【正文】 .......................................................2 研究的主要內(nèi)容 .....................................................................................3 第 2章 直接轉(zhuǎn)矩控制概述 ................................................................................4 交流伺服電機(jī)控制策略分類 .................................................................4 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 .................................................................................6 直接轉(zhuǎn)矩控制 的發(fā)展方向 .....................................................................6 章節(jié)小結(jié) .................................................................................................8 第 3章 永磁同步電機(jī)概述 ..................................................................................9 永磁同步電機(jī)的分類 .............................................................................9 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) .............................................................................9 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 ................................................................... 11 坐標(biāo)變換原理 .......................................................................................15 本章小結(jié) ...............................................................................................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(cè)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(guó)的雅克比發(fā)明了第一臺(tái)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(lái)越大的作用。但是直流電機(jī)也存在一些缺點(diǎn)：如生產(chǎn)成本高，維護(hù)費(fèi)用大，設(shè)備體積大，由于存在換向器和電刷，在運(yùn)行過(guò)程中容易產(chǎn)生火花，導(dǎo)致電機(jī)燃燒甚至爆炸。 交流電機(jī)主要有兩大類：即異步電機(jī)和同步電機(jī)。而且轉(zhuǎn)矩阻尼效應(yīng)大，運(yùn)行時(shí)功率因素比異步電機(jī)要高。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。 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。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。 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。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。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。這兩種方法都是針對(duì)解決非線性問(wèn)題而提出的。 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。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神人一樣，擁有學(xué)習(xí)和記憶能力。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。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)。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。其典型代表就是直接轉(zhuǎn)矩控制。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。 圓柱形轉(zhuǎn)子，出現(xiàn)得最早。因此只用于極數(shù)較少的永磁同步電機(jī)。永磁材料沒(méi)有得到充分的利用。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。由于軟鐵極靴的存在，出現(xiàn)了較大的漏磁。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)。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。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。 二、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分別關(guān)于橫軸和縱軸對(duì)稱。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。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。 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。該變換稱為 Park 變換。 ,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。 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。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。 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。這就能實(shí)時(shí)快捷地控制電磁轉(zhuǎn)矩。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) 。因此在負(fù)載上得到正弦波電壓的負(fù)半周。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)。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。所以，就通過(guò)間接測(cè) 量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。 Matlab 包括被稱作工具箱（ Toolbox）的各類應(yīng)用問(wèn)題的求解工具。直觀的圖形交互式操作，使用戶的操作簡(jiǎn)單快捷，易于初步掌握軟件的使用。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。在這個(gè)環(huán)境下，對(duì)所要求求解的問(wèn)題，用戶只需要簡(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)。 (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。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。三相橋式逆變器電路中， VT1～ VT6 為 IGBT。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。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。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，我們把轉(zhuǎn)子的磁鏈看作是一個(gè)常數(shù)，不予控制。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。 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。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。也稱為 3/2 變換。 此刻，已獲得基于 α、 β 2 軸正交坐標(biāo)系的定子電流矢量。經(jīng)