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

永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計PAGE52畢業(yè)設(shè)計題目：永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計系：電氣與信息工程系專業(yè)：自動化班級：0201學(xué)號：0201110128學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：完成日期：2006年6月誠信聲明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（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（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名：日期：年月日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題目：永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計姓名婁晶系別電氣與信息工程系專業(yè)自動化班級0201學(xué)號0201110128指導(dǎo)老師唐勇奇職稱副教授教研室主任基本任務(wù)及要求：本系統(tǒng)以永磁同步電動機(jī)作為被控對象，針對永磁同步電機(jī)的特點，研究直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并設(shè)計以DSP為控制核心的硬件電路，軟硬件設(shè)計包括：被控對象同步電動機(jī)模型的建立、控制方法研究、主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、控制系統(tǒng)程序設(shè)計、系統(tǒng)控制效果仿真等。進(jìn)度安排及完成時間：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、存在問題及研究的實際意義。第三周：查閱相關(guān)資料，自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，確定課題總體方案，分配課題任務(wù)，確定個人研究重點，做好選題報告。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)計方案，根據(jù)對象特性進(jìn)行各種控制方法的研究，并設(shè)計硬件總體模塊圖及軟件模塊圖。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。第十三周至第十四周：系統(tǒng)仿真及調(diào)試。第十五周至第十六周：整理資料，完成畢業(yè)論文編寫，進(jìn)行畢業(yè)答辯。目錄摘要 IAbstract II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章永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 62.1永磁同步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu) 62.2永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立 62.2.1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)原理和控制規(guī)律 183.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展及特點 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 254.1主控制芯片TMS320LF2407DSP的介紹 254.2系統(tǒng)的主電路的設(shè)計 284.2.1系統(tǒng)的總體框圖 284.2.2系統(tǒng)的主電路設(shè)計 294.3系統(tǒng)的控制電路的設(shè)計 314.3.1系統(tǒng)的檢測電路的設(shè)計 324.3.2系統(tǒng)的保護(hù)電路的設(shè)計 364.4本章小結(jié) 37第5章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 395.1集成開發(fā)介紹環(huán)境的 395.2系統(tǒng)的軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu) 395.3系統(tǒng)的主程序模塊的設(shè)計 405.4系統(tǒng)的中斷程序模塊的設(shè)計 415.4.1A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計 425.4.2SVPWM子程序設(shè)計 435.5系統(tǒng)的故障中斷程序的設(shè)計 465.6本章小結(jié) 47結(jié)束語 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20-永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制策略直接對電機(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)子磁場定向解耦控制復(fù)雜性問題，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越多的關(guān)注。本設(shè)計也將在這方面進(jìn)行一些研究和探討。本設(shè)計從永磁同步電機(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)在控制過程中保持轉(zhuǎn)矩基本不變，從而可以降低逆變器的開關(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，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。本設(shè)計在完成理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了基于數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320LF2407的軟硬件設(shè)計，構(gòu)建了一個永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計主要包括主電路、檢測電路、保護(hù)電路和控制電路等。其中檢測電路包括了直流母線電壓檢測、電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測；保護(hù)電路包括啟動限流保護(hù)、過流保護(hù)和IPM故障保護(hù)等。軟件設(shè)計主要是在軟件中實現(xiàn)DTC控制策略。本設(shè)計分別完成了軟硬件的調(diào)試，在軟件中實現(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)字信號處理器DesignforDirectTorqueControlSystemofPermanentMagnetSynchronousMotorAbstract:Thedirecttorquecontrolstrategywhichdirectstocontrolthemotor’sstatorlinkageandtorque,resolvingtheproblemthatthecomplexityofthedecoupledcontrolforthedirectionalrotormagneticfiledexsitedinthealternatingcurrent(AC)motor’svectorcontrol(VC)strategy,hasbeenappliedsuccessfullytoahighqualifiedcontrolsystemofinductionmotor’sACspeedgovernor.Withthedevelopmentofdirecttorquecontrol(DTC)controltheoryandtheestablishmentofitsfundamentaltheoryinpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM),DTCstrategyofPMSMhasdrawnconsiderableattention.ThispaperisalsoconcernedwiththeDTCcontroltheory,andsomeimprovementhasbeenmade.BasedonthePMSMmathematicalmodel,thediscussionoffirndamentaltheoryinDTCofPMSMisaddressed.AfterthattheclassicalDTCspacevoltagevectorswitchstatelookuptableisderived.Onthebasisoftheoreticanalysis,thezerovoltagevectorisintroducedintothecontrolstrategy,whichcankeepthetorqueremainandreducetheswitchingfrequency,andcandecreasemotortorquerippleunderthesituationofnotreducethecontrolperiod.thevectorwillimprovethesystemperformance.Onthebasisoftheoreticanalysis,thehardwareandsoftwarearedesignedbythedigitalsignalprocessor(DSP)TMS320LF2407.Furthermore,thedirecttorquecontrolsystemofpermanentmagnetsynchronousmotorsystemisdesigned.Thehardwaredesignofthispaperincludesdesignofmaincircuit,measurementcircuits,protectioncircuits,andcontrolcircuits.ThemeasurementcircuitsincludeDClinevoltagemeasurement,currentmeasurement,andspeedmeasurement.Theprotectioncircuitsincludestartupunderlimitedcurrentprotection,over-currentprotection,andIPMfaultprotection.ThesoftwaredesignofthispapermainlycarriesouttheDTCstrategyinthesoftware.ThedebuggingofhardwareandsoftwareiscompletedinthispaperandtheDTCstrategyiscarriedoutinthesoftwar.Keywords:permanentmagnetsynchronous;motordirecttorquecontrolspace;voltagevector;digitalsignalprocessor永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計第1章緒論1.1課題研究的背景電動機(jī)是電能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的能量載體。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸以及日常生活中廣泛地應(yīng)用著電機(jī)傳動。其中對很多機(jī)械有調(diào)速的要求，一方面是為了滿足運行、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)即電氣傳動技術(shù)，它可分為直流電氣傳動和交流電氣傳動兩大類[3]。與直流電動機(jī)相比交流電動機(jī)尤其是鼠籠異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、運行可靠和效率較高等優(yōu)點，但很長一段時期內(nèi)其調(diào)速性能卻無法和直接調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其根本原因是交流電動機(jī)是一個高階、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，由于直流傳動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機(jī)，而約占電氣傳動總?cè)萘?0%的不變速傳動則采用交流電動機(jī)。20世紀(jì)70年矢量控制技術(shù)的提出及實用化，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，推動了交流電氣傳動技術(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)、專用集成電路(ASIC)、數(shù)字信號處理(DSP)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展為交流電氣傳動技術(shù)發(fā)展提供硬件保障；仿真軟件(如MATLAB)和計算機(jī)輔助設(shè)計(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，交流電氣傳動技術(shù)已發(fā)展成為多門新技術(shù)、多門新學(xué)科相交叉的新興學(xué)科。由于控制簡單，長期以來在要求較高的場合，直流電機(jī)一直占主導(dǎo)地位。但它存在一些固有的缺點，例如電刷、換向器易損耗，需要經(jīng)常維護(hù)，換向器會產(chǎn)生火花，限制了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速和過載能力，且無法直接應(yīng)用在易燃易爆的工作場合。而交流電機(jī)特別是感應(yīng)電機(jī)則沒有上述缺點和限制，轉(zhuǎn)子慣量較小，動態(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)較簡單，其控制卻比較復(fù)雜。交流異步電機(jī)價格便宜，運行可靠，但不能經(jīng)濟(jì)地在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，且需要吸收滯后的勵磁電流，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[3]：…………….20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的微處理器(Micro-processor)使得計算機(jī)在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮了極為重要的作用，微處理器即計算機(jī)的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲器、I/O接口和其它外設(shè)，就可構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的通用控制器。正是由于單片機(jī)的出現(xiàn)，計算機(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了功耗小和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點。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:也可以方便地實現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使得整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機(jī)有許多類型，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)自問世以來，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,有多級中斷處理系統(tǒng)，片內(nèi)帶有串行I/O口，16位定時計數(shù)器，這些性能基本能夠滿足一般控制系統(tǒng)的需要，故這類單片機(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)處理或浮點運算時則略有遜色。DSP則是近年來出現(xiàn)的一種高速專用的微處理器，其主要特點是采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲空間與數(shù)據(jù)存儲空間分開，并各自擁有自己的數(shù)據(jù)總線和地址總線；采用流水線技術(shù)，使得指令處理的平均速度大大提高；內(nèi)部增設(shè)專門的硬件乘法器；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)行乘法和累加運算[7]。片內(nèi)還集成了越來越多的外圍接口，從而大大提高其功能，并且它有完整的開發(fā)和調(diào)試工具，開發(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，國外公司推出了專用于電機(jī)控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、AnalogDevices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?？刂撇呗院头绞绞菦Q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。其特點是:控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩，而不能進(jìn)行動態(tài)控制?？刂魄€會隨負(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）：交流傳動控制理論及實踐終于在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)。其實質(zhì)是將交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)，分別對速度、磁場兩個分量進(jìn)行獨立控制。通過控制轉(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)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。這樣，通過坐標(biāo)變換重建的電動機(jī)模型就可以等效為一臺直流電動機(jī)[4]。矢量控制的控制方法實現(xiàn)了異步電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。然而，在實際系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果不如理論分析的好。這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足之處。交流傳動領(lǐng)域的專家學(xué)者也都針對矢量控制上的缺陷做過許多研究，諸如進(jìn)行參數(shù)辨識(或補償)以及使用狀態(tài)觀測器等現(xiàn)代控制理論，但是這些方案的引入使系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制的實時性和可靠性降低了[6]。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC控制）：其實質(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實現(xiàn)的。其優(yōu)點是：對轉(zhuǎn)矩直接控制，動態(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)展起來的又一種高性能的新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年，德國學(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。即跳出了交流傳動技術(shù)研究的傳統(tǒng)思維模式，不去考慮如何去解耦，將定子電流分解成為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分流量。直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。通過檢測得到的定子電壓和電流，采用定子磁場定向，直接控制電動機(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，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動、靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注。與矢量控制技術(shù)相比，對電機(jī)參數(shù)不敏感，簡單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點。1.2本課題的主要研究工作（1）對直接轉(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。（3）研究TI公司的電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，設(shè)計出以此種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匯編指令編寫系統(tǒng)控制軟件，實現(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PMSM進(jìn)行分類，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關(guān)表。2.1永磁同步電機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)常見的永磁同步電機(jī)（PMSM）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來分，可以分為表面貼裝式PMSM(SurfacePMSM)和內(nèi)嵌式IPMSM(InteriorPMSM)。其中IPMSM又分為嵌入式PPMSM和內(nèi)埋式PPMSM[2]。其特點如表2.1所示。SPMSM實質(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)運行在高速區(qū)時，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題也沒有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)可以用來提高電機(jī)效率和改善調(diào)速特性[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)定子通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)的磁場。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)為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標(biāo)系即坐標(biāo)系(圖2.2)，其α軸與A軸重合，軸超前β軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對稱正弦電流時也會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其效果與兩相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標(biāo)系代替三相定子坐標(biāo)系進(jìn)行分析，從而達(dá)到簡化運算的目的。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)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，又稱為同步旋轉(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)，定子磁鏈的方向為x軸的正方向，Y軸超前x軸。同時，定義x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，x軸超前d軸時轉(zhuǎn)矩角為正。2.2.2三相定子坐標(biāo)系與兩相定子坐標(biāo)系變換(3s-2s)圖2.2中繪出了ABC和兩個坐標(biāo)系，為了方便起見，取A軸與α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，各相磁動勢為有效匝數(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)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，則兩套繞組瞬時磁動勢在α，β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（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，簡稱2s-2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個坐標(biāo)系畫在一起，如圖2-4所示。兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由于個繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(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、的長短不便，相當(dāng)于d、q繞組的直流磁動勢。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時間而變化，因此在、軸上的分量、的長短也隨時間變化，相當(dāng)于、繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見，、和、之間存在下列關(guān)系圖2.5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢（電流）空間矢量寫成矩陣形式，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（磁動勢）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，定子磁鏈的方向為x軸的正向，x軸與d軸的夾角為轉(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，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)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，另一方面以電磁力拖動著轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(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)漏電動勢。此外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而產(chǎn)生空載電動勢。為了簡化分析過程，在建立數(shù)學(xué)模型時常忽略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)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓是按正弦分布的，即略去磁場中的所有空間諧波；（3）各相繞組對稱，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)電動勢（反電動勢）與勵磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一樣也是正弦的，那么PMSM的數(shù)學(xué)模型就與電勵磁同步電機(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)模型對于三相繞組電動機(jī)，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈?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αβ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，對于分析永磁同步電機(jī)控制過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便。對永磁同步電機(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)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)運動方程為：(2.29)其中為轉(zhuǎn)動慣量，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。2.5本章小結(jié)本章節(jié)對永磁同步電機(jī)的分類、結(jié)構(gòu)及特點進(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，最后給出了其運動方程。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)這幾個條件從六個(或八個)電壓矢量中選擇一個最佳矢量，使電機(jī)按照給定的指標(biāo)運行。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)是從電動機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器(原理圖見圖3.1)不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準(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)采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生開關(guān)信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行電壓空間是量的最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。圖3.1理想逆壓器如圖3.1所示，圖中、、分別用來表示橋臂a、b、c中同一橋臂上的兩個開關(guān)器件的狀態(tài)。當(dāng)某相開關(guān)信號S為1，表示該相的上橋臂接通，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電壓矢量，其中包括六個有效電壓矢量和兩個零電壓矢量，如圖3.2所示。六個有效電壓矢量為(100),(110),(010),(011),(001),(101)，兩個零電壓矢量為(000)和(111)。關(guān)于逆變器電壓狀態(tài)的表示于開關(guān)的對照關(guān)系見表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空間電壓矢量圖來表示，則形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔600，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形的6個頂點。矢量的順序正是從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆變針旋轉(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)與開關(guān)狀態(tài)對照關(guān)系狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(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相相電壓單獨作用時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關(guān)狀態(tài)下，由圖3.1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)由于逆變器的開關(guān)頻率比較高，開關(guān)間隔時間△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，故磁鏈?zhǔn)噶康倪\動軌跡將沿著電壓矢量的方向移動，因此，為了控制沿設(shè)定軌跡運動，可以通過選擇合適的電壓矢量來實現(xiàn):把電壓矢量平面按定子磁鏈角度0劃分為六個區(qū)域(如圖3.2所示)，如區(qū)域表示處于（），在每一個區(qū)域，可以選擇相鄰兩個矢量來增加或減小磁鏈幅值。例如:當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭谇夷鏁r針旋轉(zhuǎn)時，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璧闹瞪稀D3.3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、定子三相電流和電壓經(jīng)過三相，二相的坐標(biāo)變換的、、、，通過式（3.9）、（3.10）求得、，通過式（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、磁鏈比較器中進(jìn)行比較，用它們的輸出值控制逆變器的開關(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，對電壓空間矢量的選擇做了詳細(xì)的說明。隨后根據(jù)永磁同步電機(jī)的特點，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，交流永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能達(dá)到甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，因而成為近年來研究和應(yīng)用的熱點。但是目前國內(nèi)的交流調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品與國外的產(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)，大都還在研究階段。本文在借鑒國內(nèi)外電氣傳動領(lǐng)域研究的最新成果的基礎(chǔ)上，對于永磁同步電機(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来磐诫姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的推動作用。本設(shè)計在參考大量的國內(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，針對現(xiàn)代交流驅(qū)動與伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢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。緊接著分析了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩直接控制結(jié)構(gòu)中各個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)矩控制策略原理對永磁同步電機(jī)