【正文】 ，我們把轉(zhuǎn)子的磁鏈看作是一個常數(shù)，不予控制。 通過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實現(xiàn)逆變功能。負(fù)載上正半周電流 Io 的方向為自上而下，即由電源 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量。 本章小結(jié) 本章重點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。在這個環(huán)境下，對所要求求解的問題，用戶只需要簡單地列出數(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。 Simulink 是基于 Matlab 的框圖設(shè)計環(huán)境，可以用來對各種動態(tài)系 統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對任何能用數(shù)學(xué)來描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、船舶及汽車等，其中包括了連續(xù)、離散，條件執(zhí)行，事件驅(qū)動，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)計自己的功能模塊， Simulink 功能強(qiáng)大，界面友好是一種很不錯的仿真工具。 Simulink 仿真具有以下的特點： （ 1）交互建模 Simulink 提供了大量的功能塊，方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型，建模時只需要使用鼠標(biāo)拖放庫中的功能塊，并將它們連接起來；用戶可以通過將塊組成子系統(tǒng)建立多級模型；對塊和連接的數(shù)目沒有限制。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。除此之外， Simulink 還支持 Stateflow，用來仿真事件驅(qū)動過程。 Matlab 包括被稱作工具箱（ Toolbox）的各類應(yīng)用問題的求解工具。 ? ?dqqde iψiψPT 23?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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 的含義是矩陣實驗室（ MatrixLaboratory）。所以，就通過間接測 量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。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。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。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。依據(jù) IGBT 工作原理，在三相交流輸入電源作用下，若 IGBT 承受最大正向陽極電壓，而控制極又獲得觸發(fā)脈沖時便轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。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。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)動導(dǎo)通。之后再一次檢測電機(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。這就能實時快捷地控制電磁轉(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（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永磁同步電機(jī)以及它們的應(yīng)用場合。設(shè)三相系統(tǒng)每項繞組的有效匝數(shù)為 N3，二相系統(tǒng)每項繞組有效匝數(shù)為N2，各項磁動勢均為有效匝數(shù)及其瞬時電流值的乘積，其空間矢 量均位于有關(guān)項的坐標(biāo)軸上?；蛘哒f，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)磁動勢。 再考慮圖 33c)中的兩個匝數(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)生合成磁動勢 F。 交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組 A,B,C 通以三相平衡的正弦電流 Ai 、 Bi 、Ci 時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢 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可以通過對 ,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。對于穩(wěn)態(tài)來說，這么一等效之后，,qdii正好就是一個常數(shù)了。該變換稱為 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 90176。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 α軸與 a 軸重合。在分析和求解時比較困難，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)。 二、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分別關(guān)于橫軸和縱軸對稱。這就給這個方程組的求解帶來了很大的不便。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，能應(yīng)用到大容量的場合。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，費時費力。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。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。兩個帶爪的法蘭盤爪數(shù)相等，并且均等于極對數(shù)。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。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，需要對永磁體外表面和軟鐵極 靴的內(nèi)表面進(jìn)行精磨。無極靴星形轉(zhuǎn)子沒有其他的加固措施，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。永磁材料沒有得到充分的利用。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。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：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。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。 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。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。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電機(jī)的各個變量進(jìn)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。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(jī)運行狀態(tài)改變時對控制策略的影響。 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。 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。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解決非線性問題而提出的。 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。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。 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。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，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。 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。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。它的優(yōu)點是操作簡單，得到的波形很接近原來的正弦波。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。 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。 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)約了大量的計算時間。