永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計題 目： 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 系： 電氣與信息工程系 專業(yè)： 自動化 班級： 0201 學(xué)號： 0201110128學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 2006年6月 - 1 - / 55文檔可自由編輯打印誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）是在老師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）中的所有內(nèi)容均真實、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文

2、）任務(wù)書 題目： 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計 姓名 婁晶 系別 電氣與信息工程系 專業(yè) 自動化 班級 0201 學(xué)號 0201110128 指導(dǎo)老師 唐勇奇 職稱 副教授 教研室主任 一、 基本任務(wù)及要求： 本系統(tǒng)以永磁同步電動機作為被控對象，針對永磁同步電機的特點，研究直接轉(zhuǎn)矩控制方法，并設(shè)計以DSP為控制核心的硬件電路，軟硬件設(shè)計包括：被控對象同步電動機模型的建立、控制方法研究、主電路設(shè)計、控制電路設(shè)計、控制系統(tǒng)程序設(shè)計、系統(tǒng)控制效果仿真等。 二、 進度安排及完成時間：1、 第一周至第三周：明確課題任務(wù)及要求，搜集課題所需資料，掌握資料查閱方法，了解本課題研究現(xiàn)狀、存在問題及研究的

3、實際意義。2、 第三周：查閱相關(guān)資料，自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，確定課題總體方案，分配課題任務(wù)， 確定個人研究重點，做好選題報告。 3、 第四周至第五周：根據(jù)自己研究的方向，確定自己的總體設(shè)計方案，根據(jù)對象特性進行 各種控制方法的研究，并設(shè)計硬件總體模塊圖及軟件模塊圖。4、 第六周至第十二周：完成系統(tǒng)的控制方法研究，軟、硬件設(shè)計。5、 第十三周至第十四周：系統(tǒng)仿真及調(diào)試。6、 第十五周至第十六周：整理資料，完成畢業(yè)論文編寫，進行畢業(yè)答辯。目 錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1 課題研究的背景11.2 本課題的主要研究工作5第2章 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型62.1 永磁同步電機的分類和結(jié)構(gòu)62

4、.2 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立62.2.1 坐標系的定義62.2.2 三相定子坐標系與兩相定子坐標系變換(3s-2s)72.2.3 兩相定子坐標系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換(2s-2r)92.3 兩相定子坐標系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系的變換（2t-2s）102.4 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型102.4.1 永磁同步電機在ABC坐標系上的數(shù)學(xué)模型112.4.2 永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學(xué)模型112.4.3 永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學(xué)模型122.5 本章小結(jié)13第3章 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究143.1 電壓空間矢量基本原理143.1.1 電壓空間矢量143.1.2 電壓空間矢量的選擇及零電壓矢

5、量應(yīng)用163.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理和控制規(guī)律183.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的發(fā)展及特點183.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理193.2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律203.3 永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)213.3.1 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理213.3.2 永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)243.4 本章小結(jié)24第4章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計254.1 主控制芯片TMS320LF2407 DSP的介紹254.2 系統(tǒng)的主電路的設(shè)計284.2.1 系統(tǒng)的總體框圖284.2.2 系統(tǒng)的主電路設(shè)計294.3 系統(tǒng)的控制電路的設(shè)計314.3.1 系統(tǒng)的檢測電路的設(shè)計324.3

6、.2 系統(tǒng)的保護電路的設(shè)計364.4 本章小結(jié)37第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計395.1 集成開發(fā)介紹環(huán)境的395.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計總體結(jié)構(gòu)395.3 系統(tǒng)的主程序模塊的設(shè)計405.4 系統(tǒng)的中斷程序模塊的設(shè)計415.4.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計425.4.2 SVPWM子程序設(shè)計435.5 系統(tǒng)的故障中斷程序的設(shè)計465.6 本章小結(jié)47結(jié)束語48參考文獻50致 謝52附 錄53永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要：直接轉(zhuǎn)矩控制策略直接對電機定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩進行控制，解決了交流電機矢量控制策略存在的轉(zhuǎn)子磁場定向解耦控制復(fù)雜性問題，已成功應(yīng)用于高性能異步電機交流調(diào)速系統(tǒng)中。隨著直接轉(zhuǎn)矩控制在永磁

7、同步電機(PMSM)中的理論基礎(chǔ)的解決，永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制策略受到了越來越多的關(guān)注。本設(shè)計也將在這方面進行一些研究和探討。本設(shè)計從永磁同步電機數(shù)學(xué)模型出發(fā)，論述了永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的基本理論，推導(dǎo)出了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略的空間電壓矢量開關(guān)表；并根據(jù)理論分析，引入了零電壓矢量參與控制，可以使得電機在控制過程中保持轉(zhuǎn)矩基本不變，從而可以降低逆變器的開關(guān)頻率，在不減小控制周期的情況下減小電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。本設(shè)計在完成理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進行了基于數(shù)字信號處理器(DSP) TMS320LF2407 的軟硬件設(shè)計，構(gòu)建了一個永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。硬件設(shè)計

8、主要包括主電路、檢測電路、保護電路和控制電路等。其中檢測電路包括了直流母線電壓檢測、電流檢測和轉(zhuǎn)速檢測；保護電路包括啟動限流保護、過流保護和IPM故障保護等。軟件設(shè)計主要是在軟件中實現(xiàn)DTC控制策略。本設(shè)計分別完成了軟硬件的調(diào)試，在軟件中實現(xiàn)了DTC控制策略。關(guān)鍵字： 永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩控制；空間電壓矢量；數(shù)字信號處理器 Design for Direct Torque Control System of Permanent Magnet Synchronous MotorAbstract: The direct torque control strategy which directs

9、to control the motors stator linkage and torque, resolving the problem that the complexity of the decoupled control for the directional rotor magnetic filed exsited in the alternating current(AC) motors vector control(VC) strategy, has been applied successfully to a high qualified control system of

10、induction motors AC speed governor . With the development of direct torque control (DTC) control theory and the establishment of its fundamental theory in permanent magnet synchronous motor (PMSM), DTC strategy of PMSM has drawn considerable attention. This paper is also concerned with the DTC contr

11、ol theory, and some improvement has been made.Based on the PMSM mathematical model, the discussion of firndamental theory in DTC of PMSM is addressed. After that the classical DTC space voltage vector switch state lookup table is derived. On the basis of theoretic analysis, the zero voltage vector i

12、s introduced into the control strategy, which can keep the torque remain and reduce the switching frequency, and can decrease motor torque ripple under the situation of not reduce the control period.the vector will improve the system performance.On the basis of theoretic analysis, the hardware andso

13、ftware are designed by the digital signal processor (DSP) TMS320LF2407.Furthermore, the direct torque control system of permanent magnet synchronous motor system is designed. The hardware design of this paper includes design of main circuit, measurement circuits, protection circuits, and control cir

14、cuits. The measurement circuits include DC line voltage measurement, current measurement, and speed measurement. The protection circuits include startup under limited current protection, over-current protection, and IPM fault protection. The software design of this paper mainly carries out the DTC s

15、trategy in the software. The debugging of hardware and software is completed in this paper and the DTC strategy is carried out in the softwar.Keywords: permanent magnet synchronous; motordirect torque controlspace; voltage vector; digital signal processor第1章 緒論1.1 課題研究的背景電動機是電能向機械能轉(zhuǎn)換的能量載體。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運

16、輸以及日常生活中廣泛地應(yīng)用著電機傳動。其中對很多機械有調(diào)速的要求，一方面是為了滿足運行、生產(chǎn)和工藝的要求，從而提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量；另一方面是為了減少運行損耗、節(jié)約能量。由此產(chǎn)生了電機調(diào)速技術(shù)即電氣傳動技術(shù)，它可分為直流電氣傳動和交流電氣傳動兩大類3。與直流電動機相比交流電動機尤其是鼠籠異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、運行可靠和效率較高等優(yōu)點，但很長一段時期內(nèi)其調(diào)速性能卻無法和直接調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其根本原因是交流電動機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。因此在20世紀的大部分年代里，由于直流傳動具有優(yōu)越的調(diào)速性能，高性能可調(diào)速傳動都采用直流電動機，而約占電氣傳動總?cè)萘?0

17、%的不變速傳動則采用交流電動機。20世紀70年矢量控制技術(shù)的提出及實用化，使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能和直流系統(tǒng)調(diào)速相媲美，從而使交流調(diào)速技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。在矢量控制之后又提出了磁場定向控制、自適應(yīng)控制、非線性控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和智能控制等先進控制策略，推動了交流電氣傳動技術(shù)不斷地向前發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，電力電子學(xué)、專用集成電路(ASIC )、數(shù)字信號處理(DSP)、傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展為交流電氣傳動技術(shù)發(fā)展提供硬件保障；仿真軟件(如MATLAB)和計算機輔助設(shè)計(CAD)的出現(xiàn)使高效、快捷地仿真和分析成為可能；控制理論的發(fā)展是先進交流調(diào)速控制策略的涌現(xiàn)提供了理論

18、依據(jù)。今天，交流電氣傳動技術(shù)已發(fā)展成為多門新技術(shù)、多門新學(xué)科相交叉的新興學(xué)科。由于控制簡單，長期以來在要求較高的場合，直流電機一直占主導(dǎo)地位。但它存在一些固有的缺點，例如電刷、換向器易損耗，需要經(jīng)常維護，換向器會產(chǎn)生火花，限制了電機的最高轉(zhuǎn)速和過載能力，且無法直接應(yīng)用在易燃易爆的工作場合。而交流電機特別是感應(yīng)電機則沒有上述缺點和限制，轉(zhuǎn)子慣量較小，動態(tài)響應(yīng)更好。一般而言，同樣體積的交流電機的輸出功率比直流電機提高10-70%,此外，交流電機容量可以制造得更大，達到更高的轉(zhuǎn)速和電壓。交流電機雖然結(jié)構(gòu)較簡單，其控制卻比較復(fù)雜。交流異步電機價格便宜，運行可靠，但不能經(jīng)濟地在較寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，

19、且需要吸收滯后的勵磁電流，功率因數(shù)和效率都較低。相比較而言，永磁同步電機具有以下優(yōu)點3：.20世紀70年代出現(xiàn)的微處理器(Micro-processor)使得計算機在自動控制系統(tǒng)中發(fā)揮了極為重要的作用，微處理器即計算機的中央處理單元(CPU)和控制單元的集成，它配上一定的存儲器、I/O接口和其它外設(shè)，就可構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的通用控制器。正是由于單片機的出現(xiàn)，計算機在控制領(lǐng)域的應(yīng)用得到了一次突破，單片機不但小巧、成本低，而且由于眾多設(shè)備集成到了一塊芯片上帶來了功耗小和抗干擾能力強的優(yōu)點。另外它可以方便地組成各種智能式控制設(shè)備和儀器，做到機電儀一體化:也可以方便地實現(xiàn)多機和分布式控制，使得整個控制系

20、統(tǒng)的效率和可靠性大為提高。單片機有許多類型，其中Intel公司的MCS-51系列、Motorola公司的68系列和Zilog公司的Z8系列為大家所知。單片機自問世以來，得到了飛速的發(fā)展，以Intel公司為例，早期推出MCS-48系列單片機，該單片機功能簡單，尋址范圍有限，性能較差，隨之被稍后推出的MCS-51系列所取代。MCS-51系列單片機功能較強，尋址范圍達到64K,有多級中斷處理系統(tǒng)，片內(nèi)帶有串行I/O口，16位定時計數(shù)器，這些性能基本能夠滿足一般控制系統(tǒng)的需要，故這類單片機仍是目前應(yīng)用最為廣泛的一種單片機。雖然MCS-51單片機目前應(yīng)用得最為廣泛，但在一些比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，它就顯得

21、有些力不從心，不得不讓位于16位單片機。MCS系列16位單片機具有豐富的硬件資源和軟件資源，特別是在其CPU中不采用常規(guī)的累加器結(jié)構(gòu)，改用寄存器一寄存器結(jié)構(gòu)，CPU操作直接面向256字節(jié)寄存器，消除一般CPU結(jié)構(gòu)中存在的累加器瓶頸效應(yīng)；尤其是80C196MC型內(nèi)置的波形發(fā)生器可直接輸出三相脈寬調(diào)制波形，特別適用于變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)。雖然此類單片機性能優(yōu)越，但當(dāng)用于進行大量數(shù)據(jù)處理或浮點運算時則略有遜色。DSP則是近年來出現(xiàn)的一種高速專用的微處理器，其主要特點是采用哈佛結(jié)構(gòu)，將程序存儲空間與數(shù)據(jù)存儲空間分開，并各自擁有自己的數(shù)據(jù)總線和地址總線；采用流水線技術(shù)，使得指令處理的平均速度大大提高；內(nèi)

22、部增設(shè)專門的硬件乘法器；并將硬件乘法器與累加器以流水線方式連接，從而可以高速連續(xù)進行乘法和累加運算7。片內(nèi)還集成了越來越多的外圍接口，從而大大提高其功能，并且它有完整的開發(fā)和調(diào)試工具，開發(fā)周期短，使得DSP在控制領(lǐng)域的應(yīng)用倍受關(guān)注。二十世紀九十年代后期，國外公司推出了專用于電機控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320C/F24x系列、Analog Devices公司的ADMC4xx系列，在高速DSP內(nèi)核基礎(chǔ)上，增加了帶死區(qū)功能的三相PWM發(fā)生器、光電編碼器輸入接口、豐富的I/O和中斷資源，為全數(shù)字化交流電機控制系統(tǒng)提供了功能強大的控制器?？刂撇呗院头绞绞菦Q定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前通

23、用變頻器輸出電壓在380-650V,輸出功率在0.75-400kW，工作頻率在0-400Hz，它的主電路采用交一直一交電路。變頻器控制方式主要經(jīng)歷以下幾種方式。（1）恒壓頻比控制方式：它根據(jù)異步電機等效電路確定的線性進行變頻調(diào)速。其特點是:控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低。電壓是指基波的有效值，改變U/f只能調(diào)節(jié)電動機的穩(wěn)態(tài)磁通和轉(zhuǎn)矩，而不能進行動態(tài)控制?？刂魄€會隨負載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機轉(zhuǎn)矩利用率不高。（2）矢量控制方式（VC控制）：交流傳動控制理論及實踐終于在70年代取得了突破性的進展，即出現(xiàn)了矢量控制技術(shù)。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。

24、通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，以轉(zhuǎn)子磁通定向，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個分量，經(jīng)坐標變換，實現(xiàn)正交或解耦控制。這樣，通過坐標變換重建的電動機模型就可以等效為一臺直流電動機4。矢量控制的控制方法實現(xiàn)了異步電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀元。然而，在實際系統(tǒng)中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量旋轉(zhuǎn)變換的復(fù)雜性，使得實際的控制效果不如理論分析的好。這是矢量控制技術(shù)在實踐上的不足之處。交流傳動領(lǐng)域的專家學(xué)者也都針對矢量控制上的缺陷做過許多研究，諸如進行參數(shù)辨識(或補償)以及使用狀態(tài)觀測器等現(xiàn)代控制理論，但是這些方案的引入使系統(tǒng)更加復(fù)雜，控制的實時

25、性和可靠性降低了6。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC控制）：其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。其優(yōu)點是：對轉(zhuǎn)矩直接控制，動態(tài)性能好。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)(1974年)之后發(fā)展起來的又一種高性能的新型交流變頻調(diào)速技術(shù)。1985年，德國學(xué)者M.Depenbrock教授首次提出直接轉(zhuǎn)矩控制的理論，隨后日本學(xué)者I. Takahashi教授也提出了類似控制方案，并取得了令人振奮的控制效果15。盡管推導(dǎo)的方法和實現(xiàn)的手段有所不同，但他們的基本思想是一致的。即跳出了交流傳動技術(shù)研究的傳統(tǒng)思維模式，不去考慮如何去解耦，將定子電流分解成為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分流

26、量。直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型。通過檢測得到的定子電壓和電流，采用定子磁場定向，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，著眼于轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)，以獲得高效的控制性能。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)一誕生，就以新穎的控制思想，簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的動、靜態(tài)性能受到了普遍的關(guān)注。與矢量控制技術(shù)相比，對電機參數(shù)不敏感，簡單易行，在很大程度上克服了矢量控制技術(shù)的缺點。1.2 本課題的主要研究工作（1）對直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理及方法進行研究，建立基于DSP的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。（2）分析了直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)矩脈動的因素，提出零電壓矢量使用的方法，有效地減小了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動。（3）研究

27、TI公司的電機控制專用數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，設(shè)計出以此種DSP為控制核心，以IPM作為功率器件的變頻調(diào)速系統(tǒng)。（4）采用TMS320F240匯編指令編寫系統(tǒng)控制軟件，實現(xiàn)永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制算法。第2章 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型本章將首先從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的角度對PMSM進行分類，然后在不同的坐標系中建立PMSM的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上對PMSM的DTC控制原理進行介紹，最后給出兩種情況下空間電壓矢量開關(guān)表。2.1 永磁同步電機的分類和結(jié)構(gòu)常見的永磁同步電機（PMSM）按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來分，可以分為表面貼裝式PMSM (Surface PMSM)和內(nèi)嵌式IPMSM (Interior

28、PMSM)。其中IPMSM又分為嵌入式PPMSM和內(nèi)埋式PPMSM2。其特點如表2.1所示。SPMSM實質(zhì)上屬于隱極式同步電機，永久磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子表面，體積較小，慣性也較小，轉(zhuǎn)矩特性的線性度比較好。由于構(gòu)造的原因，當(dāng)電機運行在高速區(qū)時，離心力比較大，因此永久磁鐵需要設(shè)置固定的保護環(huán)。IPMSM實質(zhì)上屬于凸極式同步電機，由于永久磁鐵埋于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，因離心力而使磁鐵飛出的問題也沒有SPMSM嚴重。嵌入式IPMSM的凸極特性小，也有比較好的線性轉(zhuǎn)矩。內(nèi)埋式PPMSM則具有比較明顯的凸極特性，因此其轉(zhuǎn)矩線性度比較差，但其磁阻效應(yīng)可以用來提高電機效率和改善調(diào)速特性1。2.2 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立2.

29、2.1 坐標系的定義坐標系在本文中，將涉及到以下幾種，對其進行一一介紹。 1. 三相定子坐標系(ABC坐標系)PMSM的定子中有三相繞組，其軸線分別為A,B,C，且彼此間互差1200的空間電角度。當(dāng)定子通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個旋轉(zhuǎn)的磁場。三相定子坐標系定義如圖2.1所示。圖 2.1 三相定子坐標系2. 定子靜止直角坐標系(坐標系)為了簡化分析，定義一個定子靜止直角坐標系即坐標系(圖2.2)，其軸與A軸重合，軸超前軸900。如果在軸組成的兩相繞組內(nèi)通入兩相對稱正弦電流時也會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其效果與兩相繞組產(chǎn)生的一樣。因此可以將兩相坐標系代替三相定子坐標系進行分析，從而達到簡化運算的目

30、的。圖2.2 定子靜止坐標系3. 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)直角坐標系(dq坐標系)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系固定在轉(zhuǎn)子上(圖2.3)，其d軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，q軸超前d軸900，空間坐標以d軸與參考坐標軸之間的電角度確定。該坐標系和轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標系是靜止的，又稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標系。圖2.3 定子靜止坐標系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系4. 定子旋轉(zhuǎn)直角坐標系(xy坐標系)xy坐標系為隨定子磁鏈旋轉(zhuǎn)的坐標系(圖2.4)，定子磁鏈的方向為x軸的正方向，Y軸超前x軸。同時，定義x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，x軸超前d軸時轉(zhuǎn)矩角為正。2.2.2 三相定子坐標系與兩相定子坐標系變換(3s-2s)圖2.2中繪出了A

31、BC和兩個坐標系，為了方便起見， 取 A 軸與軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為 N3 ，兩相繞組每相有效匝數(shù)為 N2 ，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標軸上。設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與兩相總磁動勢相等時，則兩套繞組瞬時磁動勢在，軸上的投影也相圖2.4 定子坐標系和轉(zhuǎn)子坐標系等，即 寫成矩陣形式得： (2.1)考慮變換前后總功率不便，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為 (2.2)代入式（2.1）得 (2.3)令表示從三相坐標系變換到兩相坐標系的變換矩陣，則 (2.4)如果三相繞組是Y型聯(lián)結(jié)不帶零線，則有，代入式（2.3）和式（2.4）并整理后得: (2

32、.5) 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換陣1。2.2.3 兩相定子坐標系與兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換(2s-2r)圖2.3是兩相坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換，簡稱2s-2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。把兩個坐標系畫在一起，如圖2-4所示。兩相交流電流、和兩個直流電流、產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢。由于個繞組匝 數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示。在圖2.3中，d、q軸和矢量（）都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，分量、的長短不便，相當(dāng)于d、q繞組的直流磁動勢。但、軸是靜止的，軸與d軸的夾角隨時間而變化，因此在、軸上的分量、的長短也隨時間變化，相當(dāng)于、

33、繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見，、和、之間存在下列關(guān)系圖2.5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標系與磁動勢（電流）空間矢量寫成矩陣形式，得 (2.6)式中 (2.7)是兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換矩陣。對式（2.6）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，得 (2.8)則兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換陣是: (2.9)電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。2.3 兩相定子坐標系與兩相轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標系的變換（2t-2s）分別定義，dq坐標系是建立在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)坐標，xy坐標系是建立在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標系，定子磁鏈的方向為x軸的正向，x軸與d軸的夾角為轉(zhuǎn)矩角，、為xy坐標系到dq坐標系和

34、dq坐標系到xy坐標系的變換陣，由圖2.4可知： (2.10) (2.11)其中為x軸與d軸的夾角，即轉(zhuǎn)矩角。2.4 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型當(dāng)永磁同步電機的定子通入三相交流電流工時，三相電流在定子繞組電阻 上產(chǎn)生電壓降。由三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電樞磁動勢及建立的電樞磁場，一方面切割定子繞組并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，另一方面以電磁力拖動著轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電樞電流還會產(chǎn)生僅與定子繞組相交鏈的定子繞組漏磁通，并在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)漏電動勢。此外轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場也以同步轉(zhuǎn)速切割定子繞組，從而產(chǎn)生空載電動勢 。為了簡化分析過程，在建立數(shù)學(xué)模型時常忽略一些影響較小的參數(shù)，作如下假設(shè)：（1）忽略

35、鐵芯飽和；（2）定子和轉(zhuǎn)子磁動勢所產(chǎn)生的磁場沿定子內(nèi)圓是按正弦分布的，即略去磁場中的所有空間諧波； （3）各相繞組對稱，即各相繞組匝數(shù)和電阻相同，各相軸線相互位移同樣的電角度； （4）不計渦流和磁滯的影響。PMSM 的定子和普通三相同步電機的定子是相似的，如果永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢（反電動勢）與勵磁線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢一樣也是正弦的，那么 PMSM 的數(shù)學(xué)模型就與電勵磁同步電機基本相同3。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立PMSM在不同坐標系下的數(shù)學(xué)模型。2.4.1 永磁同步電機在ABC坐標系上的數(shù)學(xué)模型對于三相繞組電動機，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈矢量可以表示為： (2.12) (

36、2.13) 其中：為定子電壓矢量，和，分別表示定子電阻和定子電感，和分別表示定子磁鏈矢量和轉(zhuǎn)子磁鏈矢量，表示定子電流。根據(jù)式(2.8)和式(2.9)，可以得到永磁同步電機三相繞組的電壓回路方程如下： (2.14)其中為、各相繞組端電壓，、為各相繞組電流，、為轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈，為微分算子。由于假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，根據(jù)圖2.1及圖2.2可知： (2.15)另外，對于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律有 (2.16)聯(lián)合式（2.14）、式（2.15）和式（2.16）整理可以得到： (2.17)2.4.2 永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學(xué)模型根據(jù)坐標變換理

37、論，對用此同步電機在ABC坐標系下的數(shù)學(xué)模型進行3s-2s的坐標變換，就可以得到在坐標系下的數(shù)學(xué)模型。式(2.5)為電流方程：(2.18)由式（2.4）、（2.5）和（2.17）可得電壓方程 (2.19)其中、 分別為定子電壓在軸上的的分量, 、 為在 軸上的電感分量，其中 ，為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈，為轉(zhuǎn)子角速度。2.4.3 永磁同步電機在坐標系上的數(shù)學(xué)模型在坐標系下建立永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，對于分析永磁同步電機控制過程系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能都十分方便。對永磁同步電機在坐標系的數(shù)學(xué)模型進行2s-2r坐標變換，就可以獲得永磁同步電機在坐標系下的數(shù)學(xué)模型。由式(2.5)和式(2.8)得到永磁

38、同步電機在dq坐標系下的電流方程： (2.20)其中、分別為定子電流在dq坐標系下的分量，結(jié)合式(2.16)整理得 (2.21)永磁同步電機在dq坐標系上的磁鏈方程為： (2.22)(2.23)(2.24)電壓方程為： (2.25) (2.26) (2.27)轉(zhuǎn)矩方程為： (2.28)運動方程為： (2.29)其中為轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)矩負載。其中、分別是定子繞組、軸的磁鏈、電壓、電流和電感，、為定子端電壓、磁鏈和定子繞組電阻；為轉(zhuǎn)子磁鏈在定子側(cè)的耦合磁鏈； 、為電機極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩和角頻率，為微分算子。以上即是永磁同步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標 軸系下的數(shù)學(xué)模型。2.5 本章小結(jié)本章節(jié)對永磁同步電機的分類

39、、結(jié)構(gòu)及特點進行了分析，給出了永磁同步電機在不同坐標系下的數(shù)學(xué)模型，最后給出了其運動方程。為后續(xù)章節(jié)研究永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。第3章 永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，是根據(jù)磁鏈狀態(tài)、轉(zhuǎn)矩狀態(tài)及磁鏈所在扇區(qū)這幾個條件從六個(或八個)電壓矢量中選擇一個最佳矢量，使電機按照給定的指標運行。本章主要內(nèi)容是基于永磁同步電機，介紹電壓空間矢量以及直接轉(zhuǎn)矩的基本理論，并建立永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。3.1 電壓空間矢量基本原理電壓空間矢量法(SVPWM)是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正

40、弦波電壓供電時交流電動機的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器(原理圖見圖3.1)不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能。電壓空間矢量法與傳統(tǒng)的SPWM法相比，不但可以減少轉(zhuǎn)矩脈動和鐵損耗，而且可以提高電源的利用率。3.1.1 電壓空間矢量直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式調(diào)節(jié)器產(chǎn)生開關(guān)信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行電壓空間是量的最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。圖3.1 理想逆壓器如圖3.1所示，圖中、分別用來表示橋臂a、b、c中同一橋臂上的兩個開關(guān)器件的狀態(tài)。當(dāng)某相開關(guān)信號S為1，表示該相的上橋臂接通，為0則表示該相的下橋臂接通。由此可以分析出

41、此電路中共有八個電壓矢量，其中包括六個有效電壓矢量和兩個零電壓矢量，如圖3.2所示。六個有效電壓矢量為 (100), (110), (010), (011), (001), (101)，兩個零電壓矢量為(000)和(111)。關(guān)于逆變器電壓狀態(tài)的表示于開關(guān)的對照關(guān)系見表3.1。表3.1中的電壓狀態(tài)的各種表示法。逆變器的七個電壓狀態(tài)，用空間電壓矢量Us(t)圖3.2 空間電壓矢量圖來表示，則形成7個離散的電壓空間矢量。每兩個工作電壓空間矢量在空間的位置相隔600，6個工作電壓空間矢量的頂點構(gòu)成正六邊形的6個頂點。矢量的順序正是從狀態(tài)“1”到狀態(tài)“6”逆變針旋轉(zhuǎn)。零電壓矢量則位于六邊形的中心。表3

42、.1 逆變器的電壓狀態(tài)與開關(guān)狀態(tài)對照關(guān)系狀態(tài)工作狀態(tài)零狀態(tài)12345678開關(guān)狀態(tài)011001101100110010000111電壓狀態(tài)表示一us(t)Us(011)Us(001)Us(101)Us(100)Us(110)Us(010)Us(000)Us(111)表示二us(t)Us1Us2Us3Us4Us5Us6Us7表示三us(t)1234567設(shè)電機A相相電壓單獨作用時形成的電壓空間矢量位于ABC坐標系中的A軸上，則不同開關(guān)狀態(tài)下逆變器輸出電壓空間矢量可以表示如下： (3.1)其中為 直流側(cè)母線電壓。另外，在不同的電壓矢量開關(guān)狀態(tài)下，由圖3.1得到A、B、 C三相相電壓可以表示為： (

43、3.2)其中、分別表示A、B、C三相相電壓。據(jù)PMSM電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系式（即定子電壓方程式）： (3.3)圖3.3 空間矢量劃分圖可以得到PMSW定子磁鏈表示為： (3.4)由于逆變器的開關(guān)頻率比較高，開關(guān)間隔時間t短，因此將式(3.1)代入式(3.4)可得： (3.5)從式（3.5）可以看出，由于定子電阻較小，在其上的壓降可以忽略不計，故磁鏈矢量的運動軌跡將沿著電壓矢量的方向移動，因此，為了控制沿設(shè)定軌跡運動，可以通過選擇合適的電壓矢量來實現(xiàn):把電壓矢量平面按定子磁鏈角度0劃分為六個區(qū)域(如圖3.2所示)，如區(qū)域表示處于（），在每一個區(qū)域，可以選擇相鄰兩個矢量來增加或減小磁鏈幅值。例

44、如:當(dāng)磁鏈矢量在且逆時針旋轉(zhuǎn)時，電壓矢量的應(yīng)用可以增大磁鏈幅值，而電壓矢量的應(yīng)用則將減小磁鏈幅值。在實際控制中，根據(jù)磁鏈所在區(qū)域和磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向選擇合適的電壓矢量，就可以控制磁鏈矢量在所需的值上。圖3.3中的虛線所示的圓的半徑即為設(shè)定的磁鏈幅值的大小，其相鄰兩圓的間距為磁鏈冗差。.永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如圖3.7所示。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號、定子三相電流和電壓經(jīng)過三相，二相的坐標變換的、 、 ，通過式（3.9）、（3.10）求得、 ，通過式（3.11）得到電磁轉(zhuǎn)矩，將電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩給定 、定子磁鏈與磁鏈給定 分別在轉(zhuǎn)矩、磁鏈比較器中進行比較，用它們的輸出值控制逆變器的開關(guān)狀

45、態(tài)選擇。3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本原理。首先介紹了電壓空間矢量基本原理，對電壓空間矢量的選擇做了詳細的說明。隨后根據(jù)永磁同步電機的特點，分析了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律。最后介紹了系統(tǒng)的控制策略原理，給出了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。結(jié)束語隨著直接轉(zhuǎn)矩控制控制理論的成熟和永磁材料的發(fā)展，交流永磁同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的性能達到甚至超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，因而成為近年來研究和應(yīng)用的熱點。但是目前國內(nèi)的交流調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品與國外的產(chǎn)品在技術(shù)水平上還有一定的差距，特別是永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，目前國內(nèi)永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的技術(shù)，大都還在研究階段。本文在借鑒國內(nèi)外電氣傳動領(lǐng)域

46、研究的最新成果的基礎(chǔ)上，對于永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)從控制理論和系統(tǒng)實現(xiàn)上進行了深入的分析和研究。希望本論文的研究能夠?qū)ξ覈来磐诫姍C調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的推動作用。本設(shè)計在參考大量的國內(nèi)外文獻基礎(chǔ)之上，首先扼要地回顧了永磁同步電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了與之相關(guān)的永磁材料、電力電子技術(shù)等方面的發(fā)展概況，針對現(xiàn)代交流驅(qū)動與伺服系統(tǒng)發(fā)展的趨勢闡述了研究永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制的意義。然后介紹了永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的數(shù)學(xué)荃礎(chǔ)和建立過程，推導(dǎo)了永磁同步電機在定轉(zhuǎn)子坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程。闡述了永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制的基本理論。緊接著分析了永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制結(jié)構(gòu)中各個組成部分的

47、基本原理，其中包括永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制的定子磁鏈估算，永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制分區(qū)的選擇和開關(guān)表的確定，永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制定子磁鏈幅值的選擇。提出了永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制方案。 本設(shè)計主要完成了以下一些工作：（1）介紹了當(dāng)今交流電機的發(fā)展狀況以及永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，提出采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略原理對永磁同步電機控制的思想。（2）在不同的坐標系中建立了永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出了相互之間的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，詳細闡述了永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的原理，給出了空間電壓矢量原理。探討了在永磁同步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制中選擇空間電壓矢量的兩種不同策略。（3）分析了直接轉(zhuǎn)矩控制中

48、轉(zhuǎn)矩脈動的因素，提出零電壓矢量使用的方法，有效地減小了永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中的轉(zhuǎn)矩脈動。（4）有了理論分析的保證，對控制系統(tǒng)進行了基于DSP的硬件設(shè)計，硬件設(shè)計包括主電路、檢測電路和控制保護電路等，并完成了對硬件系統(tǒng)的調(diào)試。（5）在DSP匯編環(huán)境下編寫了DTC控制的軟件部分，軟件中主要包括了磁鏈轉(zhuǎn)矩計算、扇區(qū)選擇、SVPWM的實現(xiàn)以及故障中斷等各個部分。本設(shè)計進一步研究的工作：由于時間的倉促和條件的限制，有很多的工作還沒有進一步開展，所以將在以下幾個方面是作進一步的研究：（1）對本系統(tǒng)建立實驗平臺，并進行試驗和仿真，根據(jù)仿真來調(diào)節(jié)設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)更優(yōu)控制。（2）對磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測改用模糊控制器或采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，改善系統(tǒng)的觀測精度。（3）改進現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)，己經(jīng)研制開發(fā)的這套系統(tǒng)在速度上己經(jīng)成為新的方法和理論應(yīng)用的瓶頸，必須增強原有系統(tǒng)的計算能力，才能夠作進一步的深化工作。（4）研究永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制的無速度傳感器方式。（5）研究永磁同步電機轉(zhuǎn)矩直接控制的在低速下的性能改替方法。參考文獻1 陳伯時. 運動控制系統(tǒng). 3版. 北京：機械工業(yè)出版社，2003，215-2752 湯天浩. 電機與拖動基礎(chǔ). 1版. 北京：機械工業(yè)出版社，2004，197-2053 李志民，張遇杰. 同步電動機調(diào)速系統(tǒng). 1版. 北京：機械工業(yè)出版社，1996，56-804 馬小亮. 大功率交-