基于MATLAB的PMSM直接转矩控制的建模方法的研究毕业论文.doc

目目 录录 1绪论绪论 1 2永磁同步电动机的原理永磁同步电动机的原理 2 3永磁同步电机的直接转矩控制永磁同步电机的直接转矩控制 3 3 1永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型 3 3 2永磁同步电机直接转矩控制系统的实现永磁同步电机直接转矩控制系统的实现 4 3 2 1转矩增量与定子电压空间矢量关系模型转矩增量与定子电压空间矢量关系模型 4 3 2 2定子磁链控制定子磁链控制 5 3 3逆变器开关时间控制模型逆变器开关时间控制模型 6 3 4永磁同步电机直接转矩控制的系统永磁同步电机直接转矩控制的系统 7 4系统仿真模型的组建系统仿真模型的组建 8 4 1仿真系统仿真系统 9 4 2其他模型的建立其他模型的建立 12 5仿真结果及其分析仿真结果及其分析 14 6结束语结束语 16 参考文献参考文献 16 致谢致谢 17 1 1 绪绪 论论 直接转矩控制 DTC 是在空间矢量调速理论的基础上发展起来的一种新型交流 电动机调速策略 其基本思想是根据交流电动机的转矩要求 直接选择合适的定子 电压空间矢量 实现交流电动机电磁转矩的快速响应 由于直接在定子两相静止坐 标系统下分析交流电动机的数学模型 将定子磁链与电磁转矩作为被控制量 根据 给定转矩与实际转矩以及给定定子磁链与实际定子磁链的偏差来直接选择电压矢量 从而避免了矢量控制中许多复杂的矢量变换计算 所以直接转矩控制策略具有控制 方式简单 转矩响应快 便于实现全数字化等优点 直接转矩控制在异步电动机调 速系统中的应用已经比较成熟 但在永磁同步电动机 PMSM 伺服控制系统中的应 用研究相对滞后 由于永磁同步电动机具有体积小 重量轻 运行可靠 功率密度 高等诸多优点 将DTC控制策略应用于永磁同步电机控制中 以提高电机的快速转 矩响应 成为研究者关注的课题究的热点课题 由于电机转矩和磁链的计算对控制系统性能影响较大 为了获得满意的转矩计 算 仿真研究是最有效的工具和手段 本文中利用 MATLAB 软件下的 Simulink 仿 真工具对 PMSM DTC 系统进行仿真 同时还详细地介绍了 DTC 系统中各控制计算 单元的模型的建立 并分析控制系统的性能 2 2 永磁同步电动机的原理永磁同步电动机的原理 永磁同步电动机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的 正由于这样 同步电动机的电流在相位上是超前于电压的 即同步电动机是一个容 性负载 同步电动机在结构上大致有两种 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同 使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种 因此 当转子旋转时 在 定子上产生的反电动势波形也有两种 一种为正弦波 另一种为梯形波 这样就造 成两种同步电动机在原理 模型及控制方法上有所不同 为了区别由它们组成的永 磁同步电动机交流调速系统 习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称 为正弦型永磁同步电动机 PMSM 调速系统 而由梯形波 方波 永磁同步电动 机组成的调速系统 在原理和控制方法上与直流电动机系统类似 故称这种系统为 无刷直流电动机 BLDCM 调速系统 永磁同步电动机转子磁路结构不同 则电动机的运行特性 控制系统等也不同 根据永磁体在转子上的位置的不同 永磁同步电动机主要可分为 表面式和内置式 在表面式永磁同步电动机中 永磁体通常呈瓦片形 并位于转子铁心的外表面上 这种电机的重要特点是直 交轴的主电感相等 而内置式永磁同步电机的永磁体位 于转子内部 永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴 可以保护 永磁体 这种永磁电机的重要特点是直 交轴的主电感不相等 因此这两种电机的 性能有所不同 3 3 永磁同步电机的直接转矩控制永磁同步电机的直接转矩控制 3 1 永磁同步电机的数学模型永磁同步电机的数学模型 直接转矩控制是对定转子磁链间的夹角也就是对转矩角 进行控制 先推导 转矩角与电机电磁转矩的数学关系 其中要用到与转子同步旋转的 d q 坐标系 d 轴正方向为转子磁链方向 与定子同步旋转的 x y 坐标系 x 轴正方向为定子磁链 方向 两相 静止坐标系 轴正方向与电机 a 轴重合 如下图 3 1 所示 图 3 1 PMSM 在不同坐标系下的矢量图 在建立 PMSM 数学模型前 先对 PMSM 作如下假设 忽略电动机铁心的饱和 不计电动机中的涡流和磁滞损耗 转子无阻尼绕组 则永磁同步电机在 d q 坐标系下的基本方程如下 1 dd dfL i 2 qq qL i 3 ds ddrqUR iP 4 qs qqrdUR iP 5 3 2 epd qq dTnii 6 d r emr dt TTJB 式中 d q为定子磁链 d q 轴分量 Ld Lq为定子绕组 d q 轴等效电感 id iq为定子电流 d q 轴分量 Ud Uq为定子电压 d q 轴分量 f为转子磁链 Rs为定子绕组电阻 P 为微分算子 r为转子机械角速度 Te为电磁转矩 np为 4 电机极对数 Tm为负载转矩 J 为电机转动惯量 B 为粘滞系数 经过进一步推导 得转矩控制的基本方程式 7 2sin3 sin2 4 fps eps pd dp L Tn LL L L 对于隐极式永磁同步电机 lq ld 故 7 式可写为 8 3 sin 2 epsf d Tn L 对于永磁同步电机 转子磁链不变 当定子磁链不变时 电机的 电磁转矩只与转矩 有关 由于定子磁链的状态比转子磁链的状态容易改变 因 此可以通过控制定子磁链的状态来改变转矩角 从而实现对转矩的控制 3 2 永磁同步电机直接转矩控制系统的实现永磁同步电机直接转矩控制系统的实现 3 2 1 转矩增量与定子电压空间矢量关系模型转矩增量与定子电压空间矢量关系模型 s与 轴的夹角为 s 则在 轴系中 定子的合成空间磁链矢量 s 以角速度 s旋转 设逆时针方向为正方向 为了获得尽可能小的转矩脉动 定 子的合成磁链空间矢量最好采圆形轨迹 参考磁链的幅值 3s 为常量 如图 3 2 所示 图 3 2 转矩增量与定子电压空间矢量关系 5 3 2 2 定子磁链控制定子磁链控制 在永磁同步电机中施加零电压矢量时 定子磁链停止转动 转矩几乎维持恒定 利用这一特点 可以采用具有零电压矢量的新型开关表实现直接转矩控制 把零电 压矢量看成保持当前转矩的作用 利用零电压矢量来减小转矩的波动 以及减少逆 变器开关次数和转矩的脉动 开关表中输出量与输入量的关系见附表 1 其中 v xxx 中 x 1 表示逆变器相应相的上臂导通 0 表示下臂导通 1 6的分布见图 3 3 区域的划分是以 坐标系的 轴为基准确定的 因此定子磁链的位置可用其 轴分量 估算的定子旋转磁链来确定 v1 v6为逆变器输出电压的空 间电压矢量 当施加电压矢量与 s夹角小于 2 时 将使磁链幅值增加 当大于 2 时 磁链幅值减小当电压矢量超前于 s时 转矩增加 落后于 s时 转矩减 小 附表 1 逆变器开关表 1 2 3 4 5 6 1 1 001 2 001 3 001 4 001 5 001 6 001 0 0 000 7 111 0 000 7 111 0 000 7 111 0 1 1 001 5 101 4 110 6 001 2 010 3 011 1 6 001 2 010 3 011 1 001 5 101 4 110 0 7 111 0 000 7 111 0 000 7 111 0 000 1 1 5 101 4 110 6 001 2 010 3 011 1 001 6 图 3 3 空间电压矢量和分区 用 分别表示电机磁链和转矩的给定值和实际值的误差状态 当给定值 比实际值大时状态为 1 否则状态为 0 则由 的状态以及磁链所处分区的位 置 便可按表 1 选择开关电压矢量 并为了方便在 MATLAB simulink 中实现查表 的位置我们假设一个变量的到 9 21S 3 3 逆变器开关时间控制模型逆变器开关时间控制模型 如图2所示 设定当前采样周期的定子磁链矢量为 下一采样周期的定子磁sn 链矢量为 s n 1 所以给定转矩和估计转矩之间存在误差 将式 8 的定子磁链增量d s分解到 轴系的两坐标轴上 10 sin sin sin cos sssssss sssssss du tu t du tu t AA AA 再利用Clarke逆变换 将式 10 映射到定子三相坐标系A B C轴系上 把定子 磁链增量分配到三相绕组 如 sd 11 sin sin 3 sin 3 A B C s As Bsssss Cs s dt du tut dt A A 定子合成磁链矢量的增量在各相绕组上的分量惟一地由参考电压在该绕组上的 作用时间决定 参考电压在各相绕组上的作用时间是定子合成磁链矢量空间位置s 角的函数 如 s 7 12 sin sin 3 sin 3 A B C ss ssss sss tt ttu tt A A A 其中为定子合成磁链矢量相对于A相绕组 轴 的空间角位移 一个周期内s 定子参考电压矢量的作用时间根据式 8 和 9 求得 即sust 13 ss s s sss d d td uuu 上式中 虽然d s和us都是空间矢量 但是二者方向相同 所以直接采用其幅 值进行计算 us 是参考电压空间矢量的幅值为直流母线电压 3 4 永磁同步电机直接转矩控制的系统永磁同步电机直接转矩控制的系统 永磁同步电机直接转矩控制的系统结构如图 3 4 所示 是一个包含速度和转矩 的双闭环系统 主要包括电机转速 pi 调节器 定子磁链和转矩观测器 转矩与磁链 滞环比较控制器 最佳开关逻辑选择表 逆变器等 以和分别作 为转矩和定子磁链的给定值 te s分别为利用 坐标系的电压和电流估算得 的转矩和磁链实际值 在调速系统中可作为转速调节器的输出 与实际转矩比较后 经转矩滞环控制器输出转矩增减信号 当需要增大电磁转矩时 转矩控制器输出 1 逆变器输出电压所形成的空间电压矢量使 s向前转动 由于电机的电磁时间常 数小于机电时间常数 使定子磁链转速快于转子磁链转速 其结果是 增大 增 大了实际电磁转矩 转矩控制器输出 0 时 将减小实际转矩 进入稳态后 转矩给 定值与实际值之差落在转矩控制器的滞环内 转速平均值也稳定为同步转速 为给 定的定子磁链 与实际定子磁链相比较后 经磁链滞环控制器输出磁链增减信号 定子磁链保持在一个规定的范围内 这两个控制器的输出共同确定开关表的输出值 控制逆变器的 pwm 波输出 在控制过程中 在每一个采样周期开始 非零导通时间所对应的逆变器开关同 时导通 向PMSM三相绕组供电 然后根据每相绕组的通电时间控制对应功率开关 截止 一个周期内每个桥臂只有一个功率开关动作一次 具有恒定的开关频率 实 际是一种恒频脉宽调制方式 该控制算法彻底避免了传统DTC控制以及SVM控制策 8 略中磁链工作扇区的判别以及矢量合成等复杂的数据和逻辑计算 特别适合于数字 PWM控制器件 可以直接用于DSP FPGA等控制平台 图 3 4 永磁同步电机直接转矩控制的系统结构 9 4 系统仿真模型的组建系统仿真模型的组建 4 1 仿真系统仿真系统 本文主要是利用 Matlab 软件进行仿真 Matlab 的含义是矩阵实验室 MatrixLaboratory 它集数值分析 矩阵运算 信号处理和图形显示于一体 构 成了一个方便的 界面友好的用户环境 在这个环境下 对所要求求解的问题 用 户只需要简单地列出数学表达式 其结果便以数值或图形方式显示出来 Matlab 的 推出得到了各个领域专家学者的广泛关注 其强大的扩展功能更为各个工程领域提 供了分析和设计的基础 Matlab 包括被称作工具箱 Toolbox 的各类应用问题的求解工具 随着 Matlab 版本的不断升级 其所含的工具箱的功能也越来越丰富 因此应用范围也越 来越广泛 成为涉及数值分析的各类设计不可或缺的工具 Simulink 是基于 Matlab 的框图设计环境 可以用来对各种动态系统进行建模 分析和仿真 它的建模范围广泛 可以针对任何能用数学来描述的系统进行建模 例如航空航天动力学系统 卫星控制制导系统 通信系统 船舶及汽车等 其中包 括了连续 离散 条件执行 事件驱动 单速率 多速率和混杂系统等 Simulink 提供了利用鼠标拖放的方法来建立系统框图模型的图形界面 而且还提供了丰富的 功能块以及不同的专业模块集合 利用 Simulink 几乎可以做到不书写一行代码即完 成整个动态系统的建模工作 除此之外 Simulink 还支持 Stateflow 用来仿真事件 驱动过程 Simulink 是从底层开发的一个完整的仿真环境和图形界面 是模块化了的编程 工具 它把 Matlab 的许多功能都设计成一个个直观的功能模块 把需要的功能模块 用连线连起来就可以实现需要的仿真功能了 也可以根据自己的需要设计自己的功 能模块 Simulink 功能强大 界面友好是一种很不错的仿真工具 Simulink 仿真具有以下的特点 1 交互建模 10 Simulink 提供了大量的功能块 方便用户快速地建立动态系统模型 建模时只 需要使用鼠标拖放库中的功能块 并将它们连接起来 用户可以通过将块组成子系 统建立多级模型 对块和连接的数目没有限制 2 交互仿真 Simulink 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境 用户可以通过下拉菜单执 行仿真 或者用命令行进行批处理 仿真结果可以在运行的同时通过示波器或者图 形窗口显示 3 能够扩充和定制 Simulink 的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能 4 与 Matlab 和工具箱集成 由于 Simulink 可以直接利用 Matlab 的数学 图形和编程功能 用户可以直接 在 Simulink 下完成诸如数据分析 过程自动化 优化参数等工作 工具箱提供的高 级设计和分析能力可以通过 Simulink 的屏蔽手段在仿真过程中执行 5 专用模型库 Simulink 的模型库可以通过专用元件集进一步扩展 在 MATLAB simulink 中建立了如图 4 1 的系统仿真模型 其中包括它包括 3 2 变换 磁链估算和转矩估算等子系统 进行磁链估算时 磁链初值不宜为 0 否则 仿真会出错 因此在磁链估算子系统中 要给积分模块赋一个初值 图 4 1 基于 MATLAB simulink 的 PMSM DTC 系统的仿真模型 区段判断的实现 11 定子磁链矢量所在的区段我们可以根据磁链在 坐标上的分量进行判定 由 的正负确定定子磁链矢量的象限 再由 tan 决定定子磁链矢量的 具体位置 其实现模块如图 5 所示 其中的 MATLAB 函数模块是用来调用 MATLAB 中求反正切的函数 开关模块是一个 2 选 1 的输出 其输出再经过图 4 2 到图 4 4 子系统便可以得到区段结果 表 2 为磁链位置所对应的区段值 图 4 2 角度计算 图 4 3 磁链区段的确定 角度区段角度区段 2 6 6 6 6 1 6 2 2 2 5 6 3 5 6 7 6 4 2 6 5 表 2 磁链区段和角度的关系 12 图 4 4 转矩和磁链误差信号 4 2 其他模型的建立其他模型的建立 按照以上相类似的方法 我们对逆变器及其驱动信号 坐标的变换 u 和 u 的获取 电机磁链的估算和转矩的估算等等 建立相应的 Simulink 模型其子模块 如图 4 5 到图 4 8 图 4 5 逆变器及其驱动信号 13 图 4 6 静止 abc 坐标系到 坐标系的变换 图 4 7 定子磁链估算模型 图 4 8 转矩估算模型 14 5 仿真结果及其分析仿真结果及其分析 永磁同步电机的主要参数为 电阻 rs 1 652 电感 ld lq 8 5mh 永磁磁链 极对数 p 4 转动惯量 j 0 0008kg m2 系统给定转速0 175fb n 500r min 零负载启动 在 t 0 5s 突加 4n m 的负载 仿真所得的转矩 转速 电流波形分别如图 5 1 到图 5 3 在逆变器和 PMSM 子模块间 接入电压测量装置以观测的相间电压 因为当 Simulink 模块与 PSB 模块相连时 要求接入一个电气测量模块 否则仿真会出现错 误 图 5 1 转矩波形 图 5 2 转速波形 15 图 5 3 电流波形 可以看出电机在通电以后 迅速到达最大转矩 然后很快回到稳定值 在 0 5s 时 负载转矩突变为 4n m 输出转矩波形跟随给定 实现了对电机的瞬时力矩的 控制 转速迅速达到给定值 500rad s 在 0 5s 负载转矩发生变化时 转速有微小的 震荡后回到给定值 从电流波形可看出 三相电流按正弦规律变化 说明电机的运 行是正常的 在 0 5s 定子电流发生变化 可以看出此控制系统响应快 稳定性好 抗干扰性能高 仿真波形与理论分析情况一致 16 6 结束语结束语 与传统的建模方法相比采用 MATLAB 的 PMSM 直接转矩控制的建模方法可以 在 simulink 环境下建立系统的仿真模型并进行仿真实现 仿真结果表明 波形符合 理论分析 系统运行平稳 具有良好得静 动态性能 这为进一步分析和设计永磁 同步电机直接转矩控制系统提供了有效的手段和工具 参考文献参考文献 1 田淳 胡育文 永磁同步电机直接转矩控制理论及控制方案的研究 电工技术学报 2002 2 8 11 2 王沫然 Simulink 4 建模及动态仿真 北京 电子工业出版社 2002 3 姜平 CNC 系统中指数升降速控制曲线的算法 微特电机 2003 31 5 16 17 4 范治田 新型数字化可编程频率合成器 DDS 现代电子技术 2003 12 26 30 5 周俊峰 陈涛 基于 FPGA 的直接数字频率合成器的设计和实现 国外电子元器件 2003 1 4 6 6 唐任远 现代永磁电机理论与设计 北京 机械工业出版社 1997 7 王成元 矢量控制交流伺服取得电动机 北京 机械工业出版社 1995 8 Tiitinen P Surandra M The next generation motor control method DTC direct torque control Proceedings of the 1996 International Conference on Power Electronics Drives and Energy Systems for Industrial Growth IEEE Part 1 New York USA 1996 37 43 17 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标 注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的 材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均已在文中作 了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 18 学位论文原创性声明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 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书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 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 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 19 致 谢 时间飞逝 大学的学习生活很快就要过去 在这四年的学习生活中 收获了很多 而这些 成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的 首先非常感谢学校开设这个课题 为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验 奠定了 基础 本次毕业设计大概持续了半年 现在终于到结尾了 本次毕业设计是对我大学四年学习 下来最好的检验 经过这次毕业设计 我的能力有了很大的提高 比如操作能力