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1、1 引言11 课题研究背景与意义随着科学技术的发展进步，电机和电力电子技术以及微型计算机技术的研究水平日益成熟，使得电动机控制方法变得多样化、完善化。在工业、国防军事等控制系统中电机发挥着举足轻重的作用。近年来，永磁同步电机凭借其运行稳定，结构简单闻名于交流伺服系统。然而，由于我国研究起步晚，所以和其它先进国家在其领域还有一定的差距，尽管如此，但是我国在永磁同步电动机发展领域还是有一定的优势的，如永磁体制作所需的稀土资源在我国还是很丰富的，这样就给我国对永磁同步电动机的制造提供了一个良好的环境。对永磁同步电动机的模型进行深度的分析，研究先进的控制策略与控制手段，使系统有较强的环境适应性和抗扰动
2、能力1,2。12 电机的发展 电机按照其供电方式，可以分为直流电机和交流电机。直流电机不需要其它设备的配合，只要改变输入或励磁电压电流就可以实现平稳的调速。因此70年代后出现的能源危机促使人们向交流不调速领域开始向调速系统领域研究。目前电机调速的难点在于实现电机调速的平稳控制也就是控制转矩。20世纪末期晶闸管技术还不太成熟高精度的交流电机调速无法实现，所以，当时应用最广泛的还是直流电机。但在此之后，随着大功率晶闸管和计算机控制理论的的相继问世，交流电机调速又逐步为人所研究2。 交流电机按其原理不同，可分为同步和异步电机，两者相比较，前者转子转速等于旋转磁场的转速。前者的旋转速度与其电源的频率有
3、相对应关系，运行时保持恒定转速；后者的特点为转子速度与定子速度不同。异步电机凭借其从空载直接到满载也几乎不影响电机的转速的优点，得以迅速的发展。但相对于一些具有低速高功率的设备则常使用前者。前者在不受负载的影响下，可通过人为的调节其励磁来改变功率因数，甚至还可以使功率因数超前。利用这一特性可以吸收或者补偿电网中的无功功率，从而实现电网功率因数平衡3,37。同步电机又可分为电励磁和永磁两种。1.3 永磁同步电机的特点及其发展1970年，永磁体被发现后，相应的永磁材料也得到了发展。 永磁同步电机的优点4：节约能源，降低成本，对应的功率因数得到提高；具有很快的转矩、转速响应；抗干扰能力强，受负载影响
4、小；控制方法简单，通过对变频器的调节控制电源频率，进而控制电机转速；功率密度高；结构简单，体积小，效率高；功率因数高，定子绕组呈阻性负载，其功率因数接近1。我国在永磁同步电动机发展领域还是有一定的优势的，如永磁体制作所需的稀土资源在我国还是很丰富的，这样就给我国对永磁同步电动机的制造提供了一个良好的环境。在一些智能技术、计算机外部设备中永磁同步电机所占比例也越来越大，由此可知，永磁同步电机的使用在我国已经日趋成熟5,6。除此之外微机调控使得修正控制参数，改变策略以及调整模型变得简单可靠。并且，近年来专门用于数控电机伺服系统的电机控制芯片已经问世了7。1.4 永磁同步电机的控制策略的控制方法主要
5、表现在三个方面，分别为变压变频、矢量控制、直接转矩控制8,9。1.4.1 永磁同步电机VVVF控制该控制方法将系统的参考电压和频率输入到实现变压变频的调节器上，使逆变器在定子绕组上增加相应的电压，进而控制电机稳定运行。另外，逆变器采用脉冲宽度调制()方式。这种控制的具体方法属于开环控制，该方法因没有引入反馈，无法实时捕获电机状态。该方法利用开环控制特点实现电压、电流的反馈。为此，该系统的工作状态无法精确控制。该控制方式一般适用于风机、水泵等无需精确控制的场合。1.4.2 永磁同步电机矢量控制 上世纪七十年代德国提出矢量控制理论，其原理：将交流电机等效成直流电机，仿照后者的控制方法，再经相应的反
6、变换从而控制实现对交流电机的控制。最终实现定子电流的分解，进行转子磁链与电磁转矩的解耦控制。该系统可实现零速全负载，具有高精度、快速的转矩响应。然而，在实际上转子磁链的直接控制十分困难，电机的基本参数对其影响很大，并且矢量旋转变换控制十分的复杂，使得实际的控制效果难以达到理论分析的结果，这也是矢量控制技术的不足之处10-11。1.4.3 永磁同步电机直接转矩控制 该控制方法的基本思想是根据磁链、转矩观测值与参考值经两个滞环比较器后得到磁链、转矩控制信号，综合考虑定子磁链位置，选取逆变器控制信号，实现对电压空间矢量输出的控制，控制定子磁链的走向，从而控制转矩。其主要优点是用定子磁链的定向代替转子
7、磁链的定向，避开了电机中不易确定的参数，控制方法简单，转矩响应快，动态性能好。省去了矢量控制中复杂的坐标变换。本文主要针对该控制方法对的控制，具体分析其利弊，并在此基础上做相应的完善措施，进而满足生产需求12。15 永磁同步电机直接转矩控制的发展和研究现状直接转矩控制是继矢量控制技术之后新发展起来的一种具有高性能的交流变频调速技术。1996年英国的French C和Acamley P关于永磁同步电机直接转矩控制的论文和1997年由胡育文教授等人提出直接转矩控制方案开始，众多学者纷纷开始对永磁同步电机的直接转矩控制的研究13,14。 直接转矩控制和矢量控制的差异在于定子控制不同,后者通过控制电流
8、矢量控制来控制转矩，前者通过控制定子磁链直接控制转矩。然而，由于永磁同步电动机直接转矩控制是通过迟滞比较器控制转矩和定子磁链幅值的方法,虽然选择最优的空间电压矢量,但忽略了误差,因此很难完全补偿转矩和磁链误差。后者的开关切换采用步进式,易造成一些功率器件开关频率不是常数,因此不能达到理想的控制效果。因此，可以从两个方面研究,一是通过对电压矢量的改进,如采用无差拍控制15，空间电压矢量调制16，预测控制17等。另一部分则针对电压矢量细节技术的研究，以及采用模糊控制等智能算法来代替传统的滞环比较器和开关表18。上世纪八十年代以来，直接转矩控制系统成功应用于智能控制系统中，主要在以下方面发展。1）低
9、速转矩脉动抑制。该方法针对开关表，例如空间电压矢量能够合成任意空间电压矢量的幅值大小和角度大小等。直接转矩方面国内外研究的热点是空间矢量选择表的优良性选择。2）无速度传感器。结合矢量控制构成无速度传感器的直接转矩控制系统。提高精度和动态响应速度,增强系统的鲁棒性参数变化从而获得理想的无速度传感器19,22。3）现代控制理论的应用。结合直接转矩控制，提高系统的鲁棒性和动、静态性能,模糊控制、神经网络控制等是现在研究的热点23。16 论文的主要内容本文开始对电机及其控制理论的介绍，其现状的分析，通过对电机的结构，数学模型，物理模型的分析，引入直接转矩控制理论，并利用MATLAB/SINMULINK
10、软件对其进行仿真，从而更好地充分的发挥其重要作用。2 永磁同步电机的结构及数学模型分析本文通过对永磁同步电机的结构分析，在不同坐标系下建立数学模型以及物理模型，对电机整体结构有个清晰的认识，通过对数学模型的分析，能够清晰的反映出各个参数之间的联系，为永磁同步电机的各个物理量之间的因果关系以及控制方法提供了坚实的理论基础。21 永磁同步电机的结构简介永磁同步电机英文简写，该结构忽略励磁绕组和电刷，将永磁体的磁场来代替励磁的电机。由电机基座和定转子等部分构成的。定子由硅钢片、定子绕组、铁芯和端盖等部分构成，转子用永磁材料制成隐极式磁极，采用适当的几何结构，使磁势波形接近空间分布正弦波。受使用环境影
11、响，转子可以分为内、外转子。前者根据永磁体在转子上的分布位置又可分为表面式、内置式、爪极式，表面式转子结构如图1所示。这个主要应用于调速控制，但是没有启动绕组所以不能自启动。内置式转子结构，如图2.1。这样的永磁同步电机主要用于对电机性能要求高的场所，永磁体表面和定子内圆之间有铁磁极靴，这样的设计能够满足自启动要求。转子按照旋转方向与极化方向的不同，可以细分，内置式的转子磁路又分为径向式和切向式。分别如下图所示。（a）凸出式（b）插入式图1 表面式转子磁路结构1-永磁体 2-转子铁芯 3-转轴 图2.1 内置径向式转子磁路结构1-转轴 2-空气隔磁槽 3-永磁体 4-转子导条 图2.2 内置切
12、向式转子磁路结构1-转轴 2-永磁体 3-转子导条22 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机有着广泛的应用前景，因此对其模型的分析必不可少，现对其数学模型进行分析，以便更好的了解其有关的数学变量，从而更好地控制电机的运行。2.2.1 空间矢量原理基于空间矢量的直接转矩控制解释，将电机的多个分量分解为单个分量。将系统中变化的参数转变为时域向量，将简化同频率下的加减运算。 正弦电流可以表示为式(2.1)。 (2.1) 式中表示电流的峰值，表示电流的相角度()，它随着时间角速度旋转。三相交流电机的分析，已知三相连续对称电流可以表示为式(2.2)。 (2.2)若定子绕组为三相对称绕组，为方便计算，假设
13、假设每相绕组都仅仅包含一匝产生磁动势线圈，忽略空间上的谐波成分，则三相对称的电流所产生的磁动势六分量可以表示为式(2.3)。 (2.3) 式中为磁动势与参考坐标轴之间的夹角，为电机定子绕组的等效线圈匝数，该式也可表示为式(2.4)。 (2.4) 式中运算符，为一个比例变换常数，即空间变换系数。式(2.4)定义了定子电流的空间矢量，表示为式(2.5)。 (2.5) 按照上述得方法，我们可以得到定子电压和定子磁链的空间矢量表达式，分别为式(2.6)和式(2.7)。 (2.6) (2.7)2.2.2 永磁同步电机的空间坐标系统 图2.3 永磁同步电机坐标系在对永磁同步电机解耦控制的研究中，为更好的实
14、现解耦，方便研究，学者和专家们引入了空间矢量坐标系的概念。如图2.3，图中给出了永磁同步电机研究过程中用到的三类坐标25-27。在研究永磁同步电机的模型之前，先了解三类坐标系及其应变化。图2.3 永磁同步电机坐标系1）三相定子坐标A-B-C本文所采用为一个对称三相定子绕组的电机系统，其绕组轴线在磁场上互差。为方便起见，假设每相绕组都仅仅包含一匝磁动势线圈，忽略空间上的谐波成分，当定子通入三相对称电流时，线圈产生一个旋转磁场，如果定子绕组的某一物理量（如电势、磁势、电流、电压等），其定子三相绕组中的瞬时值分别为 ，则该物理量的空间矢量可表达为式（3.1）。 (3.1)其中为单位矢量。图2.3定子绕组满足式（3.2）。 (3.2)2）定子两相静止坐标系三相定子坐标系中的三个单位矢量中的任何一个是其他两个的线性组合，它们并不是相互独立的。然而，复平面中只要两个独立的坐标系，故而对坐标有如下定义，轴与A轴重合，轴超前轴，当定子两相静止坐标系中通入两相对称正弦电流时，同时产生一个旋转磁场，其效果与三相定子坐标系所产生的效果相同。3）转子两相静止坐标系旋转坐标模型是分析交流电机常用的模型，它既可以分析永磁同步电机的静态性能也能分析电机的暂态性能。它的d轴和永磁同步电机的转子磁链方向相同，q轴超前d轴90度，d轴坐标与轴之间的电角度相差度。坐标系随着电机的气隙磁场同步旋转，因此对于转子来
