（电力电子与电力传动专业论文）正弦波永磁同步电动机直接转矩控制性能改善研究.pdf

a b s t r a c t s i n u s o i d a lp 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 ( p m s m ) h a st h e a d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c y , e n e r g ys a v i n g ，h i g hp o w e rd e n s i t ya n d p o w e rf a c t o r , w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h e a r e ao fi n d u s t r i a lc o n t r o l ， t r a n s p o r t a t i o n a v i a t i o n , a e r o s p a c ea n de t c t h em o s tc o n t r o ls t r a t e ：g i 嚣o f t h ep m s md r i v es y s t e m si n c l u d ev e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o l 。 a n dt h el a t t e rb e c o m e st h er e s e a r c hf o c u sr e c e n t l yb e c a u s eo fi t ss i m p l e s t r u c t u r e , c l e a rc o n c e p ta n df a s tr e s p o n s e r e s e a r c h e so nt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mo f p e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o rh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r t h et o r q u er i p p l eo f t h e m o t o ri ss e r i o u sa tl o ws p e e d , a n da ni m p r o v e ds t r a t e g yw a sp r o p o s e dt o r e d u c ei t f i r s t l yt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c ha r e s h o w e d , a n dt h e nt h er e c e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o ls y s t e mo fp 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 ra r es u m m a r i z e d ， t h es p e c i a le f f e c to ft h ez e r ov o l t a g ev e c t o ro nt h em o t o rt o r q u ei s a n a l y z e d b a s e do ni tam e t h o do f d i r e c tt o r q u ec o n t r o lu s i n gf u z z yl o g i c h a sb e e np r o p o s e d , w h i c hi sb a s e do nt o r q u ep r e d i c t i o n w h e nt h es t a t o r f l u xl i n k a g ev e c t o ri sa tt h ed i f f e r e n tp o s i t i o no fp i 3s e c t o r , t h es a m e v o l t a g ev e c t o rh a st h eo b v i o u s l yd i f f e r e n te f f e c to nm o t o rt o r q u ea n d s t a t o rf l u x a ni m p r o v e df u z z yc o n t r o lr u l et a b l eh a sb e e np r o p o s e d b y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o no ft h ec o n v e n t i o n a lf u z z yd i r e c tt o r q u ec o n t r o l s y s t e ma n dt h ep r o p o s e dc o n t r o ls y s t e m ，t h ec o n c l u s i o nh a sb e e np r o v e d d e e pr e s e a r c ho nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go fd i g i t a la c d r i v e c o n t r o ls y s t e mi sc a r d e do u t t h ea cd r i v ec o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n p l a t f o r mo fp 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 h a sb e e nb u i l d ，w h i c h i sb a s e dt e m p o r a ll o g i cc o n t r 0 1 ，n l ep l a t f o r mh a st h es a m et e m p o r a ll o g i c a st h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e m b yi m p l e m e n t i n gt h es t r a t e g yo fs p a c e v o l t a g em o d u l a t i o nd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e l i n g a n ds i m u l a t i n gm e t h o dh a sb e e nv a l i d a t e d a ne x p e r i m e n t a lt o o li s s u p p l i e df o rf o r w a r d r e s e a r c h k e y w o r d s ：p m s m ，d t c ，f u z z yc o n t r o l ，t o r q u ep r e d i c t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：一三象丛瘁日期：型旱啦月4 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：避导师签名雅日期：2 今月乒日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 本课题来源于交流技术国家工程研究中心与中南大学共建现代交流调速实 验室建设项目，并得到中国北方车辆集团项目资助。该课题面向现代交流传动控 制领域，进行深入的理论研究和工程实践。课题主要针对轨道牵引交流感应电动 机( a ci n d u c t i o nm o t o r ) 和正弦波永磁同步电动机( s i n u s o i d a lp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ) 交流传动控制系统的变频调速方法及其存在的问题进行探 讨、改进和创新，使现代交流传动控制系统更好地服务于交通运输、工业控制和 民用设施等应用场合。 随着世晃能源危机的凸现，人们开始意识到提高能源利用率以节约能源的重 要性和发展趋势，正弦波永磁同步电动机以其优异的节能性能正在被广泛关注 1 1 , 2 | 。相比于感应电动机，正弦波永磁同步电动机主要有以下几方面的优点f 3 1 ： ( 1 ) 效率高，节能效果明显。由于转子为永磁体，具有相对较小的定子电 流和定子铜耗，并且永磁同步电机在稳态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。通常，它的效率比同规格的感应电动机可 以提高6 l o 个百分点。与电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机省去了励磁 功率，提高了效率，使得控制更为方便。而且，永磁同步电动机在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。 ( 2 ) 电机电磁转矩纹波系数小，运行转速平稳，动态响应快速，过载能力 强。同步电动机比感应电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力。感应电 动机负载转矩发生变化时，要求电机的转差也跟随变化，即电机的转速发生相应 的变化，但是系统转动部分的转动惯量阻碍电机转速的相应变化，从而降低了电 机响应频率。永磁同步电动机的负载转矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改 变，而转速维持在原来的同步速不变，转动部分的转动惯量对电机转矩的快速响 应影响很小。永磁同步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使 得永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的工况下运行。 ( 3 ) 体积小、惯性小，功率密度大。近年来随着高性能永磁材料的不断应 用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的感应电动机来，体 积和重量都有较大的减少，使其适用于如电动汽车和航空航天等场合。 ( 4 ) 功率因数高，电网运行特性好。由于不需要无功励磁电流，电机系统 的功率因数可以达到很高。电机运行时在电机和电网之间流动的无功电流很小， 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 可以减小由无功电流带来的不利影响，如设备容量增加，电路损耗加大等。 1 1 1 正弦波永磁同步电动机简介 交流同步电机主要有以下四种类型【4 】； ( 1 ) 转予直流励磁同步电机 转子直流励磁同步电机是交流同步电机最常见的类型。转子直流励磁电流可 由电力电子装置通过集电环和电刷送到绕组中。 ( 2 ) 永磁同步电机 永磁同步电机的转子为永磁铁，最初的永磁材料为天然磁铁矿石，其磁能密 度很低，后来逐渐被先进的材料替代，如碳钢、铁氧体等。目前，稀土永磁材料 如稀土钴和钕铁硼等，由于具有高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲 线等优异磁性能而被广泛应用于永磁电机的制造。 ( 3 ) 磁阻同步电机 磁阻同步电机是由反应式同步电机发展而来的。定转子采用双凸结构，转子 上没有绕组。定子为集中绕组，比感应电机更简单、坚固。目前已有开关磁阻电 机调速系统的系列产品。 ( 4 ) 直线同步电机 直线同步电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、不需要任何中间转 换机构的传动装置。直线同步电机具有高速、大推力的特点，适合在军事、交通 运输、工业生产输送线等领域做各种横向或垂直运动的电气传动。 其中，永磁同步电机按反电势波形和供电电流波形不同分为两类：反电势波 形和供电电流波形为矩形波的同步电机称为无刷直流电动机；反电势波形和供电 电流波形为正弦波的同步电机称为正弦波永磁同步电动机( p m s m ) ，通常简称 为永磁同步电动机，本文研究对象为后者。 对于p m s m 的研究和开发是和永磁材料的发展密切相关的。直到稀土永磁 材料的出现和发展，永磁电机的研究和开发进入了一个高速发展的时期。对稀土 永磁电机研究和开发大致可以分为3 个阶段1 5 1 ： ( 1 ) 2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代，电机永磁体制造材料为稀土钻。由于 这种电机价格昂贵，重点应用在航空航天设备和要求高性能而价格不是影响因素 的高科技领域； ( 2 ) 1 9 8 3 年日本住友特殊金属公司和美国通用汽车公司分别研制成功第三 代稀土永磁材料钕铁硼，在世界上引起轰动。钕铁硼是一种高性能的永磁材料， 室温下剩余磁感应强度可高达1 4 7 t ，矫顽力可高达1 2 4 k o e ，最大磁能积可高 达6 0 m g o e ，是目前磁性能最好的永磁材料。由于钕在稀土中的含量是钐的十 几倍，铁、硼的价格便宜，而且不含战略物资钴，因此钕铁硼的价格比稀土钻便 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 宜得多。自从问世以来，钕铁硼在工业和民用的永磁电机中迅速得推广应用，对 永磁电机的研究和开发的重点也转到了工业制造和民用设备上。稀土永磁的优异 磁性能，加上电力电子器件和微控制器的性能迅速提升，使许多传统的电励磁电 机均被稀土永磁电机代替，系统控制性能也得到了显著提升。 ( 3 ) 9 0 年代以后，随着对永磁材料研究的深入，其性能得到不断提高和完 善。特别是钕铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的降低，对稀土 永磁同步电机的研究和开发逐渐成为电气传动领域的研究热点。 目前，永磁同步电动机的应用领域非常广泛，例如军事、航空航天领域；电 梯、数控机床、机器人控制领域；交通运输如轨道电力牵引、电动汽车等；家用 电器如空调、电冰箱等。 1 1 2 p m s m 调速控制 同步电机的转速是由定子电流频率严格决定的 栉：盟( 1 1 )栉= l - l ， 其中，弗为同步转速，厂为定子电流频率，一。为电机极对数。在固定频率的 电源供电情况下，同步电机将按定子旋转磁场的旋转速度做恒速运行。传统同步 电动机的转子绕组采用直流激磁，在同步电机恒速运行时，调节转子激磁电流即 可调节同步电机的功率因数，功率因数可超前也可滞后，还可以等于1 。故传统 同步电机只用于拖动恒速负载及改善功率因数的场合。 从矢量合成的角度看，交流电机的运行可以看成是定子磁链拖着转子磁链向 前旋转。当电机运行时，定子磁链矢量和转子磁链矢量之间存在一定的夹角，其 大小由电机所带负载大小决定。由于转子永磁磁链的存在，在恒定电源频率下， 同步电机存在起动困难、运行过程中易发生失步和振荡的问题，很难进行调速控 制。 随着生产工艺要求的增加和制造技术的进步，电气传动系统广泛采用了调速 技术。直流电机的机械特性硬、调速性能好且调速方便，因而在需要调速的场合 一度占据着统治地位，但是由于存在机械换向等缺陷，使其在单机大容量、高过 载能力、低转动惯量及系统维护等方面受到限制，不能满足生产机械大功率、高 可靠性、低故障率等要求。 现代电力电子技术的发展和微型计算机普及为现代交流调速技术的发展铺 平了道路。交流传动分为感应电机传动和同步电机传动。相对直流电机的调压调 速，交流电机的调速大多是通过调节电源频率来实现的，即变频调速。 1 1 3p m s m 变频调速的支撑技术 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p m s m 变频调速的支撑技术主要包括现代电力电子技术、微控制器技术和 现代控制理论的发展和应用。 电力电子技术是现代工程应用中电功率和其他功率进行转换的基础技术，是 现代交流变频调速的核心技术之一。现代电力电子技术发展的标志是电力电子功 率开关器件的更新换代和p w m 技术的完善。电力电子功率开关器件的发展为交 流调速奠定了物质基础。随着功率晶体管( g t r ) 、门极关断晶闸管( g t o ) 、功 率m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、集成门极换向晶闸管( i g c t ) 和电子注入增强栅晶体管 ( i e g t ) 等一系列电力电子器件的问世，电力电子器件正在向大功率化、高频 化、模块化、智能化发展。8 0 年代以后出现的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) ，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，既减少了 体积、减轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护都更加方便，是功率器件的重 要发展方向。p w m 控制技术是交流调速系统的核心，任何控制算法的最终实现 几乎都是以各种p w m 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种，关于p w m 控制技术的文章在很多著名的电力电子国际 会议上，如p e s c ，i e c o n ，e p e 年会上已形成专题。从最初追求电压波形的正 弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最小，再到消 除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和完善的过程。 全数字化是交流传动控制系统的发展方向，清华大学李永东教授交流电机 数字控制系统中专门探讨了交流传动控制系统全数字化的若干问题。相对传统 的模拟控制，数字控制具有许多优点【6 】：精心设计的电路能显著降低控制器硬件 成本；改善系统的可靠性；不存在温漂问题；不同的电机控制系统可以具有相同 的硬件电路而只需修改相应软件；可以完成复杂的运算和控制如坐标变换、故障 监控及报警等。微控制器是全数字化交流传动控制系统的核心，其运算速度和精 度直接影响了控制系统的性能。目前，微控制器已由最初的8 位发展到了现在的 3 2 位，运算能力大大增强。特别是高性能数字信号处理器( d s p ) 的出现，使交 流传动控制系统的数字化进入了全新的发展时期。高性能d s p 如t i 公司的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，不仅具有高速数据处理能力，还在片上集成了电机控制所 需的外设，如a d 、p w m 和正交编码脉冲输入( q e p ) 模块等。同时，控制芯 片厂商还提供了电机控制的范例程序，使电机控制系统的设计和实现变得十分方 便。 随着微控制器的数据处理速度提高，许多先进控制算法开始应用于交流传动 控制系统。主要包括： 自适应控制【竹，是现代控制理论的重要组成部分。当被控对象参数随工作点 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 不断且明显变化时，或者受到大幅度干扰时，控制器应具备自适应的能力，自动 校正其自身的设计参数以保证控制系统的性能不变。传统的反馈控制不能满足此 要求，而自适应控制通过增加一个自适应机构，根据给定的期望值与实际值之间 的偏差，修正控制器参数或产生附加控制信号，保证系统性能。在磁场定向解耦 控制中，通过自适应控制或校正技术将能够正确决定磁场的位置和大小，保证磁 场与转矩的解耦控制。 智能控制【8 州q ，包括模糊控制、人工神经网络控制和神经网络一模糊控制等。 在直接转矩控制中，模糊控制主要应用于代替滞环控制细化磁链和转矩偏差以及 在转速控制环内代替常规p i d 控制。人工神经网络有着简单的输入一输出非线性 映射特性，可以直接产生一维或多维函数，辨识交流电机参数；作为p w m 逆变 器的优化控制，通过预先计算的开关角训练神经网络使其能够产生给定调制比下 整个波形的开关角，有选择地消除输出波形中某些谐波；也可以把神经网络训练 成功率电子学系统的在线或离线故障诊断器。神经网络一模糊控制对于交流电机 参数辨识一般是将辨识问题作为优化问题来处理，将其应用于直接转矩控制系 统，不仅能够实现磁通与转矩的解耦，而且电压空间矢量的计算也简单得多。对 于永磁同步电动机，神经网络一模糊控制可以用来在线修 e p i 控制器的参数。 滑模变结构控n t l l 】，通过不连续控制，强迫变结构系统的运动朝向状态空间 的某个特定区域( 滑动流形) 并保持下去。对于非线性不确定性系统，采用滑模变 结构控制可能使跟踪误差最小化，并使复杂过程与系统控制的工程实现相对简 单。变结构控制主要应用于转矩和磁通控制器，也可以进行速度辨识构成无速度 传感器控制系统。 非线性解耦控制【l 孙，采用基于微分几何的精确反馈线性化方法，即使在磁 场变化的情况下系统暂态响应也是解耦的，有利于改善具有非线性特征的电气传 动系统的性能。 。 1 2p m s m 变频调速技术综述 随着电机控制理论的发展，国内外专家学者针对不同的应用场合提出了各种 控制策略应用于永磁同步电动机控制，来提高控制系统的运行性能，使其具有更 快的响应速度和更宽的调速范围。 同步电机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：一类为他控式变频调 速；另一类为自控式变频调速。他控式变频调速系统中所用变频装置的输出频率 直接由外部给定信号决定，由于存在同步电机的失步、振荡等问题，所以在实际 的调速场合很少使用。同步电机变频调速系统一般采用自控式调速运行，定子的 频率是由转子位置或磁场位置决定的，并跟随转子的旋转自动变化，故自控式变 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 频调速不存在失步问题。常用的永磁同步电动机控制策略有v f 恒值控制、磁场 定向控制和直接转矩控制。 1 v f = c o n s t 控制 v f = c o n s t 控制是基于电动机稳态模型的控制策略，其控制变量为电机的外 部变量，即电压和频率。控制系统将速度给定信号输入到实现、作= c o n s t 的控 制器中，由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行 在给定的转速下。逆变器脉冲宽度调制( p w m ) 可以有多种不同的实现方式，如电 压正弦、电流正弦和空间矢量调匍j ( s v p w m ) 等。 与感应电机v f = c o n s t 控制不同，为了满足p m s m 自控式变频调速对转子 位置的要求，通常对p m s m 的v f = c o n s t 控制采用无传感器开环控制【1 3 , 1 4 1 控 制系统框图如图1 1 所示。 图卜1p m s m 的v f t c o n s t 控制系统框图 这种控制方法无需从电机端部引入任何速度、位置或电压、电流反馈信号， 使得控制系统易于实现且价格低廉。由于系统中不引入速度、位置或其它任何反 馈信号，致使无法精确控制电磁转矩。又由于仅使用一个调节器同时实现对电压 和磁链的控制，无法兼顾定子电压、频率和转矩转速的耦合关系，使电机的响应 变慢。这种驱动系统仅适用于风机、水泵之类无需精确控制的场合。 2 磁场定向控制( f i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 ) 图卜2 磁场定向控制系统框图 磁场定向是以电机的某一磁链轴线为取向，建立电机模型的坐标系，电机的 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电压、电流、磁链等矢量都在该坐标系中分解、合成和控制。 f o c 也称为矢量控制( v c ) ，是建立在电机统一理论基础上的。布朗在交流 电机派克方程的基础上提出电机统一理论，从理论上证明了交流电机和直流电机 的同一性。1 9 7 1 年德国西门子公司e b l a s c h k e 等发表的论文感应电机磁场定 向的控制原理和美国e c c u s t m a n 与a a c l a r k 申请的专利感应电机定子电 压的坐标变换控制，经过各国学者和工程师的研究、实践和完善，形成了目前 广泛应用的交流电机磁场定向控制。系统框图如图1 2 所示。 其特点是：通过坐标变换理论，把交流电机在按磁场定向的同步旋转坐标系 上等效为直流电机，从而模仿直流电机进行控制，使交流电机调速性能达到并超 过传统直流调速系统。 1 9 7 2 年德国西门子公司学者b a y e r 提出了同步电机磁场定向控制原理。同步 电机磁场定向控制采用励磁电流调节补偿电枢反应，保持c o s p = 1 控制，但这种 同步电机磁场定向控制系统存在动态过程磁链和转矩不解耦的缺陷。这种缺陷可 以通过阻尼绕组改善，阻尼绕组可以抵消动态过程的电枢反应，加快定子电流响 应，维持磁链恒定，产生异步转矩来抑制负载角振荡，提高同步电机的过载能力。 永磁同步电动机用途不同，电流矢量控制策略也各不相同。主要的控制策略 有：= 0 控制、c o s q = l 控制、恒磁链控制、最大转矩电流比控制等。不同的 控制方法具有不同的优缺点，如= 0 控制最简单，c o s 伊= 1 控制可降低与之匹 配的逆变器容量，恒磁链控制可增大电动机的最大输出转矩。 ( 1 ) 乞= 0 摧t o = 0 控制，从电动机端口看，相当于一台他励直流电动机，定子电流中只 有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩中 只有永磁转矩分量，而不包含磁阻转矩。按转子磁链定向并使= 0 的正弦波永 磁同步电机调速系统定子电流与转子永磁磁通解耦，电机的输出转矩与定子电流 的幅值成正比，其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩控制性能好，可以 获得很宽的调速范围，适用于高性能的数控机床、机器人等场合。 缺点是电机运行的功率因数较低，电机和逆变器的容量不能充分利用。 ( 2 ) c o s 9 = 1 控制 c o s p = 1 控制方法是控制交、直轴电流分量，保持p m s m 的功率因数恒为l 的控制方法。在c o s q ，= 1 条件下，电机的电磁转矩随电流的增加呈现先增加后减 小的变化趋势。 由于功率因数恒为l ，则可以充分利用逆变器的容量。不足之处在于能够输 出的最大转矩较小。 ( 3 ) 恒磁链控制 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 p m s m 按气隙磁链定向控制，由定子电流的磁场分量产生助磁分量来维持励 磁电流恒定电机气隙磁链在运行过程中始终保持恒定，且等于永磁磁链。 电机功率因数较高，电压基本保持不变，转矩线性可控，但需要较大的助磁 定子电流分量。 ( 4 ) 最大转矩，电流比控制 最大转矩电流控制也称为单位电流输出最大转矩的控制( 最优转矩控制) ， 它是凸极永磁同步电机用的较多的一种电流控制策略。在这种控制方式下，当输 出转矩一定时，逆变器输出电流最小，可以减小电机的铜耗。 3 直接转矩控制( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) 矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法， 实现了对交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。应用矢量控制的交流调速系 统动、静态性能达到了直流调速系统的性能。然而，在实际应用中，由于转子磁 链难于准确观测、系统运行特性受电动机参数的影响很大，加之需要复杂的矢量 旋转变换，使得实际的控制效果难于达到理论分析的结果。 直接转矩控制是继矢量控制之后又一高性能交流调速控制技术。1 9 8 5 年德国 鲁尔大学m d e p e n b r o c k 教授提出了直接自控制( d i r e c t s e l f - c o n t r 0 1 ) ，随后日本 学者i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，发展成为目前广泛研究的直接转矩 控制( d t c ) 技术。 直接转矩控制不同于磁场定向控制，不需要复杂的旋转坐标变换，在两相静 止坐标系上控制转矩和磁链，采用砰砰控制以获得快速的转矩响应。它在很大 程度上解决了矢量控制中复杂的坐标变换计算问题，控制系统受参数影响小，具 有很好的鲁棒性。总的来讲，主要有以下优点【1 5 ) ： ( 1 ) 直接在定子坐标系下分析交流电机的数学模型、控制电机的磁链和转 矩，而不需要将交流电机等效为直流电机来控制。由此省掉了矢量旋转变换等复 杂的变换与计算而使控制器的运算时间大大缩短，所用的控制信号使观察者对交 流电机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 ( 2 ) 对于定子磁链的估算，只要知道定子电阻就可以观测出来，大大减小 了系统控制性能受电机参数变化的影响。 ( 3 ) 采用空间矢量的概念来分析三相交流电机的数学模型和控制其各物理 量，直接控制电机转矩。因此，它并非像电流滞环控制那样极力获得理想的正弦 电流波形，也不像空间电压矢量调制那样专门强调磁链完全理想圆形轨迹，而是 从控制转矩的角度出发，强调转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态 和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 ( 4 ) 对转矩进行直接控制，主要是通过转矩两点式调节器把转矩的测量值 s 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 或估计值) 与给定值进行滞环比较，由滞环调节器的给定容差大小来控制转矩 的波动范围。如果是通过测量获得电动机的电磁转矩，则实际控制效果只取决于 转矩的实际状况，而与电动机的数学模型的简化程度无关。对电动机的控制既直 接又简化。 综上所述，对于p m s m 的各种调速方法，各自均有优缺点。根据实际工况 的要求，分别应用于不同的调速控制场合。 1 3p m s m 直接转矩控制的研究现状 对于直接转矩控制理论的研究最早是基于感应电动机的 1 6 , 1 7 1 。目前，对于感 应电动机的直接转矩控制技术己趋于成熟，瑞士a b b 公司已将直接转矩控制技 术应用于普通变频器调速系统中 1 9 9 6 年由c 蝴和p a c a 棚c y 引入到永磁同步电动机控制系统中i l 叼，并由l z h o n g 、m f r a l m a n 和胡育文等人进行了完掣1 9 1 ，构成了p m s m 直接转矩控制的 基本理论。 近年来，电力电子功率开关器件开关频率的提高、高速数字信号处理器运算 速度的加快和先进控制理论特别是智能控制在运动控制领域的应用，给交流电力 传动控制带来了前所未有的发展前景。 目前国内外在p m s m 直接转矩控制技术的研究较多1 2 0 , 2 ”，综合起来主要集 中在以下几个方向： ( 1 ) 寻求更为准确的定子磁链估计方法。如为了消除积分漂移，使用低通 滤波器( l p f ) 替换纯积分器【捌；针对改进型积分器的磁链幅值和最佳限幅值不 恒定提出的基于改进型积分器的永磁同步电机直接转矩控制嘲；为了改进定子 电阻受集肤效应和温度变化的影响，使用p i 控制器校正定子电阻改变1 2 4 】；利用 真正定子电流和参考定子电流之差来跟踪定子电阻的变化嘲；基于单位磁链最 大转矩( m t p f ) 为目标，估计定子磁链给定值 2 6 1 ；在电流模型下，将估计的定 子磁链和测量的定子电流进行标量相乘，通过观测此乘积可以监控定子磁链估计 中的误差 2 7 】；基于模型参考自适应的永磁同步电动机直接转矩控制定子磁链观 测方法【2 8 】等。 ( 2 ) 实现无速度传感器控制。与感应电动机直接转矩控制不同，p m s m 直 接转矩控制需要检测转子永磁磁链的初始位置。故实现p m s m 直接转矩控制的 无速度传感器运行包括起动时对永磁磁链初始位置的估计和运行中对电机转速 的估计两个方面。对于永磁磁链初始位置的估计，一种办法是采用高频( 3 0 0 h z ) 定子电流的幅值和转子角位置的关系来实现，磁极方向由定子电流的饱和效应确 划2 9 】；另一种方法是旋加正交脉冲电压获得永磁磁链的初始位置【州。对于电机 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 转速估计的文献较多，最早提出的是基于反电势观测的办法，这种策略在电机高 速运行时能较好地工作，但低速和接近零速时无法正常工作【3 i j ；为改善这种不 足，通过转子位置估计获得速度信掣3 2 j 3 】；基于状态空间方程的观测器方法【划； 基于转子磁链观测的速度估计策略【3 5 】等。 ( 3 ) 空间电压矢量调制技术的应用。将转矩偏差和磁链偏差经p i 积分器得 到参考电压矢量，采用s v m 技术输出开关状态信号【3 6 j 7 】：采用定子磁链定向控 制，s v m 用来产生定子磁链的增型3 8 1 ；基于磁链误差矢量补偿的直接转矩控制 ( e f v c - d t c ) 3 9 1 ；文献【帅】余绍的空间矢量调制方法仍然保持转矩和磁链的滞 环调节器，只是使用s v m 技术细分扇区和电压矢量，获得了较好的效果 ( 4 ) 先进控制算法的应用。主要是模糊控制和预测控制的应用，如采用模 糊控制器代替常规的滞环控制器，对输入转矩偏差、磁链偏差和磁链角度进行模 糊分级细化处理，可以获得更好的控制性能【4 t , 4 2 , 4 3 l ；最初的模糊控制器输出电压 矢量不含零电压矢量，考虑到零电压矢量的特殊作用 4 4 , 4 5 1 ，后来的模糊控制器加 入了零电压矢量作为输出h q ；如果使用模糊转速p i 控制器代替传统转速p i 控制 器，则构成双模糊控制【4 7 l ；根据转矩偏差和磁链偏差的变化率，模糊控制也被 用来调节电压矢量的作用时间 4 8 1 预测控制用来选择下一输出矢量为工作矢量 还是零矢量，以减小转矩脉动【4 9 】。还有一些其他先进控制理论的应用如：基于 滑模变结构的永磁同步电动机直接转矩控制，用两个滑模控制器( v s s ) 代替传 统的滞环控制器【删。 还有一些学者对p m s m 直接转矩控制也提出了其他改进措施。如改进滞环 比较器，设计不对称滞环宽剧5 1 】；通过逆变器开关频率p i 调节得到转矩滞环比 较器的滞环宽度值【5 2 】；采用多电平逆变器提供更多可选择的电压矢量，减小转 矩脉动岭叫等。 总的来讲，p m s m 的直接转矩控制在国内的研究还是一个比较新的领域， 虽然提出了一些方法改善存在的问题，但技术还是不够成熟，有很多问题需要研 究。研究方法也主要停留在计算机仿真上，只有少数高校和研究所具有相应的实 验设备。p m s m 的直接转矩控制的实际应用中还有许多待解决的问题，离产业 化还有一定的距离。 1 4 论文研究内容及结构安排 论文针对减小p m s m 直接转矩控制的转矩脉动而展开研究工作。深入研究 了p m s m 直接转矩控制中零电压矢量的特殊作用，并由此提出基于零电压矢量 的电磁转矩预测控制方法；着重研究了模糊控制在p m s m 直接转矩控制系统中 的应用，对全数字化交流传动控制系统的仿真方法进行了探讨，提出了基于时序 i o 中南大学颈士学位论文第一章绪论 控制的p m s m 交流传动控制系统实现方法，建立了基于p m s m 矢量控制策略的 仿真平台。通过计算机仿真验证了p m s m 模糊直接转矩控制系统及转矩预测控 制结果。文章结构安排如下： 本文首先综述了p m s m 直接转矩控制的特点和研究现状，以及论文的研究 背景和选题意义。 第2 章阐述p m s m 直接转矩控制的基本概念、控制思想、系统结构组成， 重点讨论了改善转矩脉动的方法。 第3 章详细深入分析零电压矢量在p m s m 控制系统中的特殊作用，并就模 糊控制在p m s m 直接转矩控制中的应用做了仿真分析，提出了基于零电压矢量 的转矩预铡控制。 第4 章介绍基于时序控制的p m s m 变频控制系统仿真平台，主要讨论了更 加贴近于工程研发设计的计算机仿真方法。仿真平台以s v m d t c 控制仿真模型 为核心，探讨了系统予模块不同的采样频率、功率器件的开关频率、电流采样时 刻等对变频控制系统的影响。 。 第5 章针对p m s m 直接转矩控制不同改进办法的仿真结果，进行理论分析 研究。包括不使用零电压矢量的p m s m 常规直接转矩控制、使用零电压矢量的 p m s m 常规直接转矩控制、使用零电压矢量的p m s m 模糊直接转矩控制和基于 转矩预测的p m s m 模糊直接转矩控制。 第6 章是总结与展望。 中南大学硕士学位论文第二章p m s m 直接转矩控制理论 第二章p m s m 直接转矩控制理论 2 1p m s m 直接转矩控制的理论基础 p m s m 直接转矩控制是交直交变频调速的一种。通过二极管整流电路将三 相工频交流电源变换为直流，按照直接转矩控制算法要求的电压空间矢量顺序， 由i g b t p w m 逆变器模块输出交流电，驱动p m s m 按目标调速要求运行。图2 1 是三相电压源型交直交变频调速的结构框图。 亚 l ，、 j 时s ，= 0 ，此时选择电压矢量使得减小。 当虬 白2 1 一乏l s 白2 一z 白1 2 i 一互i 白1 2 一 白2 1 2 白2 2 一z 白1 1 2 i 一z l 白- 2 - s r l 2 一z 一岛2 1 2 z 一互 a d dv a r i a b l e i n p u t 添加输入为3 个，修改输入输出变量名 分别为t h e m 、f l u x e r r o r 、t o r q u e c r r o r 和v o l t v e c t o r ，分别代表磁链角度、磁链偏差、 转矩偏差和输出电压矢量。双击各个框图，根据图3 - 2 建立隶属度函数，根据表 3 2 建立模糊控制规则。通过f i l e e x p o r t - t ow o r k s p a c e 将编辑好的模糊推理系 统输出到m a t l a b 工作空间中，就可以通过s i m u l i n k 模糊逻辑工具箱中的f u z z y l o g i ec o n 灯o l l e r 调用该模糊推理系统构成模糊控制器。 3 1 中南大学硕士学位论文 第三章基于转矩预测的p m s m 模糊直接转矩控制 3 3 转矩预测 通过对永磁同步电动机所加转矩进行预测并适当加入零电压矢量，进一步减 小转矩脉动。如果模糊控制器的输出电压矢量为零矢量，则直接送逆变器；否则， 将得到的电压空间矢量经预测控制算法计算得到加入该电压矢量后的转矩响应， 若计算得到的电磁转矩在转矩容差范围内，则将该电压矢量送逆变器；若超出转 矩容差范围，则使用模糊推理得到的电压矢量和零电压矢量共同作用限制转矩在 给定容差范围内。如图3 5 所示。 图3 - 5 转矩预测控制示意图 图中，z 为一个控制周期内非零电压矢量作用产生的转矩增量，虚线代表 使用反向电压矢量作用时的转矩变化轨迹，实线代表零电压矢量作用时的转矩变 化轨迹。可以看出，使用反向电压矢量作用时转矩的脉动频率远大于有零电压矢 量参与调节的转矩脉动频率，故采用转矩预测算法选择零电压矢量参与转矩调节 是合理的。单个控制周期内非零电压矢量和零电压矢量各自的作用时间由式 ( 3 - 4 ) 计算得到。 ：乌善瓤；乏量 1 d 互出一一以西 ( 3 - 4 ) f o = 一 式中， 为一个控制周期内非零电压矢量作用时间，岛为零电压矢量作用时间， 7 t 眦为容差上限，z t 血为容差下限。 3 4 控制系统仿真模型建立 修改常规p m s m 直接转矩控制仿真模型，使用模糊控制器替代转矩和磁链 滞环控制器，在输出电压矢量的s 函数中添加转矩预测算法，构成基于转矩预测 的p m s m 模糊直接转矩控制系统框图，如图3 - 6 所示。定子磁链偏差和电磁转 矩偏差经饱和限幅环节送模糊控制器，两个饱和限幅环节的限幅值分别为定子磁 中南大学硕士学位论文第三章基于转矩预测的p m s m 模糊直接转矩控制 图3 - 6 基于转矩预测的蹦跚模糊直接转矩控制结构框图 图3 - 7 基于转矩预测的p m s m 模糊直接转矩控制s i 邮li n k 模型 链偏差和转矩偏差的给定上下限值。根据转矩预测算法选择模糊控制器输出的电 压矢量和零电压矢量，经信号隔离后送逆变器。定子电压由直流母线电压和控制 器输出的开关信号状态计算得到。由图3 - 6 建立控制系统的s i m u l i n k 仿真模型如 中南大学硕士学位论文 第三章基于转矩预测的p m s m 模糊直接转矩控制 图3 7 所示。 由于不需要空间电压矢量调制，系统只存在两个时序：采样电压、电流并计 算下一电压矢量的周期和转速p i d 控制的周期。前一周期通过设置系统为固定 步长仿真来实现，周期值即为仿真步长；后一周期通过触发子系统来实现，如图 中的“t o r q u e r e f 触发子系统。系统的仿真结果将在下一章详细列出并分析。 3 5 小结 本章围绕电压型逆变器输出的零电压矢量，比较分析了它分别作用于感应电 动机和p m s m 时对电机电磁转矩的控制效果。总结了零电压矢量应用于p m s m 直接转矩控制的各种使用方法。详细分析了定子磁链在万3 范围内相同的电压矢 量具有明显不同的作用效果，提出了改进的模糊控制规则表。简单介绍了在 s i m u l i n k 环境下的模糊控制器的设计。提出了基于零电压矢量的转矩预测思想和 方法，并建立了基于转矩预测的p m s m 直接转矩控制系统仿真模型。 中南大学硕士学位论文 第四章p m s m 交流传动控制系统仿真平台 第四章基于时序控制的p m s m 控制系统仿真平台 4 1m 枷，a b s i m u l i n k 在交流传动控制系统仿真中的应用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件是m a t h w o r k s 公司于1 9 8 2 年推出的一套高性能 的数值计算和可视化数学软件【蚓。由于使用编程运算与人进行科学计算的思路 和表达方式完全一致，所以不像学习其它高级语言如：b a s i c 、f o r t r a n 和c 等进 行一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等算法那样 难于掌握。m a t l a b 集应用程序和图形于一个便于使用的集成环境中，在这个 环境下，对所要求解的问题，用户只需简单地列出数学模型表达式，其结果便以 数值或图形方式显示出来。m a t l a b 进行数值计算的基本单位是复数数组( 或称 阵列) ，这使得m a t l a b 高度“向量化”。由于它不需定义数组的维数，并给出 矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、 控制、优化等