永磁同步电机直接转矩控制

1摘要直接转矩控制是近年来应用比较广泛的一种控制策略。它的优点包括控制原理直观明了，操作简单快捷，具有良好的转矩响应性。而另一方面，永磁同步电机因为其运行的可靠性高，结构简单，所以在交流伺服电机中所处的地位越来越高。基于这一发展趋势，本文重点研究了把直接转矩控制应用在永磁同步电机上的控制效果。为了更好地分析永磁同步电机直接转矩控制，本文介绍了直接转矩控制的原理和它的优缺点，还有永磁同步电机的分类、结构及其在不同坐标系下的数学模型。然后借助MATLAB中的Simulink功能，搭建永磁同步电机直接转矩控制系统的模型，对仿真结果进行分析归纳，最后得出结论。结论表明，永磁同步电机直接转矩控制具有较好的转矩响应，基本能实现对永磁同步电机的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，得不到快速的转矩响应。这就确定了改善永磁同步电机直接转矩控制在低速时候的转矩响应将成为今后的发展趋势。关键词:直接转矩控制；永磁同步电机；仿真2AbstractDirecttorquecontrol(DTC)isusedwidelyrecently.Itisintuitiveandclear,simpleandswiftandhasfasttorquerespond.ontheotherhand,permanentmagnetsynchronousmachine(PMSM)becomemoreandmoreimportantforitshighreliabilityandsimplestructure.Inthispaper,wefocusedontheeffectoftheapplicationofDTCtoPMSM.InordertoanalyzePMSMDTCbetter,thispaperprecentedboththeadvantageandthedisavantageofDTC.What’smore,italsoshownPMSM’sclassification,structure,mathematicalmodelsindifferentcoordinatesystem.ThenIbuiltmodelofPMSMDTCandsmulatedinthesimulinkenvironment.IntheendIdrewaconclusionbytheresultofsimulation.TheconclusionshownthatPMSMDTChasquicktorquerespondtoachieverapidandreliablecontrol.however,ithaspoorlow-speedperformance.Therefore,improvingPMSMDTClow-speedperformancewillbethetrendofimprovementinthefuture.Keyword:PMSM,DTC,Simulation3目录摘要ⅠABSTRACTⅡ第一章绪论1.1研究背景及研究意义41.2相关技术的发展情况51.3研究的主要内容6第二章直接转矩控制概述2.1电机控制策略分类62.2直接转矩控制原理72.3直接转矩控制的发展方向82.4本章小结9第三章永磁同步电机概述3.1永磁同步电机的分类93.2永磁同步电机的结构103.3永磁同步电机的数学模型123.4本章小结16第四章永磁同步电机直接转矩控制4.1永磁同步电机直接转矩控制原理164.2逆变器与开关表174.3定子磁链与电磁转矩的测定194.4本章小结20第五章永磁同步电机直接转矩控制仿真5.1仿真软件215.2仿真模型215.3仿真结果分析245.4本章小结26第六章结论26参考文献284第一章绪论1.1研究背景及研究意义自1834年德国的雅克比发明了第一台电机后，电机在人们日常的生产，生活中发挥着越来越大的作用。现今，电机已广泛应用在工农业生产，交通工具，军事设备上。电机，即将机械能和电能相互转化的设备。为了做到机械能和电能在相互转化的效率最高，并且尽最大可能节约成本，必须找到一个高效合适的电机控制策略。因此，电机的控制就成为了一个重要的课题。由于直流调速系统的控制比较方便，能通过控制电机的励磁电流和输入电压，使电机能在很广阔的范围内平滑地改变速度。基于这一优点，直流调速系统在上世纪70年代就广泛应用在需要响应范围广，动态性能好，控制精度高的场合上。直流调速也成为了当时主流的电机控制方式。但是直流电机也存在一些缺点：如生产成本高，维护费用大，设备体积大，由于存在换向器和电刷，在运行过程中容易产生火花，导致电机燃烧甚至爆炸。所以，人们就开始想方法用交流电机去取代直流电机。比起直流电机，交流电机具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，运行安全，维护便捷，对环境适应能力强等优点。电机调速系统的关键问题在于维持气隙磁场，控制电机的电磁转矩。但是因为交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，无法独立调节磁链和转矩。但是随着电力电子技术和微处理器技术的飞速发展。不仅促进了交流电机的研发，也大大优化了交流电机的控制策略，很好地解决了交流电机调速难的问题。这就令交流电机得到广泛的引用，占据了主导地位。交流电机主要有两大类：即异步电机和同步电机。异步电机又称感应电机，是由于它的转子运动速度与定子旋转磁场的运动速度不同步而得名的。异步电机结构简单，制造成本低，运行比较安全可靠，容易安装传感器和反馈装置，转矩脉动比较小。因此，在生产和生活中得到广泛的应用。但它同时也存在着调速特性较差，难以实现平滑的调速，功率因素较低等缺点。同步电机因转子旋转的速度与定子旋转磁场的速度相同而得名。在同步电机中，应用的最多的就是永磁同步电机。原因主要有三方面：永磁同步电机的转子为永磁体，所以不需要外加励磁系统，为运行带来了方便。而且转矩阻尼效应大，转矩响应性比较好，运行时功率因素比异步电机要高。我国是资源大国，拥有丰富的磁铁矿和稀土矿。而且掌握了先进的永磁材料炼制技术。这为大量生产永磁同步电机打下了物质基础。针对永磁同步电机的控制策略越来越成熟。近年来出现了一种新的控制策略——直接转矩控制。它放弃了传统矢量控制解耦后再分别控制被控量的思想。直接控制转矩从而去控制永磁同步电机的运行。这就省去了繁琐的坐标转换，节约了大量的计算时间。51.2相关领域的发展情况20世纪80年代开始，电力电子技术得到了飞速的发展，很好地解决了交流电机调速难的问题。主要包括门极可关断晶闸管GTO、电力场效应管MOSFET和电力双极性晶体管BJT这些全控型器件。它们的优点主要有以下两个方面：通过对门极发出一个信号，就能简单快捷地控制电路的通断；开关频率高，因此开关损耗小。到了80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管IGBT为代表的复合型器件得到了迅猛的发展。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由BJT和MOSFET复合而成的。它很好地融合了两者的优点，如耐压高，载流量大，开关频率高等。所以，它已经成为了当今比较主流的电力电子器件。在电力电子器件发展的同时,与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。PWM（PulseWidthModulation）即脉冲宽度调制，主要通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而得到理想的输出波形。它在逆变、整流、直流斩波、交-交控制中起到了重要的作用，使电路的控制精度大幅提高。传统的PWM控制技术主要是靠载波信号和调制信号相比较，确认交点，从而起到调节的作用。SPWM(SinusoidalPWM)，即正弦波的脉冲宽度调节，是如今应用最广，发展最成熟的脉冲宽度调节的方法。它主要是通过把正弦波和载波信号作比较，用一系列宽度按正弦规律变化的脉冲代替了正弦波，通过调节这些脉冲的宽度，间接调节正弦波的特性，从而起到控制电路的作用。实现SPWM基本控制方法主要有以下两种：自然采样法是直接把正弦波和载波信号（常为等腰三角波）作比较，用它们的自然交点时刻作为电路通断的时刻。它的优点是操作简单，得到的波形很接近原来的正弦波。但是因为交点的任意性，造成了脉冲的中心在每个周期内距离不相同，从而使得计算涉及到超越方程，增加了数学运算的难度，延长了运算的时间。规则采样法是先用一系列的三角波对正弦波进行采样，得到了与正弦波形状相似的阶梯波，再把阶梯波与三角波进行比较，确定它们的交点，从而得到了脉冲，去控制电路的开通或关断。规则采样法又分为对称的规则采样法和非对称的规则采样法。若在正弦波的顶点或最低点时刻进行采样，在每一个采样周期中，得到的脉冲的中心都是距离相等的，这就是对称的规则采样法。如果采样时刻不在正弦波的顶点或最低点，在每个采样周期中，脉冲的中心距离就不相等，这就是非对称的规则采样法。随着技术的不断进步，人们对传统的PWM控制方法进行改进，提出了SVPWM(SpaceVectorPulseWidthModulation)即空间矢量的脉冲宽度调节。SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时定子所产生的三相对称的理想磁场圆为参考标准，适当地转换三相逆变器各种开关模式，得到PWM的波形，从而形成实际的磁链向量去追踪准确的磁场圆。61.3研究的主要内容本文主要对永磁同步电机直接转矩控制这一课题进行研究。第二章主要介绍当今交流伺服系统的控制策略，直接转矩控制的原理和发展趋势。第三章对永磁同步电机的结构，分类，及它在各个坐标系下的数学模型进行介绍。第四章主要讲述了直接转矩控制在永磁同步电机上的引用，列出了双滞环的永磁同步电机直接转矩控制的系统，并对该系统的各个重要的构成部分进行了说明。第五章介绍了永磁同步电机直接转矩控制的仿真环境，仿真模型，并对仿真结果进行分析。第六章为结论章节，对前面五章的内容，特别是仿真结果进行归纳，最后的得出本文的结论。第二章直接转矩控制概述2.1交流伺服电机控制策略分类上文已经提及到由于科技的革新和技术的发展，交流伺服电机应用日渐广泛，所以对交流伺服电机控制策略的研究的重要性也不断提高。交流伺服电机的控制策略大概可以分为以下几类：一、基于稳态的控制策略其中较有代表性的就是恒压频比控制。它忽略了控制变量的相位，只关注其的幅值，而且其反馈量和输入量之间的比值为直流量，所以它的本质是一种标量控制方法。它具有操作简易，投入成本低，实现简单的优点。但同时也存在动态性能差，低速时转矩响应低，参数设计难，没有解决非线性、多变量的问题等缺点。因此，不能用在高精度要求的场合上，也就是说只能用于如风机、泵机这一类对控制精度要求不高的电机上。二、基于动态的控制策略矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是对电机的参数进行解耦，分别对电机的磁链和电流进行独立的控制。具体实现方式是把转子的旋转磁场作为参考系，将定子电流分解成两个分量，一个是与转子同向的分量，即直轴分量；一个是与转子正交的分量，即交轴分量。这样就消除了转子和定子之间的互感的影响，成功解耦。然后分别独立对两个分量进行控制，达到控制电机速度的目的。究其实质，就是将复杂的交流电机控制，通过坐标的转换，变成直流电机的控制。但是，因为要实现这种控制方法，就必须在系统中增设位置传感器，观测转子的实时位置。这样就是的成本增加，而且加大了操作难度。另一方面，由于坐标轴的转换，增加了大量的运算，降低了效率，带来了诸多不便。直接转矩控制（directtorquecontrol，简称DTC），１９８５年，德国鲁尔大学的Depenbrock教授和日本的Takahashi教授提出了直接转矩控制这一控制策略。这一控制策略并没有继承前人提出的矢量控制策略的解耦思想，而是另辟蹊径，把转矩作为被控量，直7接对电机进行控制。有关直接转矩控制的原理下文有详细的介绍，在这里暂且不说。反馈线性控制，反馈线性控制主要分为两类，第一类是微分几何反馈线性控制；第二类是动态逆控制，又称直接反馈线性控制。这两种方法都是针对解决非线性问题而提出的。微分几何反馈线性法因为要将问题转换到几何域里，比较抽象，在实际应用中不如物理概念清晰的动态逆控制法。自适应控制，自适应控制能根据电机的运行情况不断提