永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制

永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制摘要直接轉(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。而另一方面，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。基于這一發(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(biāo)系下的數(shù)學(xué)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。andswiftandhasfasttorquerespond.ontheotherhand,permanentmagnetsynchronousstructure.Inthispaper,wefocusedontheeffectoftheapplordertoanalyzePMSMDTCbetdisadvantageofDTC.Ontheotherhand,italsoshownPMSM'smathematicalmodelsindifferentcoordinatesystem.ThenIbuilofsimulation.TheconclusionshownthatPMSMDTChasquicktorquerespondtoachieverapidandreliablecontrol.however,ithaspoorlow-speedperformance.Therefore,improvingPMSMDTClow-speedperformancewillbethetrendofimprovementinthefuture.1緒論 11.1研究背景及研究意義 11.2相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況 21.3永磁同步電機的特點 31.4永磁同步電機的典型應(yīng)用 31.5研究的主要內(nèi)容 42直接轉(zhuǎn)矩控制概述 52.1電機控制策略分類 52.2直接轉(zhuǎn)矩控制原理 62.3直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向 72.4本章小結(jié) 83永磁同步電機概述 3.1永磁同步電機的分類 3.2永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 3.3永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型 3.4本章小結(jié) 4永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制 4.1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理 4.2逆變器與開關(guān)表 4.3定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測定 4.4本章小結(jié) 5永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 5.1仿真軟件 5.2仿真模型 5.3仿真結(jié)果分析 5.4本章小結(jié) 結(jié)論 致謝………………●…………1.1研究背景及研究意義隨著電機調(diào)速理論、電力電子和微電子技術(shù)以及永磁材料的迅速發(fā)展，使得永磁同步電機的變頻調(diào)速進入了深入研究和廣泛應(yīng)用的階段。永磁同步電機 量比、高能量密度、高效率、維修性好等眾多優(yōu)點而得到了諸多關(guān)注，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人、航空航天以及電力牽引等領(lǐng)域，已經(jīng)成為電氣傳動領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點日常生活中的家用電器中，都大量地使用著各種各樣的需用電，運用此慣性帶動運行的一種電動機械，電機的形狀和尺寸可以靈活多樣等自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。現(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。電機，即將機械能和電能相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備。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。基于這一優(yōu)點，直流調(diào)速系統(tǒng)在上世紀(jì)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)轉(zhuǎn)換，節(jié)約了大量1.2相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展情況20世紀(jì)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(dāng)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。PWM(PulseWidthModulation)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(rèn)交點，從而起到調(diào)節(jié)的作用。SPWM(SinusoidalPWM),即正弦波的脈沖寬度調(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(xué)運算的難度，延長了運算的時間。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)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(SpaceVectorPu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)生的三相對稱的理想磁場圓為1.3永磁同步電機的特點同步電機用永磁體取代電勵磁，無勵磁損耗。無轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)子中就無銅耗。由于定轉(zhuǎn)子同步，轉(zhuǎn)子鐵芯中也無鐵耗，因此，永磁同步電機的效率較電勵磁同步電機極大提高了電機的功率因數(shù)。2、永磁同步電機具有較硬的機械特性，對于因負(fù)載變化而引起的電機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受力。3、由于沒有籠型轉(zhuǎn)子，永磁同步電機具有較低的慣性，即轉(zhuǎn)矩慣性比較高。4、電機轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電機的轉(zhuǎn)速，控制比異步電機容易。1.4永磁同步電機的典型應(yīng)用節(jié)能和環(huán)保是國家既定國策，為永磁同步電動機及其系統(tǒng)的應(yīng)用與研究帶來蓬勃發(fā)展生機。我國稀土資源豐富，應(yīng)大力開展永磁同步電動機及其系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)以下展示開發(fā)的部分產(chǎn)業(yè)化的圖片。展示用于綠色環(huán)保加齒輪箱系統(tǒng)相比，節(jié)能至少在30%以上，且明顯減小了振動噪聲，提高了平層精動態(tài)性能。用于工業(yè)縫紉機的PMSM,與傳統(tǒng)的異步電動機或電磁轉(zhuǎn)差離合器驅(qū)動的方案相比，明顯縮小了體積，較少了重量，可置于縫紉機車頭內(nèi)，美化了外形。1.5研究的主要內(nèi)容本文主要對永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制這一課題進行研究。第二章主要介紹當(dāng)今交流伺服系統(tǒng)的控制策略，直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和發(fā)展趨勢。第三章對永磁同步電機的結(jié)構(gòu)，分類，及它在各個坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進行介紹。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)果進行歸納，最后的得出本文的結(jié)論。2直接轉(zhuǎn)矩控制概述上文已經(jīng)提及到由于科技的革新和技術(shù)的發(fā)展，交流伺服電機應(yīng)用日漸廣泛，所以對交流伺服電機控制策略的研究的重要性也不斷提高。交流伺服電機的控制策略大概可以分為以下幾類：一、基于穩(wěn)態(tài)的控制策略其中較有代表性的就是恒壓頻比控制。它忽略了控制變量的相位，只關(guān)注其的幅值，而且其反饋量和輸入量之間的比值為直流量，所以它的本質(zhì)是一種標(biāo)量控制低速時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)低，參數(shù)設(shè)計難，沒有解決非線性、多變量的問題等缺點。因此，不能用在高精度要求的場合上，也就是說只能用于如風(fēng)機、泵機這一類對控制精度要求不高的電機上。二、基于動態(tài)的控制策略矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是對電機的參數(shù)進行解耦，分別對電機的磁鏈和電流進行獨立的控制。具體實現(xiàn)方式是把轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場作為參考系，將然后分別獨立對兩個分量進行控制，達到控制電機速度的目的。究其實質(zhì)，就是將復(fù)雜的交流電機控制，通過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變成直流電機的控制。但是，因為要實現(xiàn)這種控制方法，就必須在系統(tǒng)中增設(shè)位置傳感器，觀測轉(zhuǎn)子的實時位置。這樣就是的成本增加，而且加大了操作難度。另一方面，由于坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)換，增加了大量的運算，降低了效率，帶來了諸多不便。直接轉(zhuǎn)矩控制(directtorquecontrol,簡稱DTC),1985年，德國魯爾大學(xué)的Depenbrock教授和日本的Takahashi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)第二類是動態(tài)逆控制，又稱直接反饋線性控制。這兩種方法都是針對解決非線性問題而提出的。微分幾何反饋線性法因為要將問題轉(zhuǎn)換到幾何域里，比較抽象，在實際應(yīng)用中不如物理概念清晰的動態(tài)逆控制法。自適應(yīng)控制，自適應(yīng)控制能根據(jù)電機的運行情況不斷提取實時參數(shù)，然后根據(jù)新的參數(shù)合理地修改控制策略。這樣，有利于加強動態(tài)性能。自適應(yīng)控制主要包括模型自適應(yīng)、參數(shù)自適應(yīng)和非線性自適應(yīng)。這種控制方式的不足在于當(dāng)電機的運行狀態(tài)變化太快的時候，無法很好地跟蹤其參數(shù)，提取的結(jié)果與實際結(jié)果誤差較大，導(dǎo)致修改后的控制策略不合理。另一方面，由于電機模型的復(fù)雜性，導(dǎo)致運算時間過長，降低了控制的效率。但這一不足隨著微處理器的不斷更新?lián)Q代，得以克服。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(fù)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神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是20世紀(jì)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(xué)習(xí)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(dǎo)致估算值出現(xiàn)很大的誤差或者2.2直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制策略后又一應(yīng)用廣泛的控制策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機，而是通過直接控制電機的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。它并沒有像矢量控制一樣，用轉(zhuǎn)子磁鏈作為參考系，而是把定子磁鏈作為參考系，這樣就使磁鏈僅僅由定子電阻確定，大大弱化了電機運行狀態(tài)改變時對控制策略的影響。確定了參考系后，只需測定定子的電壓和電流，就能通過空間矢量理論去計算電磁轉(zhuǎn)矩以及定子磁鏈。通過給定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩以及給定的定子磁鏈和實際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶恐苯愚D(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(biāo)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(dāng)?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)。2.3直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向直接轉(zhuǎn)矩控制也并不是十全十美的控制策略，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制同樣存在著缺點。它要將給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差輸入到滯環(huán)比較器中。由于滯環(huán)比較器存在一個閥值，而且電壓逆變器只有八種狀態(tài)可選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)矩或者定子磁鏈從一個很小的值變化到另一個很小的值，即電機運行在低速狀態(tài)，如在啟動階段時，電壓逆變開關(guān)沒來得及改變，導(dǎo)致電壓矢量繼續(xù)作用，直至給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差達到滯環(huán)比較器的閥值，電壓逆變器才開始改變狀態(tài)，終止電壓矢量的作用。因此，在此過程中，會使電機的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈產(chǎn)生較大的波動。為了解決傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，動態(tài)性能不足這個缺點，目前專家提出了幾種解決方法。這就確定了直接轉(zhuǎn)矩控制在今后的發(fā)展方向。一、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Ws、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(xué)習(xí)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(xùn)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(xùn)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(xué)習(xí)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)生了各種各樣時間；另一方面利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強大的學(xué)習(xí)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。可見，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)的控制本章主要介紹了電機控制的策略，大致可分為三類：基于穩(wěn)態(tài)的控制策略，基于動態(tài)的控制策略和不依賴對象的數(shù)學(xué)模型的控制策略。其中基于穩(wěn)態(tài)的控制策略受到動態(tài)性能的限制，不能得到廣泛的應(yīng)用。而不依賴對象的數(shù)學(xué)模型的控制策略其典型代表就是直接轉(zhuǎn)矩控制。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)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。3永磁同步電機概述按照轉(zhuǎn)子上的永磁體的位置，可以把永磁同步電機分為三類，分別是表面式，內(nèi)埋式和嵌入式。表面式的永磁同步電機屬于隱極電機，永磁體位于轉(zhuǎn)子表面，體積較小，轉(zhuǎn)動時慣性也比較小，因此轉(zhuǎn)矩的線性特性相對較好。內(nèi)埋式永磁同步電機和嵌入式永磁同步電機同屬凸極電機，因此轉(zhuǎn)矩的線性沒有表面式永磁同步電機好。其中嵌入式永磁同步電機的凸極特性比內(nèi)埋式永磁同步電機要小，因此轉(zhuǎn)矩的線性也比較好。但內(nèi)埋式永磁同步電機也有著自己的優(yōu)勢，它雖然轉(zhuǎn)矩的線性度較3.2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)。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)子表面外，其他都不需要用機械加工。轉(zhuǎn)子表面光滑，風(fēng)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：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(yán)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，就能使永磁體得到更好的利用。當(dāng)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，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)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。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(xué)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)鐵心中的導(dǎo)磁系二、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(fēng)溝和槽對定子和轉(zhuǎn)子在假設(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(biāo)下永磁同步定子三相坐標(biāo)(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(biāo)下的電壓和磁鏈方程可以永磁同步電機在a-b-c坐標(biāo)下的電壓方程的矩陣形式如下：永磁同步電機在a-b-c坐標(biāo)下的磁鏈方程的矩陣形式如下：Laa、Lob、L分變?yōu)槿喔髯缘淖愿邢禂?shù)，Mw和Mm為a、b相之間的互數(shù)，Vr為轉(zhuǎn)子磁鏈，θ轉(zhuǎn)子位置較角?？梢钥闯鲈诙ㄗ尤囔o止坐標(biāo)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。圖3.1a-β坐標(biāo)系中永磁同步電機的數(shù)學(xué)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a軸與a軸重合。經(jīng)過變換，可得出在α-β坐標(biāo)系永磁同步電機的狀態(tài)方程。電壓方程的矩陣形式：ya、ψp為α-β坐標(biāo)系中的定子磁鏈，P為磁極數(shù)，T為電磁轉(zhuǎn)矩。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a-β中永磁同步電機狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換到d-q坐標(biāo)系的過程，就稱作park變換。經(jīng)過park變換后，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：ua、ug為d-q坐標(biāo)系中的定子電壓，iu、ig為d-q坐標(biāo)系中的定子電流，ya、ψq為d-q坐標(biāo)系中的定子磁鏈。磁鏈方程的矩陣形式：因為M軸與磁場的軸線重合，所以VT=0。所以T可以寫成如下形式：T=1.5P|y,|iT(3-14)整理得：本章介紹了表面式，內(nèi)埋式和嵌入式這幾類永磁同步電機以及它們的應(yīng)用場子、爪極式轉(zhuǎn)子和切向式轉(zhuǎn)子的優(yōu)缺點和應(yīng)用場合。展示了永磁同步電機在a-b-c鏈和轉(zhuǎn)矩的方程。為后續(xù)章節(jié)打下了一個理論基礎(chǔ)。4永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制4.1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理從式(3-15)可以看出，在M-T坐標(biāo)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)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(fù)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?zhǔn)且韵嗤霓D(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。TT開關(guān)表滯環(huán)Ua轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器TWaan圖4.1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖通過原理圖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(biāo)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)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(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸出值送入磁鏈估計環(huán)節(jié)，把其輸出的磁鏈值分別送入?yún)^(qū)域判斷環(huán)節(jié)和轉(zhuǎn)矩估計環(huán)節(jié)，并且與給定的定子磁鏈值作比較，將誤差輸入到滯環(huán)比較器中。然后，把比例積分環(huán)節(jié)輸出的給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩估計環(huán)節(jié)輸出的實際轉(zhuǎn)矩作比較，把它們的誤差輸入到滯環(huán)比較器中。將兩個滯環(huán)比較器的輸出值和區(qū)域判斷值作為開關(guān)表的輸入量，得出一組控制脈沖，去控制4.2逆變器與開關(guān)表逆變器和開關(guān)表都是三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的重要組成部分。在三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中，我們選擇三相橋式電壓逆變器來實現(xiàn)逆變功能。其結(jié)構(gòu)如圖4-2,它的特點是每一支橋臂都導(dǎo)通180°,a、b、c各相導(dǎo)通的電角度相差120°,同一相的上下兩個橋臂交替導(dǎo)通。在任意一個時間里都有3支橋臂導(dǎo)通，上下兩橋臂交替換流。所以三相橋式電壓源逆變電路的換流方式為縱向換流。我們可以假定6個空間矢量去表示三相橋式電壓源逆變電路的6種狀態(tài)。它們分別是U1(100),U2(110),U3(010),U4(011),U5(001)和U6(101)。其中第一位數(shù)字代表a相，第二位數(shù)字代表b相，第三位數(shù)字代表c相。1代表導(dǎo)通，0代表關(guān)斷。在這6個空間矢量的基礎(chǔ)上，再引入兩個無意義的零矢量，就是圖4-3的空間矢量的分布情況。兩個零矢量U7(000)和U8(111)位于坐標(biāo)原點，其余的6個矢量把坐標(biāo)平面分成6等份，每一等份是60°。在由電壓空間矢量分布圖可知，在每一個區(qū)域中，我們能用兩個相鄰的電壓矢量來控制定子磁鏈的值。從而使開關(guān)頻率最小，盡量減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動。例如在60°—120°的區(qū)域中，定子磁鏈正在逆時針旋轉(zhuǎn)。這時，就可以用空間電壓矢量U3增加定子磁鏈的值，用空間電壓矢量U4減小定子磁鏈的值。圖4.2電壓空間矢量分布圖圖4.3空間電壓矢量的控制理論圖根據(jù)空間電壓矢量的控制理論，可以通過磁鏈的位置，滯環(huán)比較器輸出的磁鏈的值和轉(zhuǎn)矩的值，去確定應(yīng)用那一電壓矢量來控制三相橋式電壓源逆變電路的通斷。這就是空間電壓矢量開關(guān)表的原理。ψTθ表4.1空間電壓矢量開關(guān)表的原理。若ψ=1,說明實際的定子磁鏈小于給定的磁鏈，此時應(yīng)增大定子磁鏈。若ψ=-1,說明實際的定子磁鏈大于給定的定子磁鏈，此時應(yīng)減小定子磁鏈。同理可得轉(zhuǎn)矩的4.3定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測定定子磁鏈的值在永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，作用舉足輕重。所以測定定子磁鏈的方法的選擇尤為重要。定子磁鏈的測定主要有兩種方法，分別是電流模型測定法和電壓模型測定法。圖4.4電流模型測定圖坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，再由在d-q坐標(biāo)系下的磁鏈方程確定定子磁鏈的d軸分量和q軸分量。然后在分別把兩個分量經(jīng)過d-q坐標(biāo)系與α-β坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，得到定子磁鏈a軸的分量和β軸的分量。這種定子磁鏈的測定方法運用到一次Park變換和一次Park的逆變換，計算量比較大，操作起來比較麻煩，所以這種方法的應(yīng)用并不廣泛。下面介紹一種運算相對方便簡單的定子磁鏈的測定方法，也是本人在仿真中使用到的一種方法。它就是電壓模型測定法。根據(jù)式(4-1)和(4-2)可以建造如圖4-5的模型。由圖可知，只要經(jīng)過兩次積分，就可以把測得的定子電壓和電流的α軸的分量和β軸的分量轉(zhuǎn)化為定子磁鏈的α軸的分量和β軸的分量。與電力模型測定法相比，省去了兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使計算變得簡單，大大提高了運算速度。所以電壓模型測定法應(yīng)用相當(dāng)廣泛，且特別適合電磁轉(zhuǎn)矩的測定，電磁轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中必要的檢測量。但是在實際操作中，很難直接測定電磁轉(zhuǎn)矩的值。所以，就通過間接測量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。根據(jù)式(3-6)可知，只要測出定子電流的α軸的分量和β軸以及用電壓模型測定法測出的定子磁鏈的α軸的分量和β軸，就能求得電磁轉(zhuǎn)矩。+e4.4本章小結(jié)本章重點介紹了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和系統(tǒng)構(gòu)造。在上一章講到的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上講述了三相永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中幾個重要的構(gòu)成部分，如三相橋式逆變器，空間電壓矢量開關(guān)表，定子磁鏈測定環(huán)節(jié)和電磁轉(zhuǎn)矩測定環(huán)節(jié)的原理，為下一章的軟件仿真打下基礎(chǔ)。五永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真MATLAB(MatrixLaboratory)即矩陣實驗室，是美國Waterworks公司出品的軟件，是用于算法的開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式平臺，主要包括MATLAB和Sibling兩大部分。本文主要應(yīng)用到Simulink為MATLAB的重要組成部分。它能提供用戶一個建模、仿真以及數(shù)據(jù)分析的環(huán)境。該環(huán)境的最大特點就是可視化，即用戶無需運用大量的算法和編程語言去對對象就行操作，只需要用鼠標(biāo)點擊所需要的功能，拖動工具箱中所利用到的模塊，然后輸入?yún)?shù)，再進行連接建模，就能輕松仿真，并直觀地觀察到用戶所需的Simulink主要有以下優(yōu)點：仿真工具箱的模塊庫種類繁多，并且可以支持?jǐn)U展和自定義編輯，使應(yīng)用范圍變得廣泛。直觀的圖形交互式操作，使用戶的操作簡單快捷，易于初步掌握軟件的使用。糾錯功能出色，模型分析和診斷工具的引入，能查出模型中的錯誤，提示用戶，保證模型的一致性。5.2仿真模型如圖5-1所示，仿真模型主要有直接轉(zhuǎn)矩控制模塊，三相橋式電壓逆變模塊，永磁同步電機模型，測量模塊再輔以其余模塊搭建而成的。下面主要介紹一下直接torque5UniversalBridge1Halleffecttorque3wmMachinesMeasurementDemuxtorque1VoltageMeasurementtorque2torqueótorque4PermanertMagnetSynchronousMachineABCConstantpluse1Tm-ne圖5.1永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制仿真圖++2K3122/3十1圖5.2定子電流轉(zhuǎn)換模塊圖子電流。×U_alphadoubleDataTypeConversion1K-×DataTypeConversion2doubleDataTypeConversion2U_beta③1b4doubleK+圖5.3定子電壓轉(zhuǎn)換模塊圖此模塊的主要功能是通把在a-b-c坐標(biāo)系下的定子電壓轉(zhuǎn)換成α-β坐標(biāo)系下的++5×23112Integrator14+圖5.4定子磁鏈計算圖此模塊的主要功能是用電壓模型測定法，通過雙積分計算求的得實際的定子磁鏈的α軸的分量和β軸的分量。電磁轉(zhuǎn)矩計算模塊3F_alpha×2i_beta41×X51圖5.5電磁轉(zhuǎn)矩計算圖此模塊的主要功能是把測出定子電流的a軸的分量和β軸以及定子磁鏈的a軸的分量和β軸，求得電磁轉(zhuǎn)矩。磁鏈位置判斷模塊section51Switoh4Switoh3Switoh2Switch1Switoh46231圖5.6磁鏈位置判斷圖此模塊的主要功能是判斷定子磁鏈位于哪一區(qū)域，作為開關(guān)表的輸入量。開關(guān)表模塊doubledoubleLookupTableNOTdoubleDataDataTypeConvesion2doubleDataTypeConvesion4doubleDataTypeConvetsion5doubleint16batTypeCorwetontint16DataTypeConversionLockupTable(2-D)4LooupTabi2②sectionpiuseS圖5.7開關(guān)表模塊圖此模塊的主要功能是把兩個滯環(huán)比較器的輸出值和定子磁鏈的區(qū)域作為輸入量，選取出合適的空間電壓矢量，去發(fā)出控制信號，控制三相橋式電壓源逆變電路Simulink仿真過程中，永磁同步電機的參數(shù)如下：定子電阻3Ω,定子電感0.168H,電機磁極數(shù)2圖5.8子磁鏈的運動軌跡圖定子磁鏈圓，如圖5-8所示，定子磁鏈的運動軌跡非常接近圓形，說明在永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，對定子磁鏈的控制效果比較令人滿意，定子磁鏈圓并沒圖5.9永磁同步電機轉(zhuǎn)速的波形圖如圖5-9所示，永磁同步電機轉(zhuǎn)速的波形在0-0.03s處于上升狀態(tài)，0.03s-0.05s開始發(fā)生振蕩，在0.05s后基本保持穩(wěn)定。可見永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)的速度比較快，而且控制精度比較高?！?圖5.10電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形圖如圖5-10所示，電磁轉(zhuǎn)矩的仿真波形在0-0.01s的區(qū)間不斷上升，在0.01s達到最大值。這表明同步永磁電機以最大轉(zhuǎn)矩啟動。在0.01s-0.03s前，電磁轉(zhuǎn)矩到達第一個穩(wěn)態(tài)值。0.03s-0.05s電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生振蕩。直至0.05s后才穩(wěn)定下來，到達第二個穩(wěn)態(tài)值。由此可見，轉(zhuǎn)矩到達穩(wěn)定需要0.05s,響應(yīng)比較迅速，但是在0.05s前出現(xiàn)另一穩(wěn)態(tài)值，此階段電機的轉(zhuǎn)速比較低。說明永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時的控制效果不能令人滿意。圖5.11定子電流仿真波形圖5-11為定子電流仿真波形，由圖得定子電流在0.05s后恢復(fù)正弦狀態(tài)。說明定子電本章主要介紹了本文所用到的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真平臺的Simulink的特點和優(yōu)勢。根據(jù)上一章提及到的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的系統(tǒng)構(gòu)造在Simulink中搭建出模型，并進行仿真。把得到的仿真結(jié)果進行分析，得出永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制這一控制策略的效果。結(jié)論永磁同步電機運行可靠，結(jié)構(gòu)簡單