（控制理论与控制工程专业论文）永磁同步电机直接转矩控制策略的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 永磁同步电机具有结构简单、功率因数高、效率高、转动惯量小等优点，所 以采用永磁同步电机的交流伺服系统成为伺服控制系统的发展趋势。 直接转矩控制在异步电机中的应用已经相当成功。然而，直接转矩控制在永 磁同步电机中的应用才是在最近几年被提出，还有许多基本理论问题需要澄清， 并且该策略还有待改进以提高永磁同步电机的转矩控制性能。 直接转矩控制和矢量控制是当前永磁同步电机的两种高性能控制策略。为了 能更加清楚地认识和了解矢量控制和直接转矩控制在永磁同步电机转矩控制性能 上的差异及其内在联系，本文在分析永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的原 理与特点的基础上，搭建了这两种控制策略的仿真模型，并进行了大量的仿真研 究。仿真结果验证，直接转矩控制的动态响应比矢量控制更加迅速，但存在较大 的转矩脉动和磁链脉动。进一步指出直接转矩控制较矢量控制转矩脉动大的实质 在于：直接转矩控制中可供选择的电压空间矢量只有八个离散的基本电压空间矢 量，并且在每个控制周期定子绕组只能得到唯一电压空间矢量的作用。 为了减少常规直接转矩控制的转矩和磁链脉动，将空间矢量调制技术与直接 转矩控制策略相结合，构造了一种基于空间矢量调制技术的直接转矩控制方案， 称之为s v m d t c 方案。该方案从驱使转矩和定子磁链误差为零的原则出发确 定出参考电压空间矢量，然后利用s v m 技术合成该矢量，从而实现了电压空间 矢量的连续调节，有效地减少了转矩和磁链的脉动。仿真结果证明了该控制方案 的正确性和有效性。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；矢量控制；s v m d t c 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 a b s t r a c t p e m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r( p m s m )i sw e l l k n o w na ss u c h a d v a n t a g e s ：t h es i m p l ys t r u c t u r e ，h i g hp o w e rf a c t o r h i g he m c i e n c y ，1 0 wi n e r t i aa n d s oo n a cs e r v os y s t e m sw h i c hu s ep m s ma sp o w e ru n i t sw i l lb et h et r e n d t h ed i r e c tt 0 r q u ec o n t r o l ( d t c ) s t r a t e g yh a sa c h i e v e dg r e a ts u c c e s si nt h e c o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r h o w e v e r ，t h ed t cd r i v eo fp m s mw a sp r o p o s e do n l ya f e wy e a r sa g o ，t h e r ea r em a n yb a s i ct h e o r e t i c a lp r o b l e m st h a tm u s tb ec l a r i f i e d ，a n d t h es t r a t e g yc a nb em o d i f i e dt oi m p r o v eo nt h et o r q u ec o n t r o lp e r f o r m a n c e sf o r p m s m d i r e c t i o r q u ec o n t r o l ( d t c ) a n dv e c t o rc o n t r o l ( v c ) a r ew i d e l yu s e da st w o h i 曲p e r f o m a n c ec o n t r o ls t r a t e g i e sf o rp m s m t bc a t c ht h ed i f f e r e n c eo fs y s t e m p e r f o r m a n c eb e t w e e nv ca n dd t cf o rt o r q u ec o n t r o lo fp m s m ，b o t hp r i n c i p l e sa r e a n a l y z e da n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t i n gm o d e l so ft h e s et w o s c h e m e sa r eb u i l t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w ：d t ch a sb e t t e rt o r q u ed y n a m i c p e r f o r m a n c et h a nv c ，b u td t cs u f f e rf r o mh i g hr i p p l e so ft o r q u ea n ds t a t o rf l u x 1 i n k a g e t h e nt h ec o n c l u s i o ni sd e c l a r e d ：t h ee s s e n t i a lw h i c hc a u s e st h er i p p l e so f t o r q u ea n ds t a t o rn u xl i n k a g ei nd t c i st h a tt h e r ea r eo n l ye l e c t i v e l ye i g h td i s c r e t e s p a c ev 0 1 t a g ev e c t o ra n dt h eo n l yo n es p a c ev o l t a g ev e c t o ri sa p p l i e di ne a c h s a m p l i n gp e r i o d i no r d e rt or e d u c et h er i p p l eo ft o r q u ea n ds t a t o rf l u xl i n k a g ei nc o n v e n t i o n a l d t c ，t h es p a c ev b c t o rm o d u l a t o n g ( s v m ) i sc o m b i n e dw i t hd t ca n dan o v e ld i r e c t t o r q u ec o n t r o ls c h e m eo fp m s mw h i c hi sc a l l e dp m s ms v m - d t ci sp r o p o s e d a i m i n ga te l i m i n a t i n gt h ee r r o ro ft o r q u e a n ds t a t o rn u x1 i n k a g ec o m p l e t e ly ， a r e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o ri sc o n s t r u c t e d t h er e f i e r e n c ev o l t a g ev e c t o ri st h e nr e a l i z e d u s i n gav o t a g ev e c t o rm o d u l a t o r t h es c h e m ec a nr e a l i z ec o n t i n u o u sv 0 1 t a g ev e c t o r m o d u l a t i o na n dd e c r e a s et h e r i p p l e o ft o r q u ea n dn u xl i n k a g et h i ss c h e m ei s v a l i d a t e db ys i m u l a t i n gr e s u l t so fp m s md t c s v ms y s t e m k e y w o r d s ： p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；d i r e c tt 0 r q u ec o n t r o l ；、，e c t o r c o n t r o l ；s v m d t c n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：乏u 叫缉 qvil 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：实b 导师签名： 日期；1 锵占月，2 日 日期。卿6 月，岁日 硕士学位论文 第1 章绪论 伺服控制系统是数控机床、工业机器人等高性能机电一体化产品的重要组成 部分，也是构成工厂自动化不可缺少的基本单元。电动机在伺服系统中作为把电 能转换为机械能的主要设备，对其要求主要包括：一是要使电动机具有较高的机 电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度 【l 】。电机的控制性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接 的决定性作用。电机的高性能控制技术是实现高性能伺服控制系统的核心技术， 也是先进制造技术最具代表性的标志之一。 随着交流电机控制技术的不断发展，以交流电机为执行电动机的交流伺服系 统具有可与直流伺服系统相比的性能，而且能够发挥交流电机的优势，现代伺服 驱动控制也逐渐朝着交流电机驱动控制的方向发展。永磁同步电机具有结构简 单、功率因数高、效率高、转动惯量小等优点，所以采用永磁同步电机的交流伺 服系统成为伺服控制系统的发展趋势。因此永磁同步电机及其高性能控制策略的 研究已成为当前的研究热点。本章主要对永磁同步电机的特点及其控制策略进行 综述，重点介绍永磁同步电机直接转矩控制策略的研究现状。 1 1 永磁同步电机的特点 作为交流伺服系统的执行机构，交流伺服电机应尽可能体积小，重量轻，力 矩大，并以准确、快速的动作完成指令要求的任务。所以，交流伺服电机应具备 以下基本条件【2 】： 体积小，重量轻，大转矩输出； 低惯性，以适应速度指令或位置指令的快速变化； 良好的控制性能，以及发电制动功能； 宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变能在宽 广的范围内连续调节； 转矩脉动小。 常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机( i n d u c t i o nm o t o r ，简写为i m ) 和永磁同步电机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简写为p m s m ) 两种【引。 异步电机转子结构简单、可靠，在工业中被大量应用，但功率因数低、效率 也受影响；电励磁同步电机转子结构较复杂，但功率因数高、效率也高。如果用 永磁体励磁代替电励磁绕组构成永磁同步电机，则可兼顾两者的优点。 永磁同步电机的定子结构与普通感应电机相同，由三相绕组及铁芯构成，且 电枢绕组通常按星形连接。永磁同步电机与电励磁同步电机的最主要的区别在于 转子磁路结构，用永磁体代替普通同步电机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 滑环及电刷。 永磁同步电机转子所采用的永磁材料主要有铁氧体、钕铁硼、稀土钻等【3 1 。 永磁材料对电机的结构和性能有很大影响。初期生产的永磁同步电机转子以铁氧 体材料居多，考虑到永磁材料性能、价格以及电动机应用等诸多方面的要求，目 前则以采用稀土永磁材料较为普遍。我国钕铁硼资源非常丰富，随着制造工艺的 不断进步，性能的逐步提高，价格逐渐下降，钕铁硼永磁材料在永磁同步电机中 的应用也会越来越广泛。 就永磁同步电机的控制形式来分，通常可分为方波电流控制型和正弦波电流 控制型两种。前者多被称为无刷直流电机( ( b l d c m ) ，后者多被称为永磁同步电 机( p m s m ) 4 j 。本文所研究的正是正弦波永磁同步电机的控制问题。 下面对一般永磁同步电机的特点归纳如下【3 儿5 】： l 、转矩纹波小，转速平稳，动态响应快速准确，过载能力强。同步电机比异步 电机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力，能做出比较快的反应。同步 电机的负载转矩变化时，只要电机的功角做适当变化，而转速始终维持在原 来的同步转速不变，转动部分的惯性不会影响电机对转矩的快速响应。永磁 同步电机的最大转矩可以达到额定转矩的3 倍以上，对电机系统在负载转矩 变化较大的工况下稳定运行非常有利。 2 、高功率因数、高效率。永磁同步电机与异步电机相比，可以不需要无功励磁 电流，以致显著提高功率因数，减少定子电流和定子铜耗，而且在稳定运行 时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从 而减小甚至省去了相应的风摩损耗。这样，它的效率比同规格的异步电机可 以提高2 8 个百分点。与电励磁同步电机相比，永磁同步电机省去了励磁功 率，提高了效率。而且，永磁同步电机在2 5 1 2 0 额定负载范围内均可以 保持较高的功率因数和效率，使轻载运行时节能效果更为显著，在长期的使 用中可以大幅度地节省电能【6 】【7 】。 3 、体积小、重量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机 的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电机来，体积和重量都有较大 的减少，从而使其在许多特殊场合中都得到了应用。 4 、结构多样化，应用范围广。永磁同步电机由于转子结构极其多样，产生了特 点和性能各异的许许多多的品种，从工业到农业、从民用到国防、从日常生 活到航空航天、从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。 5 、可靠性高。与直流电机和电励磁同步电机相比，它没有电刷，简化了结构， 增加了可靠性。 综上所述，永磁同步电机具有结构简单、功率因数高、效率高、动态响应 快、运行平稳、过载能力强等优点，因此永磁交流伺服系统在数控机床、机器 2 硕士学位论文 人、柔性制造系统、汽车电子、办公自动化等高科技领域占据了日益重要的地 位。 1 2 永磁同步电机的控制策略 永磁同步电机的控制策略对永磁伺服系统的性能影响很大。与其它交流电机 的控制方法相同，永磁同步电机的控制策略主要有：调压调频控制( v v v f ) 、转 子磁场定向矢量控制( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，即f o c ，也称v e c t o rc o n t r 0 1 ) 和 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，即d t c ) 【8 】。下面简单介绍各控制策略的思 想和特点。 1 2 1v v v f 控制 v v v f 的控制变量是电机的外部变量，即电压和频率【8 】。控制系统将参考电 压和频率输入到实现v v v f 的调制器中，由逆变器产生一个交变的正弦波电压 施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。逆变器调制一 般采用p w m 方式。 v v v f 控制以结构简单的优势而被广泛应用于工业生产，它以标量控制和保 持压频比恒定而著称。v v v f 控制系统的结构非常简单，通常无需从电机端部引 出速度、位置等反馈信号。由于没有引入反馈信号，无法即时观测电机状态，不 能精确控制转速和电磁转矩，仅适于风机、水泵等无需精确控制的场合【9 】。 1 2 2 磁场定向矢量控制 1 9 7 1 年，德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出了矢量控制理论【9 】【1 0 1 ，使交流 电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制最初是针对异步电动机的，之后该方法 被应用于p m s m 的控制当中。这种控制策略目前已经全面发展并在工业上被认 为是成熟的技术，已有一些公司研制出p m s m 矢量控制伺服系统并被应用于工 业生产。 p m s m 矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链等矢量经坐 标变换变到以转子磁链定向的两相参考坐标系中，定子电流矢量被分解为相互正 交的两个分量：一个与磁链同方向，代表定子电流的励磁分量；一个与磁链方向 正交，代表定子电流的转矩分量。维持定子电流的励磁分量不变，控制转矩分 量，这就相当于直流电机中维持励磁电流不变，而通过控制电枢电流来控制电机 的转矩一样【2 】【10 1 ，进而实现对速度的控制，能使系统具有良好的动态特性。 矢量控制中电磁转矩不是直接控制的，而是通过对定子电流的控制而间接 实现对转矩的控制。 磁场定向矢量控制的优点是具有良好的转矩响应，精确的速度控制。但 是，矢量控制系统需要转子磁链定向，要进行坐标变换，运算量很大，而且还要 考虑电机转子参数变化的影响，使得系统比较复杂，这是矢量控制存在的不足之 处【2 1 。 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 1 2 3 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授和日本学者i t a k a h a s h i 提出了直 接转矩控制理论【1 1 1 。通过定子磁链定向，实现对定子磁链和转矩的直接控制， 而不是以定子电流为控制目标。具体实现方法为：观测磁链和转矩的实际值与参 考值之间的误差，通过滞环比较器的输出及定子磁链空间矢量的位置确定控制信 号，从一个离线计算的开关表中选择合适的定子电压空间矢量，进而控制逆变器 功率器件的开关状态。 1 9 9 5 年a b b 公司第一次报道d t c 在异步电机中的工业应用哺j ，之后d t c 理论及应用的发展异常迅速。很多学者开始了直接转矩控制在p m s m 中的应用 研究。 直接转矩控制不需要复杂的矢量坐标变换，对电机模型进行简化处理，没 有p w m 信号发生器，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得极佳的 动态响应速度。与矢量控制相比较，d t c 对电机参数的变化具有更好的鲁棒 性。 直接转矩控制也存在着一些不足：逆变器开关频率不固定；转矩、电流波 动大；实现数字化控制需要很高的采样频率等【2 j 。 以上几种控制策略各有优缺点，它们的调速性能比较如表1 1 所示【2 1 。 表1 1 几种控制策略的调速性能比较 控制策略 调速范围调速精度低速特性响应速度 调压调频 窄( 1 ：1 0 )低差较慢 矢量控制较宽( 1 ：2 0 2 0 0 )较高较好( 连续)较快 直接转矩控制较窄( 1 ：15 1o o )较高较差( 脉动)快 1 3 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究现状 直接转矩控制和采用解耦控制思想的矢量控制不同，它是一种瞬时转差控制 方案，具有不同于矢量控制的全新的优点：快速的动态响应，对参数的依赖小， 控制结构简单。因此一提出就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良 的动静态性能而受到普遍关注并被大量研究，力图转化为实际应用，近年来更是 得到了快速的发展。但是由于该控制方法理论的不完备性和对计算机处理速度的 要求，直到1 9 9 5 年瑞典a b b 公司第一台采用直接转矩控制方案的异步电机高 档变频器才得以面世【i 2 | 。 目前在德国，直接转矩控制技术已成功应用于兆瓦级的电力机车牵引上。日 本研制成功的1 5 k w 直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达2 k h z ， 使电机从+ 5 0 0 一5 0 0 转分的反转时间只有4 m s 。在电气传动领域中，这几项指 标均居目前世界最高纪录。当前，德国、同本、美国等都在竞相发展该项技术 【1 2 】。人们将直接转矩控制技术看成是下一代交流电机的最优秀的控制策略。 4 硕士学位论文 尽管直接转矩控制在异步电机上获得了如此重大的成功应用，该项技术应用 于同步电机上却是若干年之后的事了。这其中的困难主要是因为同步电机和异步 电机运行的机理不同。异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的 理论基础之上的，而同步电机从宏观上来讲不存在异步电机拥有的转差角频率。 因此，直接转矩控制技术应用于同步电机中首先需要解决其控制的理论问题。 多年来一直希望有突破性的工作来打开同步电机直接转矩控制的局面。 c h r i sf r e n c h1 1 3 j 等人在1 9 9 6 年提出的转矩控制方案中采用转矩控制器取代电流 控制器，但这也不是真正的对转矩进行直接控制，因为还是使用了电流环，电流 环的时间常数限制了电机快速性的提高，所以无法体现出直接转矩控制系统快速 性的优点和精华。 1 9 9 7 年南京航空航天大学与澳大利亚新南威尔士大学合作，l z h o n g 、 m f r a h m a n 和胡育文等人率先把直接转矩控制与永磁同步电机结合起来，提出 了基于永磁同步电机的直接转矩控制理论【1 4 1 ，实现了永磁同步电机直接转矩控 制方案，并且成功地拓展到了弱磁恒功率范围，取得了一系列成果，为同步电机 直接转矩控制开创了新的篇章。 常规的d t c 方案其实质是一种b a n g b a n g 控制方法：针对定子磁链幅值 和转矩偏差以及磁链的空间位置，在一个控制周期内，选择和发出单一电压空间 矢量，这个电压空间矢量要同时控制磁链和转矩的误差方向，而忽略了转矩和磁 链误差的大小，从而造成转矩和磁链脉动。为进一步提高永磁同步电机直接转矩 控制系统的性能，在过去l o 年众多学者提出了许多改进的直接转矩控制方案。 这些改进的直接转矩控制方案基本按照如下研究方向进行： ( 1 ) 改善低速性能。常规直接转矩控制中，定子磁链一般采用u i 模型： 虮= l ( “，一足f ，) 出，当电机运行在中、高速时，若忽略定子电阻足，控制结果仍 ， 具有很高的精度；但速度愈低，定子电压降落于定子电阻上的分量相对愈来愈 大。此时忽略r 。或认为它是常数，磁链幅角、幅值和真实值偏差会越来越大， 这是因为磁链的估算为开环积分型，一旦有误差，则无法衰减，只能依次叠加， 就会严重影响系统性能。因此，如何准确检测尺。的实时变化一直是改善系统低 速性能的首要问题。文献【15 采用模糊控制和p i 控制分别对定子电阻进行观 测。文献 1 6 采用最小二乘法来估计定子电阻。 ( 2 ) 基于离散空间电压矢量调制技术的d t c 方案【1 7 】。常规直接转矩控制在一 个采样周期只能选择一个电压矢量，但若将一个采样周期分为几个时间段，尽管 每个时间段内仍只能选择一个开关电压矢量，却可以在一个周期内组合成多个不 同的电压矢量，这就扩大了对电压矢量的选择范围，增大了选择合适电压矢量的 机会，从而能够更加精确地控制转矩和磁链。但是该策略还是以开关选择表为基 础，所能提供输出的电压矢量还是非常有限。关于该方案的应用研究如文献 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 【1 8 1 9 】。 ( 3 ) 预期电压矢量控制的d t c 方案【i7 1 ，即连续空间电压矢量调制的d t c 方 案。该方案根据上一个采样周期磁链和转矩的偏差来确定下一个采样周期内所期 望的电压矢量，而这个电压矢量是可以由两个相邻非零基本电压矢量和零电压矢 量线性组合而成的，并以它逼近期望电压矢量为目标来确定这三个基本电压矢量 各自的作用时间，由此来构成下一个采样周期预期的电压矢量。预期电压矢量控 制的d t c 方案是多样的，参见相关文献 2 0 2 3 】。 ( 4 ) 无速度传感器直接转矩控制。直接转矩控制系统中，为了提高系统的控制 性能，应采用速度闭环控制，因此需要检测电机的转速。传统的电机检测装置多 采用测速发电机或光电编码器，而这些速度传感器的安装、维护、非线性和低速 性能，特别是测量的精确性直接影响了直接转矩控制的效果。无传感器技术是目 前交流传动的一大发展方向，实现无速度传感器可以使系统的成本降低、可靠性 高，且适用于一些特殊的应用场合。文献 2 4 2 6 阐述了几种无速度传感器直接 转矩控制方案。 ( 5 ) 先进控制算法在p m s md t c 系统中的应用。随着现代控制理论的发展， 一些先进的控制算法开始应用于p m s md t c 系统。主要有模糊控制算法和预测 控制算法【2 7 1 。在文献 2 8 中，用模糊控制器取代了常规d t c 方案中的磁链、转 矩滞环控制器和开关电压矢量选择单元。直接以磁链误差、转矩误差和定子磁链 角度作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出为六个运动矢量。仿真和实验结 果表明该系统的动态响应和稳态响应均比常规d t c 系统有明显改善。预测控制 在p m s md t c 中的应用，主要是基于转矩脉动来考虑的。文献 2 9 提出了采用 预测一直接转矩控制算法，基本思想是，根据同步电机的动态方程，对将来的电 磁转矩进行预测，然后根据电磁转矩的预测值，确定逆变器的开关信号。 现在d t c 已经成为广泛接受的除矢量控制之外的高性能交流电机控制策 略，然而到目前为止d t c 在异步电机上的工业应用已经实现，还没有p m s m d t c 工业应用的报道出现。 直接转矩控制在永磁同步电机控制上的应用研究还未完善，在有些方面还是 空白。对于永磁同步电机直接转矩控制需要进一步研究和急需解决的热点问题如 下【3 0 】： ( 1 ) 对于基于精确动态数学模型的直接转矩控制策略，如何提高控制系统对 参数变化的鲁棒性是需要解决的关键问题之一。 ( 2 ) 如何进一步提高无速度( 位置) 传感器直接转矩控制系统的性能，是当今的 研究热点问题。 ( 3 ) 永磁同步电机直接转矩控制系统的数字化问题，以及与之相关的连续数 学模型的精确离散化问题，也是需要解决的关键问题之一。 6 硕士学位论文 ( 4 ) 基于精确离散化数学模型的新型控制策略和新型开关策略的研究，是永 磁同步电机直接转矩控制策略的发展方向之一。 ( 5 ) 永磁同步电机直接转矩控制系统的稳定性问题。 1 4 本文的研究目标 本文研究目标之一是：通过p m s m 的v c 和d t c 两种控制策略的比较研 究，澄清对两种控制策略认识上的模糊不清问题，找到它们共同的理论基础和内 在联系，探求两种控制策略的性能存在差异的实质。 本文研究目标之二是：将s v m 技术与d t c 策略相结合，构造一种新型 p m s ms v m d t c 系统，通过仿真结果证明该控制方案的可行性及正确性。 1 5 本文的主要内容 本文论述了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理；建立了永磁同步电机直 接转矩控制系统的仿真模型；对d t c 和与v c 在p m s m 转矩控制中的应用作了 比较研究；构造了一种新型的p m s ms v m d t c 系统，并且对该系统做了大量 的仿真研究。本论文共有六章，主要内容简述如下： 第l 章为绪论部分：主要对永磁同步电机的特点及其控制策略进行综述，重 点介绍永磁同步电机直接转矩控制策略的研究现状，最后介绍了论文的安排情 况。 第2 章简单介绍了永磁同步电机的结构，建立了永磁同步电机的数学模型及 其等效电路。 第3 章论述了永磁同步电机直接转矩控制的基本原理，永磁同步电机常规直 接转矩控制系统的实现方案，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下搭建了该系统的仿真 模型。 第4 章对d t c 和v c 在p m s m 转矩控制中的应用作了比较研究。通过深入 剖析两种控制策略的基本原理，找到了它们共同的理论基础及其内在联系，弄清 楚了两者控制性能存在差距的本质原因。通过仿真结果的比较分析，表明了两种 控制策略各自的优缺点。 第5 章针对常规d t c 系统转矩脉动大的特点，将s v m 技术与d t c 策略相结 合，提出了一种s v m d t c 控制方案。s v m 技术可以根据转矩和磁链控制的需 要提供除逆变器固有的八个基本空间电压矢量之外更为精确的连续空间电压矢 量，进而实现更精确的转矩及磁链的控制。仿真证明了该方案的正确性和可行 性。 本文结尾对全文工作做了全面的总结，并指出了有待继续深入研究的一些问 题。 7 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 2 1 引言 第2 章永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机是由电励磁同步电机发展而来的，它用永磁体代替了电励磁系 统，从而省去了励磁绕组、集电环和电刷，而定子与电励磁同步电机基本相同， 故称为永磁同步电机。 矢量控制和直接转矩控制是永磁同步电机的两种高性能控制策略，为了能够 更加透彻地理解这两种控制策略的原理，本章在对永磁同步电机的结构作简单介 绍的基础上，建立了永磁同步电机在不同空间坐标系下的数学模型。 2 2 永磁同步电机的结构 2 2 1 永磁同步电机的总体结构 永磁同步电机由定子、转子和端盖等部件构成。定子铁心与普通感应电动机 基本相同，也采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子铁心可以做成实心 的，也可以做成叠片叠压而成。电枢绕组既有采用整距绕组的，也有采用分布短 距绕组和非常规绕组的。一般来说，矩形波永磁同步电动机通常采用集中绕组， 而正弦波永磁同步电动机更常采用分布短距绕组。在一些正弦波电流控制永磁同 步电动机中，为了减小绕组产生的磁动势空间谐波，使之更接近正弦分布以提高 电动机的有关性能，采用了一些非常规绕组，比如正弦绕组，可大大减小电动机 转矩纹波，提高电动机运行平稳性。为减小电动机杂散损耗，定子绕组通常采用 星型接法。 2 2 2 永磁同步电机的转子磁路结构 永磁同步电机的定子与普通感应电动机基本相同，而转子结构却是多种多样 的。转子磁路结构不同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也 不同。永磁同步电动机的转子结构就定、转子的内外关系来看，可分为外转子结 构和内转子结构，本文只讨论内转子结构。就内转子结构而言，按照永磁体充磁 方向，转子结构可分为径向式、切向式和轴向式；而按照永磁体在转子上的位置 的不同，可分为表面式、内置式和爪极式p 。由于爪极式结构只用于低性能的 永磁同步电动机，故本文也不予讨论。下面，就永磁同步电机表面式和内置式转 子结构做详细分析。 2 2 2 1 表面式转子磁路结构 在表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，位于转子铁心的外表面 硕+ 学位论文 上，提供磁通的方向为径向。永磁体外表面与定子铁心内圆之间一般套以起保护 作用的非磁性圆筒，或在磁极表面包以无纬玻璃丝带作保护层。 该结构又可分为凸出式和插入式两种【3 】，如图2 1 所示。对于采用稀土永磁 材料的电机来说，由于永磁材料的相对可逆磁导率接近1 所以表面凸出式转子在 电磁性能上属于隐极结构；而表面插入式转子由于相邻两磁极之间有磁导率很大 的铁磁材料，所以在电磁性能上属于凸极转子结构，该结构因转子表面无法安放 起动绕组，无异步起动能力，不能用于异步起动永磁同步电动机。 表面外贴式转子结构由于它具有结构简单、制造成本低、转动惯量小等优 点，因此在矩形波永磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动 机中得到了广泛应用。此外，表面外贴式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设 计，使之成为能使电机气隙磁密波形趋近于j 下弦波的磁极形状，可显著提高电机 乃至整个传动系统的性能。 表面插入式转子结构这种结构可充分利用转子磁路的不对称性所产生的磁阻 转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较外贴式有所改善，制造工艺也较简 单，常被某些调速永磁同步电动机所采用。但漏磁系数和制造成本都较外贴式 大。总的来讲，其转子表面无起动绕组，不能自起动，需用变频器进行供电，所 以在调速控制系统中应用较多。 22 ( 旬凸出式( b ) 插入式 图2 1 表面式转子磁路结构 卜永磁体2 一转子铁心3 一转轴 2 2 2 2 内置式转子磁路结构 该结构的永磁体位于转子内部，永磁体表面与定子铁心内圆之间有铁磁材料 制成的极靴，极靴中可以放置铜条笼或铸铝笼，起到阻尼或起动作用，动、稳态 性能好，广泛用于要求有自起动能力或动态性能高的永磁同步电动机。在该结构 中，永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称所产生的磁阻转矩也有助 于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁扩速。 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的关系，内置式转子磁路结构又可以分为 9 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 径向式、切向式两种。 径向式结构：如图2 2 所示，该结构的优点是漏磁系数小、转轴上不需采取 隔磁措施、极弧系数易于控制、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变 形等。 切向式结构【3 】：如图2 3 所示，该结构的漏磁系数较大，制造工艺和成本较 径向式有所增加。其优点是一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可得到 更大的每极磁通。尤其当电机极数较多、径向式结构不能提供足够的每极磁通 时，这种结构的优势就显得更为突出。此外，采用该结构的永磁同步电动机的磁 阻转矩可占到总电磁转矩4 0 ，对提高电机的功率密度和扩展恒功率运行范围都 是很有利的。 i l 图2 2 内置径向式转子磁路结构 卜转轴2 一空气隔磁槽3 一永磁体4 一转子导条 3 2 3 2 图2 3 内置切向式转子磁路结构 卜转轴2 一永磁体 3 一转子导条 内置式转子结构的电动机结构复杂，并且磁路不对称，交轴同步电抗比直轴 l o 4 3 4 2 3 硕十学位论文 同步电抗大得多，这种结构可提高电动机的磁阻转矩和同步牵入能力，因此设计 高过载倍数的电动机时可充分利用凸极率所产生的磁阻转矩。 2 3 永磁同步电机的物理模型 根据前面介绍的永磁同步电机的结构，建立一台二极面装式p m s m 的物理 模型如图2 4 所示。图2 4 中，标出了定子每相绕组中电流的正方向，定子三相 对称绕组的轴线a 、b 和c 在空间位置固定，正向电流流经一相绕组产生的正 弦磁动势波的轴线即为相绕组的轴线。将a 轴作为a b c 轴系的空间参考坐标， 并假定感应电动势的正方向与电流的正方向相反( 电动机原则) ，取逆时针方向 为转速和电磁转矩的正方向，负载转矩的正方向则与此相反，则永磁体以角速度 q 在旋转。沙，为永磁体的磁链，f ，为定子三相电流的合成的空间电流矢量。 图2 4 二极面装式p m s m 的物理模型 2 4 永磁同步电机的数学模型 在建立永磁同步电机数学模型之前，先做如下假设1 0 】【1 7 】： ( 1 ) 定子绕组星形连接，绕组电流为对称的三相正弦波电流； ( 2 ) 定子磁场呈正弦分布，不考虑谐波饱和； ( 3 ) 忽略电机涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 转子没有阻尼绕组。 2 4 1 定子电压和磁链方程 在a b c 坐标系中，定义定子电流空间矢量为 一_ = ( + 口+ 口2 f c ) ( 2 1 ) 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 2 石 其中口= p 了，同理定义定子电压空间矢量虿，永磁体的磁链空间矢量 瓦= 沙r ，b 为万在a b c 坐标系中的相位角，于是在a b c 坐标系中表示的定 子电压矢量方程为 虿= 足云+ 丘等+ 丢( 盼 ( 2 2 ) 式中，足为定子相电阻，厶为等效同步电感。 永磁同步电机内的气隙不一定是均匀的。由于永磁体内的磁导率接近于空 气，对于面装式转子结构而言，可以近似认为气隙是均匀的，而对于插入式和内 装式转子结构，气隙是不均匀的。这样式( 2 2 ) 中的同步电感。就不是常值，会 给问题的分析带来很大的困难。为此，常采用双轴理论来研究同步电机问题，对 于永磁同步电机也是如此。此时取永磁体基波励磁磁场轴线( 磁极轴线) 为d 轴 ( 直轴) ，顺着转子旋转方向超前d 轴9 0 。为g 轴( 交轴) ，d g 轴系以电角速度 q 随同转子一道旋转，它的空间坐标以d 轴与a 轴之间的夹角岔来确定， d e = q 出，由此建立了随转子同步旋转的d g 坐标系，于是可将图2 4 进一步 表示为图2 5 的形式【1 7 】。 图2 5d g 旋转坐标 也可将d g 轴系看成在空间旋转的复平面，取d 轴为实轴，g 轴为虚轴。 同样用d g 轴上的两个定子绕组来代替三相定子绕组，为满足功率不变原 则，d g 轴上的定子绕组的有效匝数应为原三相绕组每相匝数的3 2 倍， d 口轴系绕组内各物理量的正方向与原定子三相绕组的规定相同。 同时定义定子静止坐标系口轴系的a 轴与a 轴重合，p 轴超前0 【轴9 0 。 硕士学位论文 x 一少坐标系是由定子磁链定向的旋转坐标系，定子磁链瓦的方向为z 轴的正方 向。本文定义x 轴与d 轴的夹角屯为转矩角，工轴超前d 轴时转矩角为正。在忽 略定子电阻的情况下，转矩角即为我们熟知的功角。 永磁同步电机中磁链和电流的矢量关系如图2 6 所示 3 2 】。 图2 6p m s m 的天量圈 通过变换因子p 一以将a b c 轴系电压方程式( 2 2 ) ，变换为以d g 轴系坐标分 量表示的电压方程，可得 = 足+ p 一q ( 2 3 ) = b + p + q ( 2 4 ) 式中：，为定子电压矢量虿的直轴d 和交轴g 的分量；p 为微分算子；毛， 分别为定子电流的d 轴和g 轴分量：，分别为定子磁链的d 轴和g 轴分 量；缉= ，l p 为转子的电角速度；，z ，为电动机的极对数；为转子的机械角速 度。 d g 轴系的磁链方程为 v d = l d i d + l ；，f v q2l q i q ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：厶= 厶盯+ ；乞= t ，+ 。这里k 是d g 绕组的漏感，易和k 以及 厶和k 分别是d g 轴系定子绕组的自感和励磁电感。吩为转子永磁体在定子 上的耦合磁链； v s = v d + j v q 网= 届可 将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 带入式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 得： u d2r s i d + l d p i d + p v f 一r l q i 姆 u q = r s q + l q p i q 七l d i d + 妒f ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 = 层 三= 姜：善 亿 ，、 擀 c o s 伊 c o s ( 酿一争 酬p + 争 一s i n 见 删p 一争 删p 等) 2 4 2 转矩方程 电磁转矩的矢量表达式为【1 7 】 1 一一 互= 丢咋虬t 若以d g 轴系表示，则有 瓦= l ，d + j i ；，o 20 + ，2 9 将式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 带入式( 2 1 3 ) ，得 乃= 知( 岛一屯) 把磁链方程代入电磁转矩方程有： z = 扣 吩p ( 厶一u 训 由图1 可得： 纠a n _ l ( 咖) = t a n - l ( 羔) s i n 屯= i 瓦 c 。s 屯= l 瓦 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 硕士学位论文 将转于足l 司明d g 坐标糸甲的物理量燹抉剑足于磁链定向的石j ，坐标系 中，可利用变换公式【1 2 】： 盖列吲 亿2 ， 其中f 可代表电压、电流和磁链的空间矢量。 磁链瓦在x y 轴上表示为： 针 瓮列阱 盖列心1 2 鼢：乞慧乏糍i ：篙墟h 麓 ( 2 2 2 ，i ( 厶一厶) s i n 屯c o s 氏厶c o s 2 氏+ 厶s i n 2 屯l 7is i n 屯r 7 因为定子磁链按工轴定向，所以有虬= 防f ，= o ，代入上式得 ：丝型d 磐娑当盥 ( 2 2 3 )1 ( 厶一厶) s i n2 嗔。 、7 2 瓦【2 吩厶s i n 如一i 瓦i ( 厶一厶) s i i l 2 氏】 ( 2 “) 利用式( 2 2 1 ) 将屯，以，f ，表示后分别代入式( 2 16 ) ，得电磁转矩在x 少轴 系上的表达式为： 乃= 号 ( s i n 屯+ c 。s 屯) 一( c 。s 屯一s i n 瓯) = 吾，z pi 瓦k ( 2 2 5 ) 将式( 2 2 4 ) 代入( 2 2 5 ) 得电机的转矩表达式： 乃2 主防l 2 吩厶s i n 屯一i 瓦f ( 厶一厶) s i n 2 瓯】 ( 2 2 6 ) 由永磁同步电机的电磁转矩表达式( 2 2 6 ) 可知，电磁转矩可分为两部分， 前一部分为电机的励磁转矩，它由交轴电枢反应产生；后一部分为电机凸极效应 产生的磁阻转矩【1 7 】。 对于具有面装式转子结构的永磁同步电机，厶= 三。= 三，磁阻转矩分量为 o ，得转矩表达式为： z = 乏l 瓦l 吩s i n 瞑所= 艺i 瓦1 s i n ( 毛t + 屯。) ( 2 2 7 ) 式中，蔗。为定子磁链相对于转子磁链旋转角速度，即蘸。= 哆，氏。是瓦相对于 的初始角，屯f 为转矩角的变化量，对式( 2 2 7 ) 两边求导，得电机转矩在t = o 时刻的增长率为： 1 5 永磁同步电机直接转矩控制策略的研究 鲁l f = o = 釜l 瓦i 吩瓦c o s 屯 ( 2 2 8 ) 当保持定子磁链幅值l 、i ，i 恒定时，转矩角在一9 0 。9 0 。( 电机稳定工作区，此 时电动状态工