【正文】 及其在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。由于直接在定子兩相靜止坐標(biāo)系統(tǒng)下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，將定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩作為被控制量，根據(jù)給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩以及給定定子磁鏈與實(shí)際定子磁鏈的偏差來直接選擇電壓矢量 ,從而避免了矢量控制中許多復(fù)雜的矢量變換計(jì)算。 利用仿真軟件進(jìn)行局部電路的仿真。 3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 2． 說明書及插圖一律打印，要求條理清晰、文筆流暢、圖形及文字符號(hào)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。 3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，嚴(yán)格按照進(jìn)度計(jì)劃完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。 參 考 資 料 1． PMSM 相關(guān)書籍。給出全部工程圖紙和元器件表。它的優(yōu)點(diǎn)包括控制原理直觀明了，操作簡(jiǎn)單快捷，具有良好的轉(zhuǎn)矩響 應(yīng)性。然后借助 MATLAB 中的 Simulink功能，搭建永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的模型，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析歸納，最后得出結(jié)論。本文中利用 MATLAB 軟件下的 Simulink 仿真工具對(duì) PMSM DTC 系統(tǒng)進(jìn)行仿真；同時(shí)還詳細(xì)地介紹了DTC 系統(tǒng)中各控制計(jì)算單元的模型的建立，并分析控制系統(tǒng)的性能。電機(jī)，即將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)化的設(shè)備?；谶@一優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)態(tài)性能好，控制精度高的場(chǎng)合上。比起直流電機(jī)，交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，造價(jià)低廉，運(yùn)行安全，維護(hù)便捷，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。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。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，運(yùn)行比較安全可靠，容易安裝傳感器和反饋裝置，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 比較小。在同步電機(jī)中，應(yīng)用的最多的就是永磁同步電機(jī)。而且掌握了先進(jìn)的永磁材料煉制技術(shù)。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。主要包括門極可關(guān)斷晶閘管 GTO、電力場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 和電力雙極性晶體管 BJT 這些全控型器件。它很好地融合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，載流量大，開關(guān)頻率高等。 PWM（ Pulse Width Modulation）即脈沖寬度調(diào)制，主要通過對(duì)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。它主要是通過把正弦波和載波信號(hào)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。 規(guī)則采樣法是先用一系列的三角波對(duì)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(diǎn)，從而得到了脈沖，去控制電路的開通或關(guān)斷。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)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)。第三章對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)，分類，及它在各個(gè)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行介紹。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)交流伺服電機(jī)控制策略的研究的重要性也不斷提高。但同時(shí)也存在動(dòng)態(tài)性能差，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)低，參數(shù)設(shè)計(jì)難，沒有解決非線性、多變量的問題等缺點(diǎn)。這樣就消除了轉(zhuǎn)子和定子之間的互感的影響， 成功解耦。這樣就是的成本增加，而且加大了操作難度。 維持氣隙磁場(chǎng)幅值不變，諸如電壓、電流和轉(zhuǎn)矩等其他物理量?jī)H為轉(zhuǎn)差的函數(shù)，此時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)轉(zhuǎn)差頻率就可以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。 自適應(yīng)控制，自適應(yīng)控制能根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行情況不斷提取實(shí)時(shí)參數(shù)，然后根據(jù)新的參數(shù)合理地修改控制策略。另一方面，由于電機(jī)模型的復(fù)雜性，導(dǎo)致運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，降低了控制的效率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像、不依賴對(duì)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(shí)際控制過程中的人手操作。但是，如果單靠模糊控制，特別是在控制精度要求高的場(chǎng)合，得到的效果不是很好。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(shí)會(huì)導(dǎo)致估算值出現(xiàn)很大的誤差或者系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。通過給定轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩以及給定的定子磁鏈和實(shí)際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶窟M(jìn)行控制。 二、直接轉(zhuǎn)控制只需要對(duì)定子電阻進(jìn)行觀測(cè)就能得到定子磁鏈，從而估算到磁通。因此，它的控制效果是由實(shí)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)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩或者定子磁鏈從一個(gè)很小的值變化到另一個(gè)很小的值，即電機(jī)運(yùn)行在低速狀態(tài)，如在啟動(dòng)階段時(shí)，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(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實(shí)際定子磁鏈的誤差達(dá)到滯環(huán)比較器的閥值，電壓逆變器才開第 1 章 緒論 7 始改變狀態(tài)，終止電壓矢量的作用。 一、對(duì)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制的空間電壓矢量開關(guān)表進(jìn)行改進(jìn)。此外，有專家提出了把空間電壓矢量細(xì)分的 方法。細(xì)分電壓矢量法雖然能有效抑制轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，但其效果與細(xì)分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加運(yùn)算量。給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)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。但它不能處理已有的有規(guī)則的知識(shí)，所以在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，不能運(yùn)用已有的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，只能重新給他一個(gè)初始值，這樣就使訓(xùn)練時(shí)間大大增加，效率很低。一方面利用了模糊控制去提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，縮短了訓(xùn)練時(shí)間；另一方面利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力去調(diào)整模糊化的精度函數(shù)，加強(qiáng)模糊推理的能力，提高模糊判斷的能力，實(shí)現(xiàn)并行推理。而不依賴對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的控制策略現(xiàn)今還沒成熟。但是仍然存在著低速時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢的問題。表面式的永磁同步電機(jī)屬于隱極電機(jī)，永磁體位于轉(zhuǎn)子表面，體積較小， 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性也比較小，因此轉(zhuǎn)矩的線性特性相對(duì)較好。 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。它的大小與供電的頻率，電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)。圓柱形轉(zhuǎn)子一般不超過 8 極，多為 2 極或 4 極。轉(zhuǎn)子表面光滑，風(fēng)摩系數(shù)和噪音小。無極靴燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 星形轉(zhuǎn)子的磁鐵平均長(zhǎng)度比圓柱形轉(zhuǎn)子長(zhǎng)，體積小，橫軸的電樞反應(yīng)作用減少。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(diǎn)：永磁鐵為多極星形，形狀復(fù)雜，磁性能差。磁鐵性能降低，利用率也隨之降低。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。 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。去掉負(fù)載后，不產(chǎn)生不可逆去磁和不對(duì)稱去磁。當(dāng)磁鐵是矩形結(jié)構(gòu)時(shí)，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。第 3章 永磁同步電機(jī)概述 11 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，永磁鐵比較小。這樣，就讓一個(gè)帶爪法蘭盤的爪子呈 N 極性，而另一個(gè)則呈 S 級(jí)性，從而起到了極靴的作用。爪極間的漏磁很大，有效消除了縱軸電樞反應(yīng)對(duì)磁鐵的去磁作用，讓磁鐵能承受較大的過載。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(jī) 。帶爪的法蘭盤體積比較大，在相同容量下，電機(jī)的體積尺寸和重量增加幅度比較大，可達(dá) 25%左右。磁路相互之間的耦合也大大增加了分析永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的難度。 首先介紹一下理想的永磁同步電機(jī)： 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。電角度。 六、假設(shè)電機(jī)的定子以及轉(zhuǎn)子的表面是光滑的，忽略通風(fēng)溝和槽對(duì)定子和轉(zhuǎn) 子電感的影響。 第 3章 永磁同步電機(jī)概述 13 永磁同步電機(jī)在 abc 坐標(biāo)下的磁鏈方程的矩陣形式如下： acbc o sc o s( 1 2 0 )c o s( 1 2 0 )a a a b a c ab b a b b b c b rc c a c c cL M M iM L M iM M L i??? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ? (34) aaL 、 bbL 、 ccL 分變?yōu)槿喔髯缘淖愿邢禂?shù)， abM 和 baM 為 a、 b 相之間的互感系數(shù)， acM 和 caM 為 a、 c 相之間的互感系數(shù)， bcM 和 cbM 為 b、 c 相之間的互感系數(shù)， r? 為轉(zhuǎn)子磁鏈， ? 轉(zhuǎn)子位置較角。 圖 31 αβ坐標(biāo)系中永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在磁場(chǎng)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(duì)稱繞組，這就是 Clark 變換。 電壓方程的矩陣形式： 0 s in0 c o sss rssu R p L iu R p L i??????? ???? ? ? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ? ? ? ? (35) u? 、 u? 為 αβ 坐標(biāo)系中定子的電壓， i? 、 i? 為的定子電流， ? 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。經(jīng)過 park 變換后，永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程組是一個(gè)常系數(shù)的方程組，分析計(jì)算比較簡(jiǎn)便。對(duì)稱分量法是用于線性系統(tǒng)的坐標(biāo)變換法。 此刻，已獲得基于 α、 β 2 軸正交坐標(biāo)系的定子電流矢量。 關(guān)于 park 變換 從數(shù)學(xué)意義上講， park 變換沒有什么，只是一個(gè)坐標(biāo)變換而已，從 a b c坐標(biāo)變換到 d q 0 坐標(biāo)， , , , , ,ccu u u i i i? ? ? ? 磁鏈 a,磁鏈 b,磁鏈 c 這些量都變換到d q 0 坐標(biāo)中，如果有需要可以逆變換回來。也稱為 3/2 變換。坐標(biāo)變換的基本思想就是將交流電機(jī)的物理模型等效的變換成類似直流電機(jī)的模式，然后再模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制。圖 33b)中繪出了兩相靜止繞組 ? 、 ? ，它們?cè)诳臻g上相差 090 ，通以時(shí)間上相差 090 的兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F。把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 33a)和 33b)中的磁動(dòng)勢(shì)一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前兩套固定的交流繞組等效了。 幾種常用的坐標(biāo)變換 第 3章 永磁同步電機(jī)概述 17 靜止三相 /兩項(xiàng)變換（ Clark 變換） 三相 /兩相變換是從三相靜止坐標(biāo) A、 B、 C 到二相靜止坐標(biāo) ? 、 ? 的變換，對(duì)應(yīng)了兩圖中的等效變換，設(shè)該變換滿足功率不變約束條件。 根據(jù)功率不變的約束條件： 12/32/3 ??CCT (315) 可求得： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 3/223?NN , 2/1?K (316) 那么，三相到二相不變變換矩陣則為： 060060 A?B?2Ni ?3 ANi3 BNi3Ni ?3 CNi)a1?DQ ??c osqi ?sinqi ?sindi ?c osdi ???qii? i? di()iF)b圖 34 坐標(biāo)變換中空間矢量位置圖 a)靜止三相和靜止兩項(xiàng)坐標(biāo)系 b)靜止兩相和旋轉(zhuǎn)三相坐標(biāo) 相應(yīng)的反變換矩陣，靜止 二相坐標(biāo)系到靜止三相坐標(biāo)系的變換矩陣為： ??????????????2/12/12/12/32/302/12/113/22/3C (317) 相應(yīng)的反變換矩陣，即從靜止二相坐標(biāo)系到靜止三相坐標(biāo)系的變換矩陣為： ??????????????2/12/32/12/12/32/12/1013/22/3C (318) 如果要從三相靜止坐標(biāo)系 A、 B、 C 變換到任意速 度旋轉(zhuǎn)的二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d、 q、 0，其中 ―0‖是為了求逆方便而假設(shè)的零軸，可以利用前面已經(jīng)導(dǎo)出的變換矩陣，現(xiàn)將 A、 B、 C 坐標(biāo)系變換成靜止的 ? 、 ? 、 0 坐標(biāo)系，然后再將 ? 、 ? 、 0 坐標(biāo)系變換到 d、 q、 0 坐標(biāo)系。展示了永磁同步電機(jī)在 abc 坐標(biāo)系， αβ坐標(biāo)系， dq 坐標(biāo)系和 MT 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，主要包括電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的方程。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。因?yàn)殡姍C(jī)的定子電氣時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，所以在實(shí)際應(yīng)用中