jù)的軟件，MATLAB的特性Simulink可以輕易的完成在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)下的工作，并不依靠復(fù)雜的代碼。在PMSMDTC仿真系統(tǒng)中，主要使用Simulink庫(kù)和PSB(PowerSystemBlockset)庫(kù)中的模塊。如圖4.1所示為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。55O×+11(b)磁鏈區(qū)段的確定：定子磁鏈?zhǔn)噶克诘膮^(qū)段我們可以根據(jù)磁鏈在α—β坐標(biāo)上的分量進(jìn)行判定，由φa的正負(fù)確定定子磁鏈?zhǔn)噶康南笙?，再由αtan(φβ/φa)決定定子磁鏈?zhǔn)噶康木唧w位置。其實(shí)現(xiàn)模塊如圖4.2和4.3所示。其中的MATLAB函數(shù)模塊是用來(lái)調(diào)用MATLAB中求反正切的函數(shù)，開(kāi)關(guān)模塊是一個(gè)2選1的輸出，其輸出再經(jīng)過(guò)圖4.3子系統(tǒng)便可以得到區(qū)段結(jié)果。pi6piG-2pi2-pi2-pi2Lo2-S曰SS·盡曰34Aconver~(c)轉(zhuǎn)矩估算：在轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩給定Te是由速度環(huán)PI控制器輸出獲得的.磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差信號(hào)，按公式進(jìn)行計(jì)算以后輸出，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的誤差信號(hào)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4.4所示。261圖4.4轉(zhuǎn)矩估算(d)磁鏈模型：kk圖4.5磁鏈模型(e)逆變器及驅(qū)動(dòng)信號(hào)：按照以上相類(lèi)似的方法，對(duì)逆變器及其驅(qū)動(dòng)信號(hào)，坐標(biāo)的變換，ua和up的獲取，電機(jī)磁鏈的估算等等，建立模型。心心4.2仿真設(shè)置永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置如表4.1所示：定子電阻Rs/Ω0404.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析為ON·m。在t=0.5s時(shí)，轉(zhuǎn)速變?yōu)?000r/min;轉(zhuǎn)矩變?yōu)?N·m。仿真結(jié)果如圖4.9和圖4.10所示。仿真分析：永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩波形圖如圖4.9所示；橫坐標(biāo)：時(shí)間t(s),縱坐<ElectromagnetictorqueTe(N"m)<ElectromagnetictorqueTe(N"m)5000.10.2永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖如圖4.10所示；橫坐標(biāo)：時(shí)間t(s),縱坐標(biāo)：轉(zhuǎn)速0.10.2從以上仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電機(jī)從零速上升到給定轉(zhuǎn)速800r/min時(shí)，雖然開(kāi)始電機(jī)轉(zhuǎn)速有一定的超調(diào)量，但仍然具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并且在t=0.5s時(shí)突加轉(zhuǎn)矩T=4N·m,給定轉(zhuǎn)速變?yōu)?000r/min,電機(jī)也能快速的恢復(fù)到給定參考轉(zhuǎn)速值，能夠滿足實(shí)際電機(jī)控制性能的需求。由此可以看出在控制過(guò)程完成后，系統(tǒng)在階躍變化時(shí)能夠自動(dòng)保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)，我對(duì)永磁同步電機(jī)的了解更加深刻，知識(shí)儲(chǔ)備也增加了許多。本設(shè)計(jì)首先對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和前景做了詳細(xì)的介紹，之后又對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究現(xiàn)狀做了闡述。本設(shè)計(jì)主要包含了四個(gè)模塊：1.永磁同步電機(jī)的背景和優(yōu)點(diǎn)；2.永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型；3.永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理和直接轉(zhuǎn)矩控制方框圖；4.在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，研究永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化情況。在MATLAB/Simulink電機(jī)仿真模擬環(huán)境下，對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行了系統(tǒng)建模與仿真，了解到了各個(gè)電機(jī)仿真系統(tǒng)模塊并研究了系統(tǒng)的基本性能。從仿真結(jié)果中，我發(fā)現(xiàn)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)良好。但電磁轉(zhuǎn)矩Te的波動(dòng)幅度較大，為此還需