【導(dǎo)讀】少于萬字），A0圖紙。3．按學(xué)院指定的地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，嚴(yán)格按照進(jìn)度計劃完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。2．MATLAB相關(guān)書籍。直接轉(zhuǎn)矩控制是近年來應(yīng)用比較廣泛的一種控制策略。本思想是根據(jù)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求，直接選擇合適的定子電壓空間矢量，壓矢量,從而避免了矢量控制中許多復(fù)雜的矢量變換計算。制原理直觀明了，操作簡單快捷，具有良好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)性。的地位越來越高?；谶@一發(fā)展趨勢，本文重點(diǎn)研究了把直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用。類、結(jié)構(gòu)及其在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。然后借助MATLAB中的Simulink. 納，最后得出結(jié)論。結(jié)論表明，永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制具有較好的轉(zhuǎn)矩。響應(yīng)，基本能實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，轉(zhuǎn)矩計算，仿真研究是最有效的工具和手段。本文中利用MATLAB軟件下。DTC系統(tǒng)中各控制計算單元的模型的建立，并分析控制系統(tǒng)的性能。

　　

【正文】 2/3 ??CCT (315) 可求得： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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。后者可采用 C2s/2r 變換矩陣，并令 d 軸與 ? 軸的夾 角為 ? 。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。簡述了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及圓柱形轉(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)子的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場合。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。為后續(xù)章節(jié)打下了一個理論基礎(chǔ)。 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。方程中的磁極數(shù)， d 軸電感和 q 軸電感都是常量，因此轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)子磁圖 41 pmsm 直接轉(zhuǎn)矩控制方案 ω*D C三 相 逆 變 器轉(zhuǎn) 矩 自 控制 單 元R e l a yZ SΨ*2 / 3變 換電 動 機(jī) 模 型P M S MψαA S RTe*TeR e l a y檢 測ωψβ++sUaUb第 4章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 21 鏈，定子磁鏈和定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的正弦值有關(guān)。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。根據(jù)同步電機(jī)的特點(diǎn)，我們可以知道，在穩(wěn)態(tài)時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)且韵嗤霓D(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的。它們之間的夾角也恒定不變。在暫態(tài)時，定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，它們之間的夾角也是變化的。因?yàn)殡姍C(jī)的定子電氣時間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)子的機(jī)械時間常數(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常數(shù)，不予控制。只要使定子磁鏈的幅值不變，直接控制定子磁鏈運(yùn)動速度的大小和方向，從而改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。這就能實(shí)時快捷地控制電磁轉(zhuǎn)矩。以上就是永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。 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。三相永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制主要包括以下幾個部分：電機(jī)轉(zhuǎn)速 pi 調(diào)節(jié)器 ， 定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器 ， 轉(zhuǎn)矩與磁鏈滯環(huán)比較控制器 ， 2/3 變換，三相電壓逆變器，永磁同步電機(jī)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，磁鏈估計環(huán) 節(jié)，轉(zhuǎn)矩估計環(huán)節(jié)。 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。另一方面，系統(tǒng)把測得的定子的三相電流和相間電壓送入坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，再把坐標(biāo)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的輸出值送入磁鏈估計環(huán)節(jié)。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。以此來控制三相電壓逆變器的通斷，從而控制三相永磁同步電機(jī)。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) 。這就是永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的過程。 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(shí)現(xiàn)逆變功能。 三相逆變器的原理可以從分析其中的一相在一個周期內(nèi)的工作過程來得知。正半周內(nèi)， VT2 關(guān)斷， VT1 以 PWM 方式驅(qū)動導(dǎo)通。此時 VT1 輸出的等高不等寬的方波電壓經(jīng)電感 LO、電容 C 濾除高頻成分后在 L1 輸出端的負(fù)載上得到光滑的正弦波電壓正半周。負(fù)載上正半周電流 Io 的方向?yàn)樽陨隙拢从呻娫?E1 的正極經(jīng)負(fù)載回到負(fù)極。 負(fù)半周內(nèi)， VT1 關(guān)斷， VT2 以 PWM 方式驅(qū)動導(dǎo)通，此時負(fù)載的負(fù) 半周燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 電流 Io 由電源 E2 的正極經(jīng)負(fù)載、電感 L0 及 VT2 回到 E2 的負(fù)極，與正半周的負(fù)載電流方向相反。因此在負(fù)載上得到正弦波電壓的負(fù)半周。 VT1 與VT2 在各自的半個周期內(nèi)均以 PWM 方式工作，在其關(guān)斷時間內(nèi)，儲能電感Lo 通過許留二極管 D1 或 D2 對負(fù)載進(jìn)行續(xù)流供電，使負(fù)載得到連續(xù)的電流波形 它的特點(diǎn)是每一支橋臂都導(dǎo)通 180176。， a、 b、 c各相導(dǎo)通的電角度相差 120176。，同一相的上下兩個橋臂交替導(dǎo)通。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。所以三相橋式電壓源逆變電路的換流方式為縱向換流。三相橋式逆變器電路中， VT1～ VT6 為 IGBT。 VD1～ VD6 為反饋二極管。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)。反之處于導(dǎo)通狀態(tài)的 IGBT 在足夠的反向陽極電壓作用下會轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)。 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。所以測定定子磁鏈的方法的選擇尤為重要。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。 電流模型測定法。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。然后在分別把兩個分量經(jīng)過 dq 坐標(biāo)系與 αβ坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，得到定子磁鏈 α軸的分量和 β軸的分量。這種定子磁鏈的測定方法運(yùn)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。下面介紹一種運(yùn)算相對方便簡單的定子磁鏈的測定方法，它就是電壓模型測定法。 ()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。只要經(jīng)過兩次積分，就可以把測得的定子電壓和電流的 α軸的分量和 β軸的分量轉(zhuǎn)化為定子磁鏈的 α軸的分量和β軸的分量。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(yùn)算速度。所以電壓模型測定法應(yīng)用相當(dāng)廣泛，且特別適合用于高速控制 的場合。 (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。但是在實(shí)際操作中，很難直接測定電磁轉(zhuǎn)矩的值。所以，就通過間接測 量的辦法，去求得電磁轉(zhuǎn)矩的值。根據(jù)式可知，只要測出定子電流的 α軸的分量和 β軸以及用電壓模型測定法測出的定子磁鏈的 α軸的分量和 β軸，就能求得電磁轉(zhuǎn)矩。 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。在上一章講到的永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上講述了三相永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中幾個重要的構(gòu)成部分，如三相橋式逆變器，定子磁鏈測定環(huán)節(jié)和電磁轉(zhuǎn)矩測定環(huán)節(jié)的原理，為下一章的軟件仿真打下基礎(chǔ)。 ? ?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(shí)驗(yàn)室（ MatrixLaboratory）。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便 的、界面友好的用戶環(huán)境。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。 Matlab 的推出得到了各個領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能更為各個工程領(lǐng)域提供了分析和設(shè)計的基礎(chǔ)。 Matlab 包括被稱作工具箱（ Toolbox）的各類應(yīng)用問題的求解工具。隨著 Matlab 版本的不斷升級，其所含的工具箱的功能也越來越豐富，因此應(yīng)用范圍也越來越廣泛，成為涉及數(shù)值分析的各類設(shè)計不可或缺的工具。 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。 Simulink 提供了利用鼠標(biāo)拖放的方法來建立系統(tǒng)框圖模型的圖形界面，而且還提供了豐富的功能塊以及不同的專業(yè)模塊集合，利用Simulink 幾乎可以做到不書寫一行代碼即完成整個動態(tài)系統(tǒng)的建模工作。除此之外， Simulink 還支持 Stateflow，用來仿真事件驅(qū)動過程。 Simulink 是從底 層開發(fā)的一個完整的仿真環(huán)境和圖形界面，是模塊化了的編程工具，它把 Matlab 的許多功能都設(shè)計成一個個直觀的功能模塊，把需要的功能模塊用連線連起來就可以實(shí)現(xiàn)需要的仿真功能了。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 主要有以下優(yōu)點(diǎn)：仿真工具箱的模塊庫種類繁多，第 5章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制仿真 25 并且可以支持?jǐn)U展和自定義編輯，使應(yīng)用范圍變得廣泛。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。糾錯功能出色，模型分析和診斷工具的引入，能查出模型中的錯誤，提 示用戶，保證模型的一致性。 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。 （ 2）交