第一章  緒  論 

1.1 永磁同步電機的發(fā)展概況 
早在上世紀八十年代，人們利用永磁材料高矯頑磁力、高磁能積的特點研制出高性能小體積的永磁同步電動機（ Permanent Magnet Synchronous Motor ,簡 稱PMSM），這種電機以損耗低、效率高、靈活、體積小、成本價格較低等優(yōu)勢不但滿足了人們的日常生活需求，而且在電動汽車、軌機車、電梯、家用電器、航海等領域得到了廣泛的應用，可見，其發(fā)展前景頗為良好。近年來，永磁同步電機發(fā)展迅猛，因其高轉矩慣量比、高效性和高能量密度等優(yōu)點，使得永磁同步電機成為當下各行各界關注的一大亮點。我國傳統(tǒng)的永磁電機主要分為兩種，一種是輸入的電流為正弦波，被人們稱為永磁同步電機；另一種是輸入的電流為方波，也就是人們常說的無刷直流電動機。電動機、控制器和功率是電機傳動系統(tǒng)中重要的三大組成部分，同時也是影響電機傳動調速系統(tǒng)的重要因素，按照電流進行分類，調速傳動系統(tǒng)可分為兩大類，一類是直流傳動，另一類是交流傳動，交流傳動又由同步電動機和異步電動機兩大類組成  [1]。近年來，人們對傳統(tǒng)的同步電機不斷的進行創(chuàng)新改革，通過變頻電源，解決了同步電機電網電壓自動啟動和調速的問題，，使同步電機具備了其他兩大電機所不具備的優(yōu)勢，這也是同步電機發(fā)展迅速的原因。 通常情況下永磁同步電機適用于快速、準確、精密位置控制的領域，近年來研究者們致力于直接轉矩控制在同步電機上的應用，這一研究領域目前已經取得了較為長足的進步，而且完成了具有實際操作性的永磁同步電機直接轉矩控制，現(xiàn)在的趨勢是電機要向小型化、高速化發(fā)展。并且通過對直接轉矩控制和矢量控制的原理進行對比，可以很顯然的看出矢量控制在電機控制算法相對于直接轉矩控制算法相當復雜，它需要在矢量控制的原理基礎上進行復雜的矢量旋轉變換，另外，眾所周知電動機的機械常數(shù)往往要比電磁常數(shù)較低，因此運轉過程中對于矢量控制中的轉矩不能及時快速的做出反應。但是如果尋求簡化控制過程中的環(huán)節(jié)，就可以解決對于轉矩反應跟不上的問題。因此比矢量控制出現(xiàn)的更晚的直接轉矩控制選擇摒棄矢量控制思想中的解耦控制環(huán)節(jié)和電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向這一更加簡便高效的方法，這一方法從根本上解決了矢量控制中不能及時快速響應轉矩的問題，也是直接轉矩控制在思想上和矢量控制最大的不同之處。而這一方法的工作原理是運用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉矩起調節(jié)作用。這一方式極大的簡化了矢量控制的運轉環(huán)節(jié)和操作流程，極大的提高了響應轉矩的速度，具有明顯的比較優(yōu)勢。
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1.2 永磁同步電機的控制策略
磁通的控制方式被稱為是變壓變頻控制(Variable Voltage Variable Frequency，簡稱 VVVF)。為了使變頻調速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所提高，只有永磁體為插入式或者是內裝式的永磁同步電機才可以適用于該控制策略。永磁同步電機通過改變電源電壓和頻率之比來控制磁通的這種控制方式與感應異步電動機是類似的，在基頻以上和基頻以下這兩種情況時，我們分別采取恒功率調速和恒轉矩調速。為了實現(xiàn)恒功率調速，則要求在升高轉速的同時使轉矩降低；要想實現(xiàn)恒轉矩調速，則需要同時控制電源電壓和頻率，且必須是按比例保持 fu / 的幅值不變，即磁通恒定。 1971 年,德國西門子公司的 F.Blaschke 提出矢量控制理論(Field  Oriented  Control, FOC)，這一理論的提出標志著不同于變壓變頻控制的一種新控制算法的誕生，在電機控制理論發(fā)展歷史上具有里程碑式的意義，這一理論第一次把一種全新的完全不同于變頻變壓控制的方法展現(xiàn)在世人面前，讓第三次工業(yè)革命的眾多豐碩成果衍生和轉化為實際科學技術變成觸手可及的現(xiàn)實，對于當代科技發(fā)展具有重大的推進作用。也正因為此，人們在航空航天領域、機械工程領域、道路交通領域等關乎全人類發(fā)展進步的科技領域內看到了如何使本領域內的發(fā)展速度提高、使操作變得更高效、更簡潔的方法。隨后，又由德國的 F.Blaschke 等人初次提出了交流電機從理論到實際的矢量控制（Vector Control，簡稱 VC），這一控制方法伴隨著電子電力技術、航空航天技術、船舶制造技術、微電子技術、永磁材料和新型點擊控制技術上的應用，發(fā)展變得更加突飛猛進，其中最重要的是在永磁同步電機上的運用，永磁同步電機在高性能機床進給控制、位置控制、機器人、航天科技、船舶生產等領域的實際運用在這一控制技術的運用后變得更加便捷高效，生產效率有效提升。最重要的是因為這一技術而引發(fā)的連鎖反應導致人們對其他各領域，尤其是和機械生產相關聯(lián)的領域中產生了進一步的提高性能和效率的要求。眾所周知，如果永磁同步電機的控制方式在性能上具有更高的氣隙磁密、更小的轉矩脈動、更大的轉矩慣量比、更高的效率，那么是不是生產效率會更高，而現(xiàn)實是人們正是這么要求的，矢量控制技術出現(xiàn)后一經在永磁同步電動機上運用，這些完全符合人們想象的優(yōu)良的性能立即顯現(xiàn)出來。 
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第二章  永磁同步電機的數(shù)學模型

早在上世紀八十年代，人們利用永磁材料高矯頑磁力、高磁能積的特點研制出高性能、小體積的永磁同步電動機，這種電機以損耗低、效率高、靈活、體積小、成本價格較低等優(yōu)勢不但滿足了人們的日常生活需求，而且在電動汽車、軌機車、電梯、家用電器、航海等領域得到了廣泛的應用，可見，其發(fā)展前景頗為良好。近年來，永磁同步電機發(fā)展迅猛，因其高轉矩慣量比、高效性和高能量密度等優(yōu)點，使得永磁同步電機成為當下各行各界關注的一大亮點。隨著科技發(fā)展的日新月異，永磁同步電機控制技術也精益求精，根據(jù)科技發(fā)展的需要，永磁同步電機的控制技術也被要求更加簡便快捷。為了使永磁同步電機控制策略更加簡便快捷，我們應該從永磁同步電機的內部結構入手，詳細解構、分析各坐標軸系下的電機數(shù)學模型，以此來尋找更好的突破點。所以本章節(jié)要對電機結構進行簡單介紹，并對電機不同坐標系下相應的數(shù)學模型進行分析,為后續(xù)章節(jié)的進一步研究分析奠定了理論基礎。 

2.1 永磁同步電機的基本結構 
轉子、定子構成了永磁同步電機的兩大主要組成部分。電機的定子，主要是由導電三相繞組、導磁定子鐵芯、端蓋以及機座四部分組成，結構形式較為簡單，其結構與普通感應電機是基本一致的，在工作中，定子勻速旋轉在空間中產生磁場，定子的頻率是正弦波從而決定了磁場的旋轉速度，定子與轉子之間通過電能相互作用產生互動作用，最后通過轉子所受到的外力使轉子自身產生作用，再作用于定子。即定子將接受到的外力使電能轉換為旋轉磁場，而定子通過旋轉磁場與轉子相互產生作用力，轉子在作用力的驅使下開始旋轉，并且產生新的作用力，即將電能成功的轉換為機械能。永磁同步電機的轉子結構與其定子結構相比較而言，要復雜的多，位置也要復雜的多，永磁體和轉軸以及導磁扼構成了永磁同步電機轉子結構的主要組成部分。轉軸上套著圓形的導磁扼，導磁扼上附著著永磁體。永磁體體積的大小是由永磁材料決定的，兩者存在著密切的關聯(lián)，具有良好性能的永磁體材料，其用量則會大大減少，同時永磁體的體積也隨之減小，且兩者是成正比關系的，因此，所產生的轉子磁路就會變得更加輕巧、靈敏，這便使得永磁材料在人們的日常生活中得到越來越廣泛的應用。 
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2.2 永磁同步電機的數(shù)學模型 
本文在文章的第一小節(jié)中簡單的闡述了一下永磁同步電機最重要的組成部分——定子的結構構造，同時也闡述了與另一個重要組成部分——轉子在結構構造上的緊密聯(lián)系，從而為進一步深入的研究分析永磁同步電機，并在分析研究的基礎上建立永磁同步電機的數(shù)學模型奠定理論基礎。三相永磁同步電機作為有多個輸入、強耦合性的非線性系統(tǒng)，能在三相靜止坐標軸系、兩相靜止坐標軸系、兩相旋轉坐標軸系以及定向坐標軸系下建立數(shù)學模型。針對永磁同步電動機磁路不對稱的情況， qd 坐標系更便于分析研究，從而消除由于微分方程中有周期性變化量而導致復雜計算這一弊端。由上述研究分析可知，在qd  坐標軸系下建立的數(shù)學模型是我們在研究分析時最長用的永磁同步電機數(shù)學研究模型。同時更加重要的是上述幾種在坐標軸系下的數(shù)學模型可以在坐標變換后推演得到。因此，文章將根據(jù)后續(xù)研究內容的需要，將詳細介紹永磁同步電機在 qd 坐標軸系下的數(shù)學模型。 
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第三章 永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)仿真 ..... 17 
3.1 永磁同步電機的逆變器模型及電壓矢量 .... 17 
3.2 永磁同步電機直接轉矩控制的仿真模型 .... 22 
3.3 永磁同步電機傳統(tǒng)直接轉矩控制的仿真結果 .... 33 
3.4 本章小節(jié) ........ 38 
第四章 基于電流預測的無差拍直接轉矩控制 ..... 39 
4.1 無差拍直接轉矩控制理論介紹 .... 39 
4.2 無差拍直接轉矩控制的仿真實現(xiàn) ......... 43
4.3 無差拍直接轉矩控制的仿真結果 ......... 51 
4.4 本章小節(jié) ......... 53 
第五章無差拍直接轉矩控制的參數(shù)敏感性分析以及初步解決方案 ........... 55 
5.1 電機運行在不匹配定子電阻的轉矩響應比較 ..... 55 
5.2 電機運行在不匹配的dqL 下的轉矩響應 ....... 56 
5.3 電機運行在不匹配的永磁體磁鏈情況下的轉矩響應 ......... 57 
5.4 解決方案 ......... 58 
5.4.1 加 PI 控制器解決電阻誤差 .... 58 
5.4.2 加 PI 控制器解決dqL 誤差 ...... 61 
5.5 本章小節(jié) ......... 63 

第五章無差拍直接轉矩控制的參數(shù)敏感性分析以及初步解決方案 

本文在利用無差拍直接轉矩控制時，控制器在計算電壓值時會涉及到較多的電機參數(shù)，這些都是假定電機是理想模型的基礎上。但在實際生產中，電機的參數(shù)往往隨著溫度、濕度、轉速的變化而變化，高性能的電機控制都需要匹配較精確的電機參數(shù)，因此矢量控制中如定子電阻、轉子磁鏈、電感的敏感性分析則顯得尤為重要，所以本章將會探討當電機實際運行參數(shù)與控制器中的電機參數(shù)不同時，對電機轉矩的影響，以此來提高電機控制的性能。 

5.1 電機運行在不匹配定子電阻的轉矩響應比較           

在本部分中，仿真文件的控制器部分將會保持使用電機額定參數(shù)，電機部分將會使電機電阻從 0.3? 到 0.65? 之間變化，并觀察仿真結果。電機的轉矩響應如下圖所示（轉速 3000rpm）：從上圖可以看出，隨著電阻的增大，電機的輸出轉矩在逐漸的減小。這個仿真還可以以同樣的方法在轉速為 200rpm 的時候重新測取一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如下圖所示： 針對上述問題，本文提出了一種常見的解決方案，在轉矩環(huán)的外側加 PI 控制器。其實加了 PI 控制器并不是從根本上解決了參數(shù)不準的問題，因為我們既沒有動態(tài)的測試電機參數(shù)和在控制器中更換參數(shù)，而是通過轉矩誤差引起的轉速誤差，由 PI 控制器判定轉速誤差后給電機發(fā)送新的轉矩參考而達到糾正轉矩誤差的問題。例如，要求電機轉速穩(wěn)定在 3000rpm，并且電機帶 7N.m 的負載。但是，由于電機參數(shù)因環(huán)境影響會出現(xiàn)小范圍波動的問題，當電機的參考轉矩為 7N.m 時，其實際輸出要比 7N.m 偏大或者偏小，這時候電機表現(xiàn)出來的運行狀態(tài)就是轉速上升或者下降，當 PI 控制器發(fā)現(xiàn)轉速上升或者下降時，將會給電機一個新的轉矩參考從而使電機最終的輸出轉矩達到額定轉矩，這個新的轉矩參考可能不是 7N.m，但是電機最終的穩(wěn)態(tài)輸出卻是 7N.m。 

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總結

隨著具有高剩磁密度、高磁能積等特點的釹鐵硼永磁材料和電力電子器件的不斷發(fā)展，永磁同步電機以其轉速平穩(wěn)、動態(tài)響應快、高效性、高轉矩慣量比、結構簡單等一系列優(yōu)點而得到了諸多關注，在國防、航空航天以及工業(yè)機器人中得到廣泛應用。研究永磁同步電機的高性能控制方法，具有重要的理論和應用價值。 直接轉矩控制是上世紀80年代發(fā)展起來的一種高性能交流調速方法，它具有模型簡單、控制直接、計算量小、動態(tài)響應快的特點，一直以來深受研究人員的重視，在異步電機、同步電機的控制中都獲得了廣泛的應用。 本文針對永磁同步電機直接轉矩控制技術的相關研究內容已介紹完畢，現(xiàn)將上述所研究的內容進行匯總，在歸納總結的同時，找出一些論文疏漏、不足的地方，以便于在今后的研究工作當中進一步對此系統(tǒng)進行完善。 主要工作、創(chuàng)新點匯總如下： 
（1）簡單介紹了永磁同步電機的發(fā)展概況，傳統(tǒng)直接轉矩研究現(xiàn)狀和無差拍直接轉矩的控制理論及其領域的相關研究成果，了解了一些控制策略,并引出本論文的研究問題。 
（2）闡述了永磁同步電機的種類、結構和工作原理,然后，介紹了基本的坐標系，通過不同坐標軸系之間的變換,建立了 qd坐標系軸下的電機數(shù)學模型。 
（3）介紹了永磁同步電機的直接轉矩控制策略，并詳細敘述了每個模塊的設計和整體的實現(xiàn)，不僅說明了傳統(tǒng)直接轉矩控制所具有的優(yōu)勢，同時也發(fā)現(xiàn)了其存在的轉矩脈動較大和開關頻率無法固定等一系列問題。 
（4）為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，本文引入了一種基于電流預測的無差拍直接轉矩控制系統(tǒng)改進策略。該方法有效的削弱了輸出的轉矩脈動，穩(wěn)定了開關頻率，實現(xiàn)了實時、精確控制，沒有任何延遲。 
（5）本文在利用無差拍直接轉矩控制時，電機參數(shù)會隨著工作環(huán)境的變化而變化，出現(xiàn)電機參數(shù)和控制器參數(shù)不匹配的情況，比較這兩種情況，總結一下控制規(guī)律，來提高電機的控制性能。針對上述參數(shù)不匹配的問題，在轉矩環(huán)的外側加一個 PI控制器，用速度控制補償由于參數(shù)變化造成的轉矩變化的問題，從而在不增加參數(shù)辨識計算量的前提下，實現(xiàn)了快速而準確的轉矩跟蹤。  
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參考文獻(略)

本文編號：106388