【文章內(nèi)容簡介】 果單靠模糊控制，特別是在控制精度要求高的場合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制 一般與其他的控制策略相配合使用。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，神人一樣，擁有學(xué)習(xí)和記憶能力。在電機(jī)的控制上，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是觀測估算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)速，并作出自適應(yīng)調(diào)整。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，有時會導(dǎo)致估算值出現(xiàn)很大的誤差或者系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 直接轉(zhuǎn)矩控制原理 直接轉(zhuǎn)矩控制是在矢量控制策略后又一應(yīng)用廣泛的控制策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機(jī)，而是通過直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來控制其轉(zhuǎn)速。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。確定了參考系后，只需測定定子的電壓和電流，就能通過空間矢量理論去計算電磁轉(zhuǎn)矩以及定子磁鏈。通過給定轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩以及給定的定子磁鏈和實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。 直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)點主要有以下幾方面： 一、直接轉(zhuǎn)矩控制直接以定子磁鏈為參考系。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。而且另觀測者更直觀地了解到電機(jī)的運行狀態(tài)。 二、直接轉(zhuǎn)控制只需要對定子電阻進(jìn)行觀測就能得到定子磁鏈，從而估算到磁通。和矢量控制要通過觀測轉(zhuǎn)子電阻和轉(zhuǎn)子電感相比，大大減弱了對電機(jī)參數(shù)的依賴性。因此直接轉(zhuǎn)矩控制擁有較強(qiáng)抗干擾能力。 三、由于直接轉(zhuǎn)矩控制是通過給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行比較，得到誤差，經(jīng)過滯環(huán)比較器，然后選擇適當(dāng)?shù)碾妷菏噶咳フ{(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，它的控制效果是由實際的轉(zhuǎn)矩情況決定的，這使它得到較迅速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展方向 直接轉(zhuǎn)矩控制也并不是十全十美的控制策略，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制同樣存在著缺點。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。由于滯環(huán)比較器存在一個閥值，而且電壓逆變器只有八種狀態(tài)可選擇。當(dāng)轉(zhuǎn)矩或者定子磁鏈從一個很小的值變化到另一個很小的值，即電機(jī)運行在低速狀態(tài)，如在啟動階段時，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)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差和給定定子磁鏈與實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。因此，在此過程中 ，會使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈產(chǎn)生較大的波動。 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。這就確定了直接轉(zhuǎn)矩控制在今后的發(fā)展方向。 一、對傳統(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)。以永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制為例，可以在原有的開關(guān)表的基礎(chǔ)上加上兩個零矢量，即 000 和 111，把開關(guān)表從 4 行擴(kuò)充到 6 行。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)。這樣，轉(zhuǎn)矩的脈動頻率和電壓逆變器的開關(guān)次數(shù)就相應(yīng)減少了。此外，有專家提出了把空間電壓矢量細(xì)分的 方法。把原來的 6 等份擴(kuò)大到 12 等份或者 24 等份，從而減小轉(zhuǎn)矩的脈動。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。這樣一來就失去了直接轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的優(yōu)勢。細(xì)分電壓矢量法雖然能有效抑制轉(zhuǎn)矩的脈動，但其效果與細(xì)分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加運算量。 2)用空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法去代替空間電壓矢量開關(guān)表，從而得到恒定的開關(guān)頻率。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。把變換后的定子電流和定子電壓通過全速度磁鏈模 型去計算，從而得到定子磁鏈值 Ψs 、電磁轉(zhuǎn)矩值與磁鏈位置角。給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(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。然后通過對參考電壓的預(yù)測計算可以得出期望的參考電壓矢量，再經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制得到所需要的開關(guān)控制信號。 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。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)像人一樣有這很強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)能力。但它不能處理已有的有規(guī)則的知識，所以在對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練時，不能運用已有的經(jīng)驗和知識，只能重新給他一個初始值，這樣就使訓(xùn)練時間大大增加，效率很低。模糊控制，主要在傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制 的基礎(chǔ)上，模糊調(diào)節(jié)給定轉(zhuǎn)矩與實際轉(zhuǎn)矩的誤差以及誤差的變化率。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。把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制與傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 控制相結(jié)合，把模糊集合所定義的模糊概念應(yīng)用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和計算之上，這樣就能在普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了各種各樣的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。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，實現(xiàn)并行推理?？梢?，如果能把模 糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制有機(jī)地結(jié)合起來，博取眾長，就能建立一種比單獨將模糊控制或者單獨將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)合的控制策略都更優(yōu)的控制策略。 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。其中基于穩(wěn)態(tài)的控制策略受到動態(tài)性能的限制，不能得到廣泛的應(yīng)用。而不依賴對象的數(shù)學(xué)模型的控制策略現(xiàn)今還沒成熟?；趧討B(tài)的控制策略因其動態(tài)性能和控制精度較高，應(yīng)用比較廣泛。其典型代表就是直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制主要通過控 制轉(zhuǎn)矩和磁鏈直接控制電機(jī)，簡單直觀，抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快。但是仍然存在著低速時轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢的問題。針對這問題，專家們提出了改進(jìn)空間電壓矢量開關(guān)表，用空間矢量脈沖寬度調(diào)制代替空間電壓矢量開關(guān)表和將模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合這三種方案。這就指明了直接轉(zhuǎn)矩控制今后的發(fā)展方向。 第 3章 永磁同步電機(jī)概述 9 第 3章 永磁同步電機(jī)模型的搭建 永磁同步電機(jī)的分類 按照轉(zhuǎn)子上的永磁體的位置，可以把永磁同步電機(jī)分為三類，分別是表面式，內(nèi)埋式和嵌入式。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)動時慣性也比較小，因此轉(zhuǎn)矩的線性特性相對較好。內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)和嵌入式永磁同步電機(jī)同屬凸極電機(jī)，因此轉(zhuǎn)矩的線性沒有表面式永磁同步電機(jī)好。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。但內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)也有著自己的優(yōu)勢，它雖然轉(zhuǎn)矩的線性度較差，但它具有明顯的磁阻效應(yīng)，有利于優(yōu)化電機(jī)的調(diào)速特性和提高電機(jī)的運行效率。 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。 永磁同步電機(jī)的定子主要由硅鋼片，三相對稱分布的星形繞組，機(jī)殼以及端蓋組成的。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。這個氣隙磁場的旋轉(zhuǎn)速度稱為同步轉(zhuǎn)速。它的大小與供電的頻率，電機(jī)的極對數(shù)有關(guān)。 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通?？蓺w納為圓柱形轉(zhuǎn)子、無極靴星形轉(zhuǎn)子、有極靴星形轉(zhuǎn)子、爪極式轉(zhuǎn)子和切向式轉(zhuǎn)子等幾類。 圓柱形轉(zhuǎn)子，出現(xiàn)得最早。把永磁鐵制成空心的圓柱體，澆鑄或者壓制在非磁性套筒再與轉(zhuǎn)軸緊密連接，就形成了圓柱形轉(zhuǎn)子。圓柱形轉(zhuǎn)子一般不超過 8 極，多為 2 極或 4 極。永磁材料大多采用鋁鎳和鋁鎳鈷合金。還有少部分用馬氏體鋼。圓柱形轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，對制作工藝要求不高 ，除了精磨轉(zhuǎn)子表面外，其他都不需要用機(jī)械加工。轉(zhuǎn)子表面光滑，風(fēng)摩系數(shù)和噪音小。缺點是對永磁體的利用率低，在極數(shù)較多時這一問題更為明顯。因此只用于極數(shù)較少的永磁同步電機(jī)。 無極靴星形轉(zhuǎn)子，為了改善圓柱形轉(zhuǎn)子永磁體利用率低這一不足，在圓柱形永磁鐵的基礎(chǔ)上，去掉部分永磁鐵，就形成了無極靴星形轉(zhuǎn)子。無極靴燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 星形轉(zhuǎn)子的磁鐵平均長度比圓柱形轉(zhuǎn)子長，體積小，橫軸的電樞反應(yīng)作用減少。由于永磁材料的磁阻率非常大，在負(fù)載急劇變化或者短路時，磁鐵阻尼作用小，去磁作用大。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。 雖然和圓柱形轉(zhuǎn)子相比，磁鐵的利用率增大。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：永磁鐵為多極星形，形狀復(fù)雜，磁性能差。而且隨著極數(shù)的增加，對磁性能的影響越來越大。永磁材料沒有得到充分的利用。由于永磁體的形狀為多極星形，造成了永磁體的不均勻磁化。磁鐵性能降低，利用率也隨之降低。同樣，極數(shù)越多，不均勻磁化就越嚴(yán)重，磁鐵利用率就越低。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。為了增大磁路系統(tǒng)的阻尼作用，就要增長永磁鐵的長度，造成成本上升。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。這樣就限制了擁有高磁性的各向異性的永磁材料的應(yīng)用。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。綜上所述，無極靴星形轉(zhuǎn)子的極數(shù)一般較少，多應(yīng)用在小容量的場合上。 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。有極靴星形轉(zhuǎn)子的制作工序如下：將永磁體制成多極星形，用鉚釘把軟鐵極靴固定在永磁體上。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。有極靴星形轉(zhuǎn)子主要有以下優(yōu)點：由于軟鐵極靴的存在，消除了橫軸電樞反應(yīng)，對永磁體的去磁作用大大減弱。去掉負(fù)載后，不產(chǎn)生不可逆去磁和不對稱去磁。磁路系統(tǒng)阻尼作用強(qiáng)，使電機(jī)在瞬態(tài)運行，如瞬間短路時，仍保持良好的短路特性。由于軟鐵極靴的存在，出現(xiàn)了較大的漏磁。通過調(diào)節(jié)漏磁，就能使永磁體得到更好的利用。當(dāng)磁鐵是矩形結(jié)構(gòu)時，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。同時，也可以采用稀土類的合金做永磁體，從而縮小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的容量和輸出效率。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。在高速旋轉(zhuǎn)時，極靴與永磁體可能出現(xiàn)松動。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。 爪極式轉(zhuǎn)子，爪極式轉(zhuǎn)子是由兩個帶爪的法蘭盤與一個沿轉(zhuǎn)子軸向充磁的圓環(huán)形永磁鐵組成的。兩個帶爪的法蘭盤爪數(shù)相等，并且均等于極對數(shù)。把法蘭盤的爪相互錯開，夾著圓環(huán)形的永磁鐵，相互對合。這樣，就讓一個帶爪法蘭盤的爪子呈 N 極性，而另一個則呈 S 級性，從而起到了極靴的作用。爪極式轉(zhuǎn)子主要有以下優(yōu)點：永磁體為圓環(huán)形，結(jié) 構(gòu)簡單，制造方便，磁性好，不會出現(xiàn)較大的不均勻磁化，永磁材料的利用率較高。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。帶爪的法蘭環(huán)屏蔽了橫軸的電樞反應(yīng)，消除了電樞反應(yīng)對氣隙磁場的畸變效應(yīng)，使氣隙磁場保持穩(wěn)定。爪極間的漏磁很大，有效消除了縱軸電樞反應(yīng)對磁鐵的去磁作用，讓磁鐵能承受較大的過載。爪極式轉(zhuǎn)子的阻尼作用很大，令電機(jī)在瞬態(tài)運行時很穩(wěn)定。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。結(jié)構(gòu)牢固，機(jī)械強(qiáng)度高。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) 。但是爪極式轉(zhuǎn)子也存在以下缺點：帶爪的法蘭盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高。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。在轉(zhuǎn)速較高時，爪極受力很大，比較容易發(fā)生彎曲變形，甚至斷裂。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。 切向式轉(zhuǎn)子，切向式轉(zhuǎn)子由優(yōu)硅鋼沖片疊成的轉(zhuǎn)子鐵心，非磁性套筒和薄片形的永磁鐵組成的。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。 永磁同步電 機(jī)的數(shù)學(xué)模型 由于實際的永磁同步電機(jī)在制造或者設(shè)計上存在結(jié)構(gòu)不對稱，從而造成參數(shù)的不對稱。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。另一方面，由于永磁同步電機(jī)是一個旋轉(zhuǎn)設(shè)備，涉及到動態(tài)的分析，若在自然參考系下，永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程組就是一個變系數(shù)的微燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 分方程組，系數(shù)與定子和轉(zhuǎn)子的相對位置有關(guān)。這就給這個方程組的求解帶來了很大的不便。為了方便計算求解，必須先假設(shè)一臺理想的永磁同步電機(jī)，然后選取合適的參考系，把電機(jī)的狀態(tài)方程組轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的參考系中求解。 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。假設(shè)鐵心中的導(dǎo)磁系數(shù)是常數(shù)。 二、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分別關(guān)于橫軸和縱軸對稱。 三、定子三相繞組的結(jié)構(gòu)完全相同，在空間上分別相差 120176。電角度。所產(chǎn)生的磁動勢在氣隙中按正弦規(guī)律分布。 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)。 五、在恒定轉(zhuǎn)速且電機(jī)空載時轉(zhuǎn)子的磁動勢在定子