【正文】 ，我們把轉(zhuǎn)子的磁鏈看作是一個(gè)常數(shù)，不予控制。 通過(guò)原理圖我們可以清楚看到永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的具體情況。定子磁鏈經(jīng) 2/3 坐標(biāo)變換輸入繼電器其結(jié)果與 0 輸入共同輸入多端選擇器，轉(zhuǎn)矩經(jīng)滯環(huán)比較后作為多端選擇器的控制端，控制輸入到三相逆變器打的是零矢量，還是非零矢量。 三相逆變器 在三相永磁同步電機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)逆變功能。負(fù)載上正半周電流 Io 的方向?yàn)樽陨隙?，即由電?E1 的正極經(jīng)負(fù)載回到負(fù)極。 a、 b、 c各相導(dǎo)通的電角度相差 120176。三相橋式逆變器電路中， VT1～ VT6 為 IGBT。 圖 42 三相交流逆變器 定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的測(cè)定 定子磁鏈的值在永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，作用舉足輕重。把在 αβ坐標(biāo)系下的兩個(gè)電流分量輸入到 αβ坐標(biāo)系與 dq 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)中，再由在 dq 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。 ()s s s sU i R dt? ? ?? ??? (41) 第 4章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 23 ()s s s sU i R dt? ? ?? ??? (42) 根據(jù)式 (41)和 (42)可以建造模型。 (43) 電磁轉(zhuǎn)矩的測(cè)定，電磁轉(zhuǎn)矩是永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中必要的檢測(cè)量。 本章小結(jié) 本章重點(diǎn)介紹了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理和系統(tǒng)構(gòu)造。在這個(gè)環(huán)境下，對(duì)所要求求解的問(wèn)題，用戶(hù)只需要簡(jiǎn)單地列出數(shù)學(xué)表達(dá)式，其結(jié)果便以數(shù)值或圖形方式顯示出來(lái)。 Simulink 是基于 Matlab 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系 統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車(chē)等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動(dòng)，單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。也可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)自己的功能模塊， Simulink 功能強(qiáng)大，界面友好是一種很不錯(cuò)的仿真工具。 Simulink 仿真具有以下的特點(diǎn)： （ 1）交互建模 Simulink 提供了大量的功能塊，方便用戶(hù)快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，建模時(shí)只需要使用鼠標(biāo)拖放庫(kù)中的功能塊，并將它們連接起來(lái)；用戶(hù)可以通過(guò)將塊組成子系統(tǒng)建立多級(jí)模型；對(duì)塊和連接的數(shù)目沒(méi)有限制。直觀的圖形交互式操作，使用戶(hù)的操作簡(jiǎn)單快捷，易于初步掌握軟件的使用。除此之外， Simulink 還支持 Stateflow，用來(lái)仿真事件驅(qū)動(dòng)過(guò)程。 Matlab 包括被稱(chēng)作工具箱（ Toolbox）的各類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題的求解工具。 ? ?dqqde iψiψPT 23?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 第 5章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 仿真軟件 本文主要是利用 Matlab 軟件進(jìn)行仿真， Matlab 的含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室（ MatrixLaboratory）。所以，就通過(guò)間接測(cè) 量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。與電力模型測(cè)定法相比，省去了兩次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使計(jì)算變得簡(jiǎn)單，大大提高了運(yùn)算速度。這種定子磁鏈的測(cè)定方法運(yùn)用到一次 Park 變換和一次 Park 的逆變換，計(jì)算量比較大，操作起來(lái)比較麻煩，所以這種方法的應(yīng)用并不廣泛。定子磁鏈的測(cè)定主要有兩種方法，分別是電流模型測(cè)定法和電壓模型測(cè)定法。依據(jù) IGBT 工作原理，在三相交流輸入電源作用下，若 IGBT 承受最大正向陽(yáng)極電壓，而控制極又獲得觸發(fā)脈沖時(shí)便轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。在任意一個(gè)時(shí)間里都有 3 支橋臂導(dǎo)通，上下兩橋臂交替換流。因此在負(fù)載上得到正弦波電壓的負(fù)半周。正半周內(nèi)， VT2 關(guān)斷， VT1 以 PWM 方式驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。之后再一次檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電流和電壓，重復(fù)上述步驟，不斷循環(huán) 。 系統(tǒng)把三相永磁同步電機(jī)實(shí)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。這就能實(shí)時(shí)快捷地控制電磁轉(zhuǎn)矩。它們之間的夾角也恒定不變。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 第 4章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制原理 在 MT 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(lì)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。那么經(jīng)過(guò)兩步變換可得從三相靜止坐標(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 的變換矩陣為： 第 3章 永磁同步電機(jī)概述 19 ??????????????????????2/12/12/1120s i n120s i ns i n120c o s120c o sc o s3/23/2 ）（）（）（）（??????SRC (319) 對(duì)應(yīng)的反變換矩陣為： ??????????????????????2/1120s i n120c os2/1120s i n120c os2/1s i nc os3/23/2）（）（）（）（??????SRC (320) 本章小結(jié) 本章介紹了表面式，內(nèi)埋式和嵌入式這幾類(lèi)永磁同步電機(jī)以及它們的應(yīng)用場(chǎng)合。設(shè)三相系統(tǒng)每項(xiàng)繞組的有效匝數(shù)為 N3，二相系統(tǒng)每項(xiàng)繞組有效匝數(shù)為N2，各項(xiàng)磁動(dòng)勢(shì)均為有效匝數(shù)及其瞬時(shí)電流值的乘積，其空間矢 量均位于有關(guān)項(xiàng)的坐標(biāo)軸上?；蛘哒f(shuō)，在三相坐標(biāo)下的 Ai 、 Bi 、 Ci ，在兩相坐標(biāo)下的 i? 、 i? 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)下的直流電流 di 、qi 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 再考慮圖 33c)中的兩個(gè)匝數(shù)相等并且相互垂直的繞組 D 和 Q，其中分別通以直流電流 di 和 qi ，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì) F。 交流電機(jī)三相對(duì)稱(chēng)的靜止繞組 A,B,C 通以三相平衡的正弦電流 Ai 、 Bi 、Ci 時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F，它在空間呈正弦分布，并以同步速度 1? 按 ABC 相序旋轉(zhuǎn)，如圖 21a)所示。 ,qdii可以通過(guò)對(duì) ,A B Ci i i 的 Clarke 變換 (3/2 變換 )和 Park變換 (交 /直變換 )求得，因此 ,qdii是直流量。對(duì)于穩(wěn)態(tài)來(lái)說(shuō)，這么一等效之后，,qdii正好就是一個(gè)常數(shù)了。該變換稱(chēng)為 Park 變換。 首先是將基于 3 軸、 2 維的定子靜止坐標(biāo)系的各物 理量變換到 2 軸的定子靜止坐標(biāo)系中。 磁鏈方程的矩陣形式： ?????????????????????????? 00 0 fqdqdqd ψiiLL?? (38) dL 、 qL 為 dq 坐標(biāo)系中的定子電感， f? 為轉(zhuǎn)子磁鏈。 圖 32 dq 坐標(biāo)系中永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在磁場(chǎng)等效的原則下，以轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為參考系，以與轉(zhuǎn)子重合的方向?yàn)?d 軸的方向，以與轉(zhuǎn)子正交的方向?yàn)?q 軸，且 q 軸超前 d 軸 90176。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，我們規(guī)定兩相繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)和三相繞組的合成磁動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)向相同，且 α軸與 a 軸重合。在分析和求解時(shí)比較困難，不利于應(yīng)用。定子三相坐標(biāo)（ abc）中永磁同步電機(jī)模型忽略了內(nèi)部電容后，三相永磁同步電機(jī)在 abc 坐標(biāo)下的電壓和磁鏈方程可以寫(xiě)成如下形式： dtd ssss ??? RIU (31) rsss ?? ?? LI (32) 上式中的 sU 為定子電壓， sI 為定子電流， sR 為定子電阻， s? 為定子磁鏈， sL 為定子電感， r? 為轉(zhuǎn)子磁鏈。 四、氣隙均勻，也就是說(shuō)磁路與轉(zhuǎn)子無(wú)關(guān)，定子、轉(zhuǎn)子中的自感和互感與轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置無(wú)關(guān)。 二、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分別關(guān)于橫軸和縱軸對(duì)稱(chēng)。這就給這個(gè)方程組的求解帶來(lái)了很大的不便。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(diǎn)，能應(yīng)用到大容量的場(chǎng)合。大部分不能采用鋼板沖片，只能采用粉末冶金或機(jī)械加工的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。短路時(shí)，電流對(duì)永磁鐵的作用約等于穩(wěn)態(tài)時(shí)電流的作用。還可以采用鐵氧體和稀土鈷合金，從而縮短軸向長(zhǎng)度，優(yōu)化磁化特性。兩個(gè)帶爪的法蘭盤(pán)爪數(shù)相等，并且均等于極對(duì)數(shù)。但是有極靴星形轉(zhuǎn)子也存在若干缺點(diǎn)：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。由于軟鐵極靴的存在，出現(xiàn)了較大的漏磁。為了增加永磁體和軟鐵極靴的吻合程度，需要對(duì)永磁體外表面和軟鐵極 靴的內(nèi)表面進(jìn)行精磨。無(wú)極靴星形轉(zhuǎn)子沒(méi)有其他的加固措施，因此機(jī)械強(qiáng)度較差，轉(zhuǎn)速和容量度受到比較大的限制。電機(jī)瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(shí)，去磁作用也很大。永磁材料沒(méi)有得到充分的利用。因此，需要在極間澆鑄非磁性材料合金作為非磁性套筒來(lái)保護(hù)永磁鐵。因此只用于極數(shù)較少的永磁同步電機(jī)。還有少部分用馬氏體鋼。 圓柱形轉(zhuǎn)子，出現(xiàn)得最早。如果給星形 繞組通三相對(duì)稱(chēng)的正弦波電流，定子繞組就會(huì)在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。其中嵌入式永磁同步電機(jī)的凸極特性比內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)要小，因此轉(zhuǎn)矩的線性也比較好。這就指明了直接轉(zhuǎn)矩控制今后的發(fā)展方向。其典型代表就是直接轉(zhuǎn)矩控制。 章節(jié)小結(jié) 本章主要介紹了電機(jī)控制的策略，大致可分為三類(lèi)：基于穩(wěn)態(tài)的控制策略，基于動(dòng)態(tài)的控制策略和不依賴(lài)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的控制策略。但這種方法要經(jīng)過(guò)模糊推理和模糊判斷，大幅增加了計(jì)算的復(fù)雜程度，所以目前還得不到廣泛的應(yīng)用。 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。以定子的磁鏈為參考系，把檢測(cè)到的定子電壓和定子電流進(jìn)行 3/2 變換。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(shí)使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)變慢了。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)。 為了解決傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，動(dòng)態(tài)性能不足這個(gè)缺點(diǎn)，目前專(zhuān)家提出了幾種解決方法。它要將給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實(shí)際定子磁鏈的誤差輸入到滯環(huán)比較器中。因此直接轉(zhuǎn)矩控制擁有較強(qiáng)抗干擾能力。只需要在此參考系中對(duì)電機(jī)的各個(gè)變量進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換，既沒(méi)有像矢量控制一樣，需要一系列繁瑣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，也沒(méi)有了旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)各 個(gè)變量的影響，大大簡(jiǎn)化了運(yùn)算量和信號(hào)的處理難度。它并沒(méi)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)對(duì)控制策略的影響。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神人一樣，擁有學(xué)習(xí)和記憶能力。早期的模糊控制沒(méi)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(shí)在帶負(fù)載時(shí)出現(xiàn)了較大的靜態(tài)誤差。 三經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是 20 世紀(jì) 80 年代末發(fā)展起來(lái)的高新控制策略，它是智能控制的一個(gè)分支。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)。這兩種方法都是針對(duì)解決非線性問(wèn)題而提出的。 直接轉(zhuǎn)矩控制（ direct torque control，簡(jiǎn)稱(chēng) DTC），１９８５年，德國(guó)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。究其實(shí)質(zhì)，就是將復(fù)雜的交流電機(jī)控制，通過(guò)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，變成直流電機(jī)的控制。 二、基于動(dòng)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(duì)電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行解耦，分別對(duì)電機(jī)的磁鏈和電流進(jìn)行獨(dú)立的控制。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。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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 研究的主要內(nèi)容 本文主要對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制這一課題進(jìn)行研究。若在正弦波的頂點(diǎn)或最低點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行采樣，在每一個(gè)采樣周期中，得到的脈沖的中心都是距離相等的，這就是對(duì)稱(chēng)的規(guī)則采樣法。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，得到的波形很接近原來(lái)的正弦波。傳統(tǒng)的PWM 控制技術(shù)主要是靠載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)相比較，確認(rèn)交點(diǎn)，從而起到調(diào)節(jié)的作用。 在電力電子器件發(fā)展的同時(shí) , 與之相應(yīng)的 PWM 控制技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。 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。這就省去了繁瑣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，節(jié)約了大量的計(jì)算時(shí)間。