【正文】 ...............................................19 第 4章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn) 矩控制 ..............................................................20 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理 .......................................................20 三相逆變器 ...........................................................................................21 定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測定 ...............................................................22 本章小結(jié) ...............................................................................................23 第 5章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 ........................................................24 仿真軟件 ...............................................................................................24 仿真模型 ...............................................................................................26 仿真結(jié)果分析 .......................................................................................30 結(jié)論 ......................................................................................................................33 參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................34 致謝 ......................................................................................................................36 IV 附錄 1 ................................................................................................................... 37 附錄 2 ................................................................................................................... 42 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 課題背景 自 1834 年德國的雅克比發(fā)明了第一臺電機(jī)后，電機(jī)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(jī)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(jī)，即將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備。為了做到機(jī)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(jī)控制策略。因此，電機(jī)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(jī)的勵磁電流和輸入電壓，使電機(jī)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(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(jī)控制方式。但是直流電機(jī)也存在一些缺點：如生產(chǎn)成本高，維護(hù)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(jī)燃燒甚至爆炸。 所以，人們就開始想方法用交流電機(jī)去取代直流電機(jī)。比起直流電機(jī)，交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用，造價低廉，運行安全，維護(hù)便捷，對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點。電機(jī)調(diào)速系 統(tǒng)的關(guān)鍵問題在于維持氣隙磁場，控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。但是因為交流電機(jī)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(jìn)了交流電機(jī)的研發(fā)，也大大優(yōu)化了交流電機(jī)的控制策略，很好地解決了交流電機(jī)調(diào)速難的問題。這就令交流電機(jī)得到廣泛的引用，占據(jù)了主導(dǎo)地位。 交流電機(jī)主要有兩大類：即異步電機(jī)和同步電機(jī)。異步電機(jī)又稱感應(yīng)電機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)中，應(yīng)用的最多的就是永磁同步電機(jī)。原因主要有三方面： 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，所以不需要外加勵磁系統(tǒng)，為運行帶來燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 了方便。而且轉(zhuǎn)矩阻尼效應(yīng)大，運行時功率因素比異步電機(jī)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(jìn)的永磁材料煉制技術(shù)。這為大量生產(chǎn)永磁同步電機(jī)打下了物質(zhì)基礎(chǔ)。 針對永磁同步電機(jī)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(jī)的運行。這就省去了繁瑣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，節(jié)約了大量的計算時間。 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(jī)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。各國學(xué)者不僅對傳統(tǒng)的 PWM 進(jìn)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(jìn)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(Sinusoidal PWM)，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)這些脈沖第 1 章 緒論 3 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： 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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)步，人們對傳統(tǒng)的 PWM 控制方法進(jìn)行改進(jìn)，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)生的三相對稱的理想磁場圓為參考標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)?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(zhǔn)確的磁場圓。 研究的主要內(nèi)容 本文主要對永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制這一課題進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)上的引用，列出了雙滯環(huán)的永磁同步電機(jī)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(jìn)行了說明。第五章介紹了永磁同步電機(jī)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(jìn)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(jìn)行歸納，最后的得出本文的結(jié)論。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2章 直接轉(zhuǎn)矩控制概述 交流伺服電機(jī)控制策略分類 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(jī)應(yīng)用日漸廣泛，所以對交流伺服電機(jī)控制策略的研究的重要性也不斷提高。交流伺服電機(jī)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)量控制方法。它具有操作簡易，投入成本低， 實現(xiàn)簡單的優(yōu)點。但同時也存在動態(tài)性能差，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(jī)、泵機(jī)這一類對控制精度要求不高的電機(jī)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(jī)的參數(shù)進(jìn)行解耦，分別對電機(jī)的磁鏈和電流進(jìn)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，將定子電流分解成兩個分量，一個是與轉(zhuǎn)子同向的分量，即直軸分量；一個是與轉(zhuǎn)子正交的分量，即交軸分量。這樣就消除了轉(zhuǎn)子和定子之間的互感的影響， 成功解耦。然后分別獨立對兩個分量進(jìn)行控制，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。究其實質(zhì)，就是將復(fù)雜的交流電機(jī)控制，通過坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變成直流電機(jī)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（ direct torque control，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)矩作為被控量，直接對電機(jī)進(jìn)行控制。 維持氣隙磁場幅值不變，諸如電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等其他物理量僅為轉(zhuǎn)差的函數(shù)，此時只需通第 1 章 緒論 5 過調(diào)節(jié)氣隙磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，改變其對轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)差頻率就可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。 反饋線性控制，反饋線性控制主要分為兩類，第一類是微分幾何反饋線性控制；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(jī)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(qiáng)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(jī)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(jī)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。 三經(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、不依賴對象的數(shù)學(xué)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(qiáng)，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(jìn)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