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第 1 页 共 37 页永磁同步电机直接转矩控制摘要直接转矩控制是近年来应用比较广泛的一种控制策略。它的优点包括控制原理直观明了，操作简单快捷，具有良好的转矩响应性。而另一方面，永磁同步电机因为其运行的可靠性高，结构简单，所以在交流伺服电机中所处的地位越来越高。基于这一发展趋势，本文重点研究了把直接转矩控制应用在永磁同步电机上的控制效果。为了更好地分析永磁同步电机直接转矩控制，本文介绍了直接转矩控制的原理和它的优缺点，还有永磁同步电机的分类、结构及其在不同坐标系下的数学模型。然后借助 MATLAB 中的 Simulink 功能，搭建永磁同步电机直接转矩控制系统的模型，对仿真结果进行分析归纳，最后得出结论。结论表明，永磁同步电机直接转矩控制具有较好的转矩响应，基本能实现对永磁同步电机的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，得不到快速的转矩响应。这就确定了改善永磁同步电机直接转矩控制在低速时候的转矩响应将成为今后的发展趋势。关键词: 直接转矩控制,永磁同步电机,仿真第 2 页 共 37 页Direct torque control of permanent magnet synchronous motorAbstractDirect torque control (DTC) is used widely recently. It is intuitive and clear, simple and swift and has fast torque respond. on the other hand, permanent magnet synchronous machine (PMSM) become more and more important for its high reliability and simple structure. In this paper, we focused on the effect of the application of DTC to PMSM. In order to analyze PMSM DTC better, this paper presented both the advantage and the disadvantage of DTC . On the other hand,it also shown PMSMs classification, structure, mathematical models in different coordinate system . Then I built model of PMSM DTC and smulated in the simulink environment. In the end I drew a conclusion by the result of simulation. The conclusion shown that PMSM DTC has quick torque respond to achieve rapid and reliable control. however, it has poor low-speed performance. Therefore, improving PMSM DTC low-speed performance will be the trend of improvement in the future.Keyword: DTC , PMSM , Simulation第 3 页 共 37 页目 录1 绪论11.1 研究背景及研究意义1 1.2 相关技术的发展情况2 1.3 永磁同步电机的特点3 1.4 永磁同步电机的典型应用31.5 研究的主要内容42 直接转矩控制概述 52.1 电机控制策略分类5 2.2 直接转矩控制原理6 2.3直接转矩控制的发展方向7 2.4 本章小结8 3 永磁同步电机概述103.1 永磁同步电机的分类10 3.2 永磁同步电机的结构10 3.3 永磁同步电机的数学模型12 3.4 本章小结16 4 永磁同步电机直接转矩控制184.1 永磁同步电机直接转矩控制原理18 4.2 逆变器与开关表19 4.3 定子磁链与电磁转矩的测定21 4.4 本章小结22 5 永磁同步电机直接转矩控制仿真 235.1 仿真软件 23 5.2 仿真模型 23 5.3 仿真结果分析 27 5.4 本章小结 29 结论 30 参考文献 31 第 4 页 共 37 页致谢 33第 5 页 共 37 页1 绪论1.1 研究背景及研究意义随着电机调速理论、电力电子和微电子技术以及永磁材料的迅速发展,使得永磁同步电机的变频调速进入了深入研究和广泛应用的阶段。永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM）以其结构简单、高转矩惯量比、高能量密度、高效率、维修性好等众多优点而得到了诸多关注，广泛应用于数控机床、加工中心、工业机器人、航空航天以及电力牵引等领域，已经成为电气传动领域研究与应用的热点日常生活中的家用电器中,都大量地使用着各种各样的电动机,永磁电机它是一种结构简单,运行可靠,损耗小,效率高;体积小,质量轻的需用电，运 用此惯性带动运行的一种电动机械,电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点,因而应用范围极为广泛,几乎遍及航空航天、国防、工农业和产和日常生活的各个领域。自 1834 年德国的雅克比发明了第一台电机后，电机在人们日常的生产，生活中发挥着越来越大的作用。现今，电机已广泛应用在工农业生产，交通工具，军事设备上。电机，即将机械能和电能相互转化的设备。为了做到机械能和电能在相互转化的效率最高，并且尽最大可能节约成本，必须找到一个高效合适的电机控制策略。因此，电机的控制就成为了一个重要的课题。由于直流调速系统的控制比较方便，能通过控制电机的励磁电流和输入电压，使电机能在很广阔的范围内平滑地改变速度。基于这一优点，直流调速系统在上世纪 70 年代就广泛应用在需要响应范围广，动态性能好，控制精度高的场合上。直流调速也成为了当时主流的电机控制方式。但是直流电机也存在一些缺点：如生产成本高，维护费用大，设备体积大，由于存在换向器和电刷，在运行过程中容易产生火花，导致电机燃烧甚至爆炸。所以，人们就开始想方法用交流电机去取代直流电机。比起直流电机，交流电机具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，运行安全，维护便捷，对环境适应能力强等优点。电机调速系统的关键问题在于维持气隙磁场，控制电机的电磁转矩。但是因为交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，无法独立调节磁链和转矩。但是随着电力电子技术和微处理器技术的飞速发展。不仅促进了交流电机的研发，也第 6 页 共 37 页大大优化了交流电机的控制策略，很好地解决了交流电机调速难的问题。这就令交流电机得到广泛的引用，占据了主导地位。交流电机主要有两大类：即异步电机和同步电机。异步电机又称感应电机，是由于它的转子运动速度与定子旋转磁场的运动速度不同步而得名的。异步电机结构简单，制造成本低，运行比较安全可靠，容易安装传感器和反馈装置，转矩脉动比较小。因此，在生产和生活中得到广泛的应用。但它同时也存在着调速特性较差，难以实现平滑的调速，功率因素较低等缺点。同步电机因转子旋转的速度与定子旋转磁场的速度相同而得名。在同步电机中，应用的最多的就是永磁同步电机。原因主要有三方面：永磁同步电机的转子为永磁体，所以不需要外加励磁系统，为运行带来了方便。而且转矩阻尼效应大，转矩响应性比较好，运行时功率因素比异步电机要高。我国是资源大国，拥有丰富的磁铁矿和稀土矿。而且掌握了先进的永磁材料炼制技术。这为大量生产永磁同步电机打下了物质基础。针对永磁同步电机的控制策略越来越成熟。近年来出现了一种新的控制策略直接转矩控制。它放弃了传统矢量控制解耦后再分别控制被控量的思想。直接控制转矩从而去控制永磁同步电机的运行。这就省去了繁琐的坐标转换，节约了大量的计算时间。1.2相关领域的发展情况20 世纪 80 年代开始，电力电子技术得到了飞速的发展，很好地解决了交流电机调速难的问题。主要包括门极可关断晶闸管 GTO、电力场效应管 MOSFET 和电力双极性晶体管 BJT 这些全控型器件。它们的优点主要有以下两个方面：通过对门极发出一个信号，就能简单快捷地控制电路的通断；开关频率高，因此开关损耗小。到了 80 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管 IGBT 为代表的复合型器件得到了迅猛的发展。绝缘栅双极型晶体管 IGBT 是由 BJT 和 MOSFET 复合而成的。它很好地融合了两者的优点，如耐压高，载流量大，开关频率高等。所以，它已经成为了当今比较主流的电力电子器件。在电力电子器件发展的同时, 与之相应的 PWM 控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的 PWM 进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。第 7 页 共 37 页PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，主要通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而得到理想的输出波形。它在逆变、整流、直流斩波、交-交控制中起到了重要的作用，使电路的控制精度大幅提高。传统的 PWM 控制技术主要是靠载波信号和调制信号相比较，确认交点，从而起到调节的作用。SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦波的脉冲宽度调节，是如今应用最广，发展最成熟的脉冲宽度调节的方法。它主要是通过把正弦波和载波信号作比较，用一系列宽度按正弦规律变化的脉冲代替了正弦波，通过调节这些脉冲的宽度，间接调节正弦波的特性，从而起到控制电路的作用。实现 SPWM 基本控制方法主要有以下两种：自然采样法是直接把正弦波和载波信号（常为等腰三角波）作比较，用它们的自然交点时刻作为电路通断的时刻。它的优点是操作简单，得到的波形很接近原来的正弦波。但是因为交点的任意性，造成了脉冲的中心在每个周期内距离不相同，从而使得计算涉及到超越方程，增加了数学运算的难度，延长了运算的时间。规则采样法是先用一系列的三角波对正弦波进行采样，得到了与正弦波形状相似的阶梯波，再把阶梯波与三角波进行比较，确定它们的交点，从而得到了脉冲，去控制电路的开通或关断。规则采样法又分为对称的规则采样法和非对称的规则采样法。若在正弦波的顶点或最低点时刻进行采样，在每一个采样周期中，得到的脉冲的中心都是距离相等的，这就是对称的规则采样法。如果采样时刻不在正弦波的顶点或最低点，在每个采样周期中，脉冲的中心距离就不相等，这就是非对称的规则采样法。随着技术的不断进步，人们对传统的 PWM 控制方法进行改进，提出了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空间矢量的脉冲宽度调节。SVPWM 是以三相对称正弦波电压供电时定子所产生的三相对称的理想磁场圆为参考标准，适当地转换三相逆变器各种开关模式，得到 PWM 的波形，从而形成实际的磁链向量去追踪准确的磁场圆。1.3 永磁同步电机的特点 与传统的异步电机相比，永磁同步电机具有以下优点：1、明显的节电效果,永磁同步电机用永磁体取代电励磁，无励磁损耗。无转子绕组，转子中就无铜耗。第 8 页 共 37 页由于定转子同步，转子铁芯中也无铁耗，因此，永磁同步电机的效率较电励磁同步电机和异步电机为高，而且不需要从电网中吸取滞后的励磁电流，从而大大节约了无功，极大提高了电机的功率因数。2、永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受力。3、由于没有笼型转子，永磁同步电机具有较低的惯性，即转矩惯性比较高。4、电机转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速，控制比异步电机容易。1.4 永磁同步电机的典型应用 节能和环保是国家既定国策，为永磁同步电动机及其系统的应用与研究带来蓬勃发展生机。我国稀土资源丰富，应大力开展永磁同步电动机及其系统的研发和应用。我们已完成了630、800、1000、1150、1600Kg载重，梯速为2.5、2、1.75、1.6、1.25、1、0.6m/s电梯用各种PMSM的开发，2000Kg、4m/s的大型客梯和400Kg多层建筑和家用小梯PMSM的开发，货梯用有齿轮PMSM的开发，起重机用PMSM的开发以及工业缝纫机用PMSM的开发。 以下展示开发的部分产业化的图片。展示用于绿色环保电梯的PMSM，取消了庞大的齿轮箱，PMSM通过曳引论直接拖动轿厢，与异步电动机加齿轮箱系统相比，节能至少在30以上，且明显减小了振动噪声，提高了平层精度和舒适性,杜绝了油污带来的不安全。图1.3为用于电梯门机的PMSM，具有优良的动态性能。用于工业缝纫机的PMSM，与传统的异步电动机或电磁转差离合器驱动的方案相比，明显缩小了体积，较少了重量，可置于缝纫机车头内，美化了外形。1.5 研究的主要内容本文主要对永磁同步电机直接转矩控制这一课题进行研究。第二章主要介绍当今交流伺服系统的控制策略，直接转矩控制的原理和发展趋势。第三章对永磁同步电机的结构，分类，及它在各个坐标系下的数学模型进行介绍。第四章主要讲述了直接转矩控制在永磁同步电机上的引用，列出了双滞环的永磁同步电机直接转矩控制的系统，并对该系统的各个重要的构成部分进行了说明。第五章介绍了永磁同步电机直接转矩控制的仿真环境，仿真模型，并对仿真结果进行分析。第六章为结论章节，对前面五章的内容，特别是仿真结果进行归纳，最后的得出本文的结论。第 9 页 共 37 页2 直接转矩控制概述2.1交流伺服电机控制策略分类上文已经提及到由于科技的革新和技术的发展，交流伺服电机应用日渐广泛，所以对交流伺服电机控制策略的研究的重要性也不断提高。交流伺服电机的控制策略大概可以分为以下几类：一、基于稳态的控制策略其中较有代表性的就是恒压频比控制。它忽略了控制变量的相位，只关注其的幅值，而且其反馈量和输入量之间的比值为直流量，所以它的本质是一种标量控制方法。它具有操作简易，投入成本低，实现简单的优点。但同时也存在动态性能差，低速时转矩响应低，参数设计难，没有解决非线性、多变量的问题等缺点。因此，不能用在高精度要求的场合上，也就是说只能用于如风机、泵机这一类对控制精度要求不高的电机上。二、基于动态的控制策略矢量控制，矢量控制方法的基本思想就是对电机的参数进行解耦，分别对电机的磁链和电流进行独立的控制。具体实现方式是把转子的旋转磁场作为参考系，将定子电流分解成两个分量，一个是与转子同向的分量，即直轴分量；一个是与转子正交的分量，即交轴分量。这样就消除了转子和定子之间的互感的影响，成功解耦。然后分别独立对两个分量进行控制，达到控制电机速度的目的。究其实质，就是将复杂的交流电机控制，通过坐标的转换，变成直流电机的控制。但是，因为要实现这种控制方法，就必须在系统中增设位置传感器，观测转子的实时位置。这样就是的成本增加，而且加大了操作难度。另一方面，由于坐标轴的转换，增加了大量的运算，降低了效率，带来了诸多不便。直接转矩控制（direct torque control，简称 DTC） ，年，德国鲁尔大学的 Depenbrock 教授和日本的 Takahashi 教授提出了直接转矩控制这一控制策略。第 10 页 共 37 页这一控制策略并没有继承前人提出的矢量控制策略的解耦思想，而是另辟蹊径，把转矩作为被控量，直接对电机进行控制。有关直接转矩控制的原理下文有详细的介绍，在这里暂且不说。反馈线性控制，反馈线性控制主要分为两类，第一类是微分几何反馈线性控制；第二类是动态逆控制，又称直接反馈线性控制。这两种方法都是针对解决非线性问题而提出的。微分几何反馈线性法因为要将问题转换到几何域里，比较抽象，在实际应用中不如物理概念清晰的动态逆控制法。自适应控制，自适应控制能根据电机的运行情况不断提取实时参数，然后根据新的参数合理地修改控制策略。这样，有利于加强动态性能。自适应控制主要包括模型自适应、参数自适应和非线性自适应。这种控制方式的不足在于当电机的运行状态变化太快的时候，无法很好地跟踪其参数，提取的结果与实际结果误差较大，导致修改后的控制策略不合理。另一方面，由于电机模型的复杂性，导致运算时间过长，降低了控制的效率。但这一不足随着微处理器的不断更新换代，得以克服。三、不依赖对象的数学模型的控制策略模糊控制，模糊控制是利用模糊集合制造出模糊性和不确定性，从而模仿在实际控制过程中的人手操作。模糊控制主要包括三部分，分别是精确量的模糊化，模糊推理和模糊判断。早期的模糊控制没有加入积分环节，虽然控制的鲁棒性有所加强，但同时在带负载时出现了较大的静态误差。经改进后，如今的模糊控制已经有了积分效应，能做到无静态误差控制。但是，如果单靠模糊控制，特别是在控制精度要求高的场合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制一般与其他的控制策略相配合使用。神经网络控制，神经网络控制是 20 世纪 80 年代末发展起来的高新控制策略，它是智能控制的一个分支。它是神经网络理论和自动控制理论结合起来的产物。神经网络像人一样，拥有学习和记忆能力。在电机的控制上，神经网络的主要任务是观测估算电机的磁链和转速，并作出自适应调整。但是由于神经网络控制是一种比较新的控制策略，所以技术还不是很成熟，有时会导致估算值出现很大的误差或者系统出现振荡。2.2 直接转矩控制原理第 11 页 共 37 页直接转矩控制是在矢量控制策略后又一应用广泛的控制策略，它放弃了矢量控制中解耦的思想，没有通过控制定子电流，定子磁链等变量去间接控制电机，而是通过直接控制电机的转矩来控制其转速。它并没有像矢量控制一样，用转子磁链作为参考系，而是把定子磁链作为参考系，这样就使磁链仅仅由定子电阻确定，大大弱化了电机运行状态改变时对控制策略的影响。确定了参考系后，只需测定定子的电压和电流，就能通过空间矢量理论去计算电磁转矩以及定子磁链。通过给定转矩和实际转矩以及给定的定子磁链和实际的定子磁链的误差，去选择适当的电压矢量进行控制。直接转矩控制的优点主要有以下几方面：一、直接转矩控制直接以定子磁链为参考系。只需要在此参考系中对电机的各个变量进行简单的转换，既没有像矢量控制一样，需要一系列繁琐的坐标转换，也没有了旋转时对各个变量的影响，大大简化了运算量和信号的处理难度。而且另观测者更直观地了解到电机的运行状态。二、直接转控制只需要对定子电阻进行观测就能得到定子磁链，从而估算到磁通。和矢量控制要通过观测转子电阻和转子电感相比，大大减弱了对电机参数的依赖性。因此直接转矩控制拥有较强抗干扰能力。三、由于直接转矩控制是通过给定转矩与实际转矩进行比较，得到误差，经过滞环比较器，然后选择适当的电压矢量去调节电机的转速。因此，它的控制效果是由实际的转矩情况决定的，这使它得到较迅速的转矩响应。2.3直接转矩控制的发展方向直接转矩控制也并不是十全十美的控制策略，传统的直接转矩控制同样存在着缺点。它要将给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差输入到滞环比较器中。由于滞环比较器存在一个阀值，而且电压逆变器只有八种状态可选择。当转矩或者定子磁链从一个很小的值变化到另一个很小的值，即电机运行在低速状态，如在启动阶段时，电压逆变开关没来得及改变，导致电压矢量继续作用，直至给定转矩与实际转矩的误差和给定定子磁链与实际定子磁链的误差达到滞环比较器的阀值，电压逆变器才开始改变状态，终止电压矢量的作用。因此，在此过程中，会使电机的转矩和定子磁链产生较大的波动。为了解决传统的直接转矩控制在低速时转矩响应慢，动态性能不足这个缺点，第 12 页 共 37 页目前专家提出了几种解决方法。这就确定了直接转矩控制在今后的发展方向。一、对传统的直接转矩控制的空间电压矢量开关表进行改进。以永磁同步电机的直接转矩控制为例，可以在原有的开关表的基础上加上两个零矢量，即 000和 111，把开关表从 4 行扩充到 6 行。插入了零矢量后，有效地把转矩的变化维持在一定的范围内。这样，转矩的脉动频率和电压逆变器的开关次数就相应减少了。此外，有专家提出了把空间电压矢量细分的方法。把原来的 6 等份扩大到 12等份或者 24 等份，从而减小转矩的脉动。但是这两种方案还是存在不足，插入零矢量虽然能有效把转矩维持在一定范围内，却同时使转矩响应变慢了。这样一来就失去了直接转矩控制转矩响应快的优势。细分电压矢量法虽然能有效抑制转矩的脉动，但其效果与细分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加运算量。2)用空间矢量脉冲宽度调制的方法去代替空间电压矢量开关表，从而得到恒定的开关频率。以定子的磁链为参考系，把检测到的定子电压和定子电流进行3/2 变换。把变换后的定子电流和定子电压通过全速度磁链模型去计算，从而得到定子磁链值 s 、电磁转矩值与磁链位置角。给定转矩与实际转矩的误差不再经过滞环比较器，而是经 PI 调节后得到磁链增量角。然后通过对参考电压的预测计算可以得出期望的参考电压矢量，再经空间矢量脉宽调制得到所需要的开关控制信号。3)神经网络和模糊控制与传统的直接转矩控制相结合。神经网络像人一样有这很强的自我学习能力。但它不能处理已有的有规则的知识，所以在对神经网络进行训练时，不能运用已有的经验和知识，只能重新给他一个初始值，这样就使训练时间大大增加，效率很低。模糊控制，主要在传统的直接转矩控制的基础上，模糊调节给定转矩与实际转矩的误差以及误差的变化率。但这种方法要经过模糊推理和模糊判断，大幅增加了计算的复杂程度，所以目前还得不到广泛的应用。把神经网络以及模糊控制与传统的直接转矩控制相结合，把模糊集合所定义的模糊概念应用到神经网络的学习和计算之上，这样就能在普通的神经网络的基础上产生了各种各样的模糊神经网络。一方面利用了模糊控制去提高神经网络的学习能力，缩短了训练时间；另一方面利用神经网络的强大的学习能力去调整模糊化的精度函数，加强模糊推理的能力，提高模糊判断的能力，实现并行推理。可见，第 13 页 共 37 页如果能把模糊控制以及神经网络和传统的直接转矩控制有机地结合起来，博取众长，就能建立一种比单独将模糊控制或者单独将神经网络与直接转矩控制结合的控制策略都更优的控制策略。2.4 本章小结本章主要介绍了电机控制的策略，大致可分为三类：基于稳态的控制策略，基于动态的控制策略和不依赖对象的数学模型的控制策略。其中基于稳态的控制策略受到动态性能的限制，不能得到广泛的应用。而不依赖对象的数学模型的控制策略现今还没成熟。基于动态的控制策略因其动态性能和控制精度较高，应用比较广泛。其典型代表就是直接转矩控制。直接转矩控制主要通过控制转矩和磁链直接控制电机，简单直观，抗干扰能力强，转矩响应快。但是仍然存在着低速时转矩响应慢的问题。针对这问题，专家们提出了改进空间电压矢量开关表，用空间矢量脉冲宽度调制代替空间电压矢量开关表和将模糊控制，神经网络以及直接转矩控制相结合这三种方案。这就指明了直接转矩控制今后的发展方向。第 14 页 共 37 页3 永磁同步电机概述3.1 永磁同步电机的分类按照转子上的永磁体的位置，可以把永磁同步电机分为三类，分别是表面式，内埋式和嵌入式。表面式的永磁同步电机属于隐极电机，永磁体位于转子表面，体积较小，转动时惯性也比较小，因此转矩的线性特性相对较好。内埋式永磁同步电机和嵌入式永磁同步电机同属凸极电机，因此转矩的线性没有表面式永磁同步电机好。其中嵌入式永磁同步电机的凸极特性比内埋式永磁同步电机要小，因此转矩的线性也比较好。但内埋式永磁同步电机也有着自己的优势，它虽然转矩的线性度较差，但它具有明显的磁阻效应，有利于优化电机的调速特性和提高电机的运行效率。3.2 永磁同步电机的结构永磁同步电机主要由定子和转子两部分组成。永磁同步电机的定子主要由硅钢片，三相对称分布的星形绕组，机壳以及端盖组成的。如果给星形绕组通三相对称的正弦波电流，定子绕组就会在气隙中产生一个圆形的旋转磁场。这个气隙磁场的旋转速度称为同步转速。它的大小与供电的频率，电机的极对数有关。永磁同步电机的转子通常可归纳为圆柱形转子、无极靴星形转子、有极靴星形转子、爪极式转子和切向式转子等几类。圆柱形转子，出现得最早。把永磁铁制成空心的圆柱体，浇铸或者压制在非磁性套筒再与转轴紧密连接，就形成了圆柱形转子。圆柱形转子一般不超过 8 极，第 15 页 共 37 页多为 2 极或 4 极。永磁材料大多采用铝镍和铝镍钴合金。还有少部分用马氏体钢。圆柱形转子的优点是结构简单，对制作工艺要求不高，除了精磨转子表面外，其他都不需要用机械加工。转子表面光滑，风摩系数和噪音小。缺点是对永磁体的利用率低，在极数较多时这一问题更为明显。因此只用于极数较少的永磁同步电机。无极靴星形转子，为了改善圆柱形转子永磁体利用率低这一不足，在圆柱形永磁铁的基础上，去掉部分永磁铁，就形成了无极靴星形转子。无极靴星形转子的磁铁平均长度比圆柱形转子长，体积小，横轴的电枢反应作用减少。由于永磁材料的磁阻率非常大，在负载急剧变化或者短路时，磁铁阻尼作用小，去磁作用大。因此，需要在极间浇铸非磁性材料合金作为非磁性套筒来保护永磁铁。虽然和圆柱形转子相比，磁铁的利用率增大。但是和有极靴星形转子和爪极式转子相比，无极靴星形转子还存在若干缺点：永磁铁为多极星形，形状复杂，磁性能差。而且随着极数的增加，对磁性能的影响越来越大。永磁材料没有得到充分的利用。由于永磁体的形状为多极星形，造成了永磁体的不均匀磁化。磁铁性能降低，利用率也随之降低。同样，极数越多，不均匀磁化就越严重，磁铁利用率就越低。电机瞬态运行时，磁路系统的阻尼作用小，就算在极间浇铸了非磁性材料，瞬间短路时，去磁作用也很大。为了增大磁路系统的阻尼作用，就要增长永磁铁的长度，造成成本上升。除了二极转子可采用各向异性的永磁材料外，其余的多极转子只能使用各向同性的永磁材料。这样就限制了拥有高磁性的各向异性的永磁材料的应用。无极靴星形转子没有其他的加固措施，因此机械强度较差，转速和容量度受到比较大的限制。综上所述，无极靴星形转子的极数一般较少，多应用在小容量的场合上。有极靴星形转子，在无极靴星形转子的永磁体两端安装软铁极靴，就形成了有极靴星形转子。有极靴星形转子的制作工序如下：将永磁体制成多极星形，用铆钉把软铁极靴固定在永磁体上。为了增加永磁体和软铁极靴的吻合程度，需要对永磁体外表面和软铁极靴的内表面进行精磨。有极靴星形转子主要有以下优点：由于软铁极靴的存在，消除了横轴电枢反应，对永磁体的去磁作用大大减弱。去掉负载后，不产生不可逆去磁和不对称去磁。磁路系统阻尼作用强，使电机在瞬态运行，如瞬间短路时，仍保持良好的短路特性。由于软铁极靴的存在，出现了第 16 页 共 37 页较大的漏磁。通过调节漏磁，就能使永磁体得到更好的利用。当磁铁是矩形结构时，可以用各向异性或晶体取向性的材料来制造永磁体，提高了磁性。同时，也可以采用稀土类的合金做永磁体，从而缩小电机的体积，提高电机的容量和输出效率。但是有极靴星形转子也存在若干缺点：加入了软铁极靴后，使转子的结构变得复杂，由于永磁体和极靴都要精磨，是加工量增大。在高速旋转时，极靴与永磁体可能出现松动。软铁极靴增大了转子的外径，也就是说，与无极靴星形转子比较，在同等外径下，永磁铁比较小。爪极式转子，爪极式转子是由两个带爪的法兰盘与一个沿转子轴向充磁的圆环形永磁铁组成的。两个带爪的法兰盘爪数相等，并且均等于极对数。把法兰盘的爪相互错开，夹着圆环形的永磁铁，相互对合。这样，就让一个带爪法兰盘的爪子呈 N 极性，而另一个则呈 S 级性，从而起到了极靴的作用。爪极式转子主要有以下优点：永磁体为圆环形，结构简单，制造方便，磁性好，不会出现较大的不均匀磁化，永磁材料的利用率较高。还可以采用铁氧体和稀土钴合金，从而缩短轴向长度，优化磁化特性。带爪的法兰环屏蔽了横轴的电枢反应，消除了电枢反应对气隙磁场的畸变效应，使气隙磁场保持稳定。爪极间的漏磁很大，有效消除了纵轴电枢反应对磁铁的去磁作用，让磁铁能承受较大的过载。爪极式转子的阻尼作用很大，令电机在瞬态运行时很稳定。短路时，电流对永磁铁的作用约等于稳态时电流的作用。结构牢固，机械强度高。磁铁为圆环形的形状，使磁铁的利用程度与极靴无关，所以特别适合用于多极和高频的电机。但是爪极式转子也存在以下缺点：带爪的法兰盘结构复杂，制造工艺要求高。大部分不能采用钢板冲片，只能采用粉末冶金或机械加工的方式，费时费力。在转速较高时，爪极受力很大，比较容易发生弯曲变形，甚至断裂。带爪的法兰盘体积比较大，在相同容量下，电机的体积尺寸和重量增加幅度比较大，可达 25%左右。切向式转子，切向式转子由优硅钢冲片叠成的转子铁心，非磁性套筒和薄片形的永磁铁组成的。由于磁铁沿切向方向磁化，因此很好地克服了因沿径向方向磁化造成气隙磁密偏低和尺寸结构不合理等缺点，能应用到大容量的场合。3.3 永磁同步电机的数学模型由于实际的永磁同步电机在制造或者设计上存在结构不对称，从而造成参数的不对称。磁路相互之间的耦合也大大增加了分析永磁同步电机的数学模型的难第 17 页 共 37 页度。另一方面，由于永磁同步电机是一个旋转设备，涉及到动态的分析，若在自然参考系下，永磁同步电机的状态方程组就是一个变系数的微分方程组，系数与定子和转子的相对位置有关。这就给这个方程组的求解带来了很大的不便。为了方便计算求解，必须先假设一台理想的永磁同步电机，然后选取合适的参考系，把电机的状态方程组转换到相应的参考系中求解。首先介绍一下理想的永磁同步电机：一、忽略磁路的饱和效应、磁滞效应和涡流效应的影响。假设铁心中的导磁系数是常数。二、转子的结构分别关于横轴和纵轴对称。三、定子三相绕组的结构完全相同，在空间上分别相差 120电角度。所产生的磁动势在气隙中按正弦规律分布。四、气隙均匀，也就是说磁路与转子无关，定子、转子中的自感和互感与转子和定子的相对位置无关。五、在恒定转速且电机空载时转子的磁动势在定子上感应出的电动势是关于时间的正弦函数。六、假设电机的定子以及转子的表面是光滑的，忽略通风沟和槽对定子和转子电感的影响。在假设了理想的永磁同步电机的基础上，下面将要讨论在不同坐标下永磁同步电机的数学模型。定子三相坐标（a-b-c）中永磁同步电机模型忽略了内部电容后，三相永磁同步电机在 a-b-c 坐标下的电压和磁链方程可以写成如下形式：(3-1)sSdUIRt(3-2)sSrIL上式中的 为定子电压， 为定子电流， 为定子电阻， 为定子磁链，sssRs为定子电感， 为转子磁链。sLr第 18 页 共 37 页永磁同步电机在 a-b-c 坐标下的电压方程的矩阵形式如下：(3-3)0a asb bscccuiRi、 、 为定子的 a、b、c 各相电压，p 为微分算子， 、 、 为定aub abc子 abc 三相的磁链， 、 、 为定子 a、b、c 各相电流。ii永磁同步电机在 a-b-c 坐标下的磁链方程的矩阵形式如下：(3-4)osc120aabcb brccc iLMi、 、 分变为三相各自的自感系数， 和 为 a、b 相之间的互aLb abM感系数， 和 为 a、c 相之间的互感系数， 和 为 b、c 相之间的互感c c系数， 为转子磁链， 转子位置较角。r可以看出在定子三相静止坐标下，永磁同步电机的状态方程组是变系数的微分方程组，且与转子的位置角有关。在分析和求解时比较困难，不利于应用。所以人们就开始想办法将变系数的方程组转换成常系数的方程组。图 3.1- 坐标系中永磁同步电机的数学模型在磁场等效原则下，用两相匝数相同，结构相同，相互正交的绕组去代替定子 a、b、c 三相对称绕组，这就是 Clark 变换。也就是说,经过变换后新的两相绕组的两个分电流产生的合成磁动势与原来三相绕组三个分电流所产生的合成磁动第 19 页 共 37 页势大小相等。为了计算简便，我们规定两相绕组的合成磁动势和三相绕组的合成磁动势转向相同，且 轴与 a 轴重合。经过变换，可得出在 - 坐标系永磁同步电机的状态方程。电压方程的矩阵形式：(3-5)0sincoa aSs rSsuiRpL 、 为 - 坐标系中定子的电压， 、 为的定子电流， 为转子转速。 i转矩方程：， (3-6)32eaTpi、 为 - 坐标系中的定子磁链，P 为磁极数， 为电磁转矩。 eT图 3.2 d-q 坐标系中永磁同步电机的数学模型在磁场等效的原则下，以转子的旋转磁场为参考系，以与转子重合的方向为d 轴的方向，以与转子正交的方向为 q 轴，且 q 轴超前 d 轴 90。将 - 中永磁同步电机状态方程转换到 d-q 坐标系的过程，就称作 park 变换。经过 park 变换后，永磁同步电机的状态方程组是一个常系数的方程组，分析计算比较简便。电压方程的矩阵形式：(3-7)0ddddsqqqquiRp、 为 d-q 坐标系中的定子电压， 、 为 d-q 坐标系中的定子电流， 、duq di d为 d-q 坐标系中的定子磁链。第 20 页 共 37 页磁链方程的矩阵形式：(3-8)0ddfqqiL、 为 d-q 坐标系中的定子电感， 为转子磁链。dLf转矩方程：(3-9)32eaqdTpiM-T 坐标系中永磁同步电机的数学模型M-T 坐标系变换原理和 d-q 坐标系一样，都是把各个参数从静止参考系转换到旋转的参考系中。与 d-q 坐标系不同的是，d 轴是与转子的几何位置重合的，而M 轴则是与磁场的轴线重合的。M-T 坐标系和 d-q 坐标系相互转换关系如下：(3-10)cosinid Mq TFF(3-11)isncodMqT、 为 d-q 坐标系中的磁动势， 、 为 M-T 坐标系中磁动势， 为定子磁dFq MFT 链与转子磁链的夹角。磁链方程的矩阵形式： 2222cosinsincosincocosinco indqdqM fTLLLiMT (3-12)因为 M 轴与磁场的轴线重合，所以 T=0。所以 Ti可以写成如下形式：(3-13)2sinsin22fqsdqTLLI第 21 页 共 37 页转矩方程：(3-14)1.5esTPi整理得：(3-15)32sinsin24sfqsqde dLL 3.4 本章小结本章介绍了表面式，内埋式和嵌入式这几类永磁同步电机以及它们的应用场合。简述了永磁同步电机的结构以及圆柱形转子、无极靴星形转子、有极靴星形转子、爪极式转子和切向式转子的优缺点和应用场合。展示了永磁同步电机在 a-b-c 坐标系，- 坐标系，d-q 坐标系和 M-T 坐标系下的数学模型，主要包括电压、磁链和转矩的方程。为后续章节打下了一个理论基础。第 22 页 共 37 页4 永磁同步电机直接转矩控制4.1 永磁同步电机直接转矩控制原理从式(3-15)可以看出，在 M-T 坐标下，电磁转矩分成了两部分：第一部分与转子磁链有关，属于励磁转矩；第二部分是由转子的不均匀，即凸极性引起的，属于磁阻转矩。方程中的磁极数，d 轴电感和 q 轴电感都是常量，因此转矩只与转子磁链，定子磁链和定子磁链与转子磁链夹角的正弦值有关。在控制过程中，假若忽略了定子电阻，定子磁链和转子磁链的夹角就等于负载角。根据同步电机的特点，我们可以知道，在稳态时，定子磁链和转子磁链是以相同的转速旋转的。它们之间的夹角也恒定不变。在暂态时，定子磁链和转子磁链以不同的转速旋转，它们之间的夹角也是变化的。因为电机的定子电气时间常数远远小于转子的机械时间常数，所以在实际应用中，我们把转子的磁链看作是一个常数，不予控制。只要使定子磁链的幅值不变，直接控制定子磁链运动速度的大小和方向，从而改变定子磁链和转子磁链之间的夹角。这就能实时快捷地控制电磁转矩。以上就是永磁同步电机直接转矩控制的基本原理。第 23 页 共 37 页图 4.1 永磁同步电机直接转矩控制原理图通过原理图 4-1 我们可以清楚看到永磁同步电机直接转矩控制的具体情况。三相永磁同步电机直接转矩控制主要包括以下几个部分：转速调解环节，主要由比例积分环节完成转速调节的功能。滞环比较器，空间电压矢量开关表，三相电压逆变器，永磁同步电机，坐标转换环节，磁链估计环节，转矩估计环节和区域判断环节组成。系统把三相永磁同步电机实际转速与给定转速作比较，将两者之间的误差作为比例积分环节的输入量。另一方面，系统把测得的定子的三相电流和相间电压送入坐标转换环节，进行坐标转换，再把坐标转换环节的输出值送入磁链估计环节，把其输出的磁链值分别送入区域判断环节和转矩估计环节，并且与给定的定子磁链值作比较，将误差输入到滞环比较器中。然后，把比例积分环节输出的给定转矩和转矩估计环节输出的实际转矩作比较，把它们的误差输入到滞环比较器中。将两个滞环比较器的输出值和区域判断值作为开关表的输入量，得出一组控制脉冲，去控制三相电压逆变器的通断，从而控制三相永磁同步电机。之后再一次检测电机的转速，电流和电压，重复上述步骤，不断循环。这就是永磁同步电机直接转矩控制的过程。4.2 逆变器与开关表逆变器和开关表都是三相永磁同步电机直接转矩控制系统的重要组成部分。第 24 页 共 37 页在三相永磁同步电机直接转矩控制系统中，我们选择三相桥式电压逆变器来实现逆变功能。其结构如图 4-2，它的特点是每一支桥臂都导通 180，a、b、c各相导通的电角度相差 120，同一相的上下两个桥臂交替导通。在任意一个时间里都有 3 支桥臂导通，上下两桥臂交替换流。所以三相桥式电压源逆变电路的换流方式为纵向换流。我们可以假定 6 个空间矢量去表示三相桥式电压源逆变电路的 6 种状态。它们分别是 U1(100)，U2(110)，U3 (010)，U4(011)，U5 (001)和 U6(101)。其中第一位数字代表 a 相，第二位数字代表 b 相，第三位数字代表c 相。1 代表导通， 0 代表关断。在这 6 个空间矢量的基础上，再引入两个无意义的零矢量，就是图 4-3 的空间矢量的分布情况。两个零矢量 U7(000)和 U8(111)位于坐标原点，其余的 6 个矢量把坐标平面分成 6 等份，每一等份是 60。在由电压空间矢量分布图可知，在每一个区域中，我们能用两个相邻的电压矢量来控制定子磁链的值。从而使开关频率最小，尽量减小电磁转矩的脉动。例如在 60 120的区域中，定子磁链正在逆时针旋转。这时，就可以用空间电压矢量 U3 增加定子磁链的值，用空间电压矢量 U4 减小定子磁链的值。图 4.2 电压空间矢量分布图第 25 页 共 37 页图 4.3 空间电压矢量的控制理论图根据空间电压矢量的控制理论，可以通过磁链的位置，滞环比较器输出的磁链的值和转矩的值，去确定应用那一电压矢量来控制三相桥式电压源逆变电路的通断。这就是空间电压矢量开关表的原理。 1 2 3 4 5 6=1 U 2（110）U 3（010）U 4（011）U 5（001
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