1、XX大学毕业设计交流伺服系统直接转矩控制设计与仿真摘 要由于永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率和功率因数高等明显特点，从70年代末开始，永磁同步电机就得到广泛重视，经从事电机及其驱动系统研究的学者和研究人员的努力，其本体设计和控制方式在近二十年内得到了长足的发展，商用化的产品也已经进入到工业生产应用的各个面面。转矩直接控制是继矢量变换控制之后被人们普遍看好的一种高性能交流驱动控制方式，最初转矩直接控制是针对感应电机提出的，后来这种控制思想逐渐应用到了同步电机，特别是永磁同步电机控制上，使永磁同步电机的控制策略研究走上了一个新的台阶。 本文通过大量的文献资料阅读，对永磁同步电机及其相关技术
2、的发展、现状和趋势有了一个比较全面的理解，在此基础上，详细分析了永磁同步电机转矩直接控制的机理，并提出了一套相应的转矩直接控制方案，建立了仿真平台，进行了仿真分析，获得了有价值的研究成果。本文的主要内容包括： (1)由空间矢量模型推导出永磁同步电机的磁链、电压和转矩的公式，描述了永磁同步电机转矩直接控制的基本控制机理，分析了永磁同步电机与感应电机在转矩直接控制方式上的不同之处以及转矩直接控制对永磁同步电机的要求。 (2)在对永磁同步电机运行机理的分析基础之上，讨论了永磁同步电机转矩直接控制系统中各个控制子模块的功能和具体的实现方式，提出了一套永磁同步电机转矩直接控制的具体实施方案，并根据这套方
3、案建立了基于Simulink (Matlab)的永磁同步电机转矩直接控制仿真模型，对所出的控制方案进行了仿真分析。仿真结果验证了该方案在理论上的可行性。关键词：永磁同步电机，转矩直接控制，计算机仿真，数字控制系统Direct torque control of AC servo system design and simulationAbstractBecause of its excellent performance, Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) has been paid more attention in the past two
4、 decades. With the development of the PMSM design and its control techniques, the PMSM has widely been used in many industrial applications. When time goes on, Direct Torque Control (DTC) has become an accepted advanced control method beside the current vector control. Although DTC was initially app
5、lied in asynchronous machines, but it has been introduced successfully to synchronous machines. This thesis will discuss the DTC in the PMSM.Based on widely reading of references and understanding of PMSM operational principle, the thesis analyzes the principle of PMSM DTC and proposes the PMSM DTC
6、strategy. The main contents of the study as follows: (1)An introduction to the space vector theory and its application on the modeling of PMSM is presented firstly, which shows the basic idea of PMSM DTC. A comparison of DTC in asynchronous machine and PMSM is made as well. In order to take the full
7、 advantage of the DTC, the PMSM has to be properly selected. Therefore the effect of the motor parameters is analyzed taking the control principle into account. (2)Based on the basic analysis of the PMSM DTC principle, the function and the realization of the sub-modules of PMSM DTC are discussed. A
8、set of PMSM DTC strategy and the simulation platform are presented; the simulation result proves that this set of strategy is effective in the theory.Key Words: Permanent-Magnet Synchronous Machines (PMSM), Direct Torque Control (DTC), SimulationV目 录摘 要IAbstractII目 录III插图清单V引 言- 1 -第1章 绪 论- 2 -1.1 交
9、流伺服系统的研究现状和发展趋势- 2 -1.2 交流伺服系统控制策略研究现状和发展趋势- 2 -1.2.1 经典控制策略- 2 -1.2.2 现代控制策略- 5 -1.2.3 智能控制策略- 6 -1.3 本论文的研究目的与任务- 8 -第2章 永磁同步电机的结构与数学模型- 10 -2.1 永磁同步电机的结构- 11 -2.2 坐标变换原理- 11 -2.2.1三相定子坐标系（A-B-C系）- 11 -2.2.2两相定子坐标系（系）- 11 -2.2.3同步旋转坐标系（d-q系）- 11 -2.2.4三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的坐标变换- 12 -2.2.5两相定子坐标系和同步旋转坐
10、标系之间的坐标变换- 13 -2.3 永磁同步电机运动规律与数学模型- 14 -第3章 直接转矩控制的基本原理及系统结构- 17 -3.1 逆变器模型与空间电压矢量的生成- 17 -3.2 空间电压矢量对定子磁链和转矩的影响- 19 -3.3 基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的构成- 19 -3.3.1 磁链和转矩滞环比较器- 20 -3.3.2 定子电压重构- 21 -3.3.3 磁链和转矩观测器- 22 -3.3.4 空间电压矢量的选择- 23 -3.4 改进算法- 24 -3.4.1 空间电压矢量脉宽调制技术（SVPWM）- 24 -3.4.2 矢量细分的基本思想- 27 -第
11、4章 系统仿真- 30 -4.1 Matlab简介- 30 -4.2 直接转矩控制系统组成及仿真- 30 -4.2.1 3/2坐标变换模块- 31 -4.2.2 磁链和转矩模型及仿真- 31 -4.2.3 磁链调节器仿真- 32 -4.2.4 转矩调节器仿真- 33 -4.2.5 位置估算模块- 34 -4.2.6 扇区选择模块- 35 -4.2.7 开关表模块- 35 -4.2.8 逆变器模块- 36 -4.3 直接转矩控制系统仿真模型- 37 -结论- 40 -致谢- 41 -参考文献- 42 -附录A 外文文献及译文- 44 -A.1 英文原文- 44 -A.2 译文- 50 -附录B
12、文献题录及摘要- 57 -插图清单图2-1 PMSM的不同转子结构.-10 -图2-2 三相定子坐标系. -11-图2-3 两相定子坐标系.-11-图2-4 同步旋转坐标系.-11-图2-5 三相定子坐标系和两相定子坐标系的关系.-12-图2-6 两相定子坐标系和同步旋转坐标系的关系.-13 -图2-7 永磁同步电机矢量图.-14-图3-1 逆变器供电的PMSM驱动系统 .-17 -图3-2 基于空间电压矢量.- 18 -图3-3 基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统的结构框图.- 20 -图3-4 磁链滞环控制示意图.- 21 -图3-5 电压模型结构框图.- 23 -图3-6 用于直
13、接转矩控制的空间电压矢量平面.- 23 -图3-7 空间电压矢量分布图.- 25 -图3-8 电压矢量合成图. - 26 -图3-9 12个空间电压矢量及其对应扇区图.- 28 -图3-10 合成矢量的调制输出波形.- 29 -图4-1 直接转矩控制系统整体仿真模型.- 30 -图4-2 3/2变换模型仿真 .- 30 -图4-3 磁链和转矩模型仿真.- 31 -图4-4 两点式调节器. - 31 -图4-5 磁链调节器仿真.- 32 -图4-6 三点式调节器.- 32 -图4-7 转矩调节器仿真.- 32 -图4-8 位置估算模块.- 34 -图4-9 扇区选择模块.- 34 -图4-10
14、开关表模块.- 35 -图4-11 逆变器模块.- 36 -图4-12 仿真结果.- 37 -引 言电机作为主要的动力设备，其应用范围已普及国民经济的各个领域以及人们的日常生活中。电机控制技术是一门比较复杂的交叉技术，其涉及面比较广，包括电机、电力电子技术、控制理论、DSP技术以及计算机控制与仿真技术等多方面的综合。随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术的巨大进步，交流伺服控制系统日益成熟、应用日益广泛。特别是PMSM伺服运动控制系统的研究状态，国内外学者从不同角度着手进行了大量的研究和实践，并取得了较为丰富的成果；尤其是近年来围绕提高其伺服控制的性能、降低成本在系统控制策略上做了大胆的
15、探索和研究，提出了一些新的思路，采用了一些具有智能性的先进控制策略并取得了一些具有实用性意义的成果。但是永磁同步电动机自身就是具有一定非线性、强耦合性及时变形的系统，同时其伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时还受到不同程度的干扰，因此按常规的控制策略是很难满足高性能永磁同步电动机伺服系统的控制要求。继矢量控制技术之后，20世纪80年代中后期由德国鲁尔大学德彭布罗克教授首先取得了直接转矩控制实际应用的成功。近十几年的实际应用表明，与矢量控制法相比可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。交流电机直接转矩控制是一种很有前途的控制技术。本文将通过Matlab对交流伺服系统直接转矩控制进行
16、仿真从而说明此控制策略的优越性。- 1 -第1章 绪 论1.1 交流伺服系统的研究现状和发展趋势一般来说，所谓伺服控制系统是以被驱动机械物体位置（姿态）、速度、加速度等变量为被控量，使之能随指令的任意变化以一定的鲁棒精度实现稳定与追踪的控制系统。就系统中的执行元件来看，从其发展的历史过程而言，先后经历了步进电动机、电液脉冲马达、直流小惯量电动机、直流大惯量电动机、交流伺服电动机等几个阶段。在上世纪的70年代末，80年代初，开始了交流伺服电动机为执行元件的交流伺服控制系统的新时代，已经逐渐取代直流伺服电动机。在交流伺服控制系统中，先后出现了感应式交流伺服电动机驱动系统，永磁交流伺服电动机的伺服系
17、统。以及磁阻交流电动机等驱动系统，在上世纪的90年代初，又出现了具有直接驱动能力的各类直线伺服电动机及其驱动系统，揭开了交流直线伺服控制系统取代交流旋转伺服控制系统的序幕，其中以永磁交流伺服电动机驱动系统发展最快，在当前已占据了主导地位。谈交流伺服控制系统的发展问题，实际上是在讲永磁式（包括永磁旋转式和直线式电动机两种伺服系统）交流伺服控制系统的发展状态以及当前的研究热点。永磁式交流伺服电控制机驱动系统代表了交流伺服控制系统的主流。我国稀土资源丰富，并且我国的稀土永磁材料及稀土永磁电动机的研究具有国际先进水平，这为我国发展永磁式交流伺服系统提供了得天独厚的有利条件，这是世界上其它任何国家所不具
18、备的，我们应该在新型永磁伺服电动机、永磁直线交流电动机、永磁直接驱动力矩电动机等的理论研究、工程设计、制造与使用方面取得突破性进展，为先进的交流伺服系统提供优良的驱动执行元件，这也是最基础性的任务。配置良好控制与驱动系统，可以达到十分优良的性能：低速平稳，可靠，弱磁实现高速，大大提高了调速范围，加速性能优良，动态反应快，控制相对简单容易，电机体积小，扭矩大。近年来永磁材料价格大幅度下降，市场供应充分，这些都是发展永磁交流伺服控制系统的物质基础和技术基础。 （一）发展现状主要表现的几点（1）永磁化 无论是旋转式同步伺服电动机，还是直线式伺服电动机，目前从其性能方面来看都要求实现永磁化，特别是我国
19、稀土永磁材料产量高价格低，作为电机的永磁材料具有独特的优势。目前其居里温度提高较大，耐振动，可弱磁调速，已成为交流伺服电动机的主要机型，并且扩展到其它领域中的应用，如电动汽车、电梯等。（2）全数字化与软件化 伺服控制技术经历了模拟、混合式、全数字化的发展历程，到目前，早已是由硬件伺服控制技术转到软件伺服控制阶段，许多先进控制算法都可以由计算机软件实现，控制的修正、更新方便灵活。 （3）高度集成化 IPM功率智能模块，将保护、驱动、功率开关集成到一个模块上。将控制环电流环、速度与位置环集成到一起，成为独立单元或计算机内部的独立计算模块，不再单独立设计。（4）通讯网络化融入局域网络中，可以控制多台
20、交流伺服控制系统以利于车间自动化加工技术的发展，易于实现综合自动化。正如本文在前面所述，目前永磁直线电动机的直接驱动正在兴起，将以其零传动的优势，大有与旋转伺服驱动一争高下之势。但在国内目前还在研发阶段，在实际中应用，还是凤毛麟角，大范围推广应用尚需时日。（二）交流伺服系统的研究热点交流伺服控制系统应用在国民经济各个部门以及军工、航空、航天等科技领域，其伺服的对象十分广泛，技术性能和经济性要求各异，相差有天壤之别。现就机床界普遍关注的几个研究热点问题，粗浅地谈一点看法：（1）直线电动机在数控机床中零传动伺服进给驱动问题，它取代旋转电机能实现高速响应、高精度定位、极高的传动刚度，加减速过程快、行
21、程不受限制，但它不像单体旋转电动机那样，能安装在机床的边缘部分，它只能在机床的床身上安装，不够灵活，尚有防尘、防磁等问题，全闭环控制需要直线位移传感器，调试比较麻烦，必须消除永磁直线电动机的端部效应干扰影响，要求控制器具有更强的鲁棒性，增加了设计上的难度，这些都需要在应用中加以解决。 （2）摩擦在伺服驱动中有百害而无一利，应尽量设法加以消除。为了在直线伺服电动机的运动中消除运动噪声，提高效率与定位精度，应该选用磁悬浮导轨。这是精密伺服运动需要解决的一个关键技术。 （3）在五轴联动数控机床中，应设计研发大扭矩、高精度环形动力矩电机、低转速、大力矩，定位精度高直接驱动系统，以解决双摆铣头、转台旋转
22、进给运动中的高转矩密度伺服电动机与系统要求伺服控制器在极低速度下切削加工能力。在超低速状态下，适应具有良好的动态性能且具有强鲁棒性；而目前配置的传统矢量控制的伺服控制器就难以达到上述要求。所以，研究适应于甚低速下高精度与高效率驱动摆头/转台的环形电动机的新型交流伺服控制器是一项关键性任务。研究多轴精密联动伺服控制是高档数控机床加工三维空间复杂曲面零件加工的需要。多轴精密联动数控机床首先必须具有相应功能的计算机数控系统CNC，但CNC给出的只是命令，要求伺服机构做微小直线运动而必须靠伺服驱动系统来执行。CNC通过编程插补可给出多轴精密联动运动命令，但进给系统各轴的结构、功能、参数、负载情况不同，
23、致使各联动轴增益不能匹配，这是在同样的插补微指令作用下造成各轴运动差异的主要原因之一。在这里，把整个多轴运动控制系统考虑成单一系统含有多个变量，藉由轴间彼此影响来相互补偿，使相对快的减慢，相对慢的加快，增加各轴间的匹配程度，通过这种各轴间协调控制，以降低其轨迹的路径的误差。（4）高档数控机床中轨迹多轴精密联动伺服控制器的研究，根据CNC产生的数控轨迹，给出了每一坐标运动的希望位置，但这只是指令值，至于坐标运动能否实现要求位置，插补算法是无能为力的。这需要后继的坐标运动来完成，这就靠伺服驱动来实现。各坐标轴运动的精确性不能保证刀具轨迹运动的精确性，在机床结构良好的条件下，它是由多轴运动的合成结果
24、。为减小轨迹误差，一方面要求减小单轴的跟随误差，即首先实现单轴高精度控制。二是靠多轴协调控制，即通过耦合控制等方法实现轨迹的高精度控制。这又是当前伺服控制研究的一个热点问题。（5）用先进相位控制理论，实现优化的零相位误差跟踪控制，完全克服伺服滞后，为单轴的高精度控制提供所必要的技术措施；采用非脆弱的鲁棒控制技术，使伺服控制系统在不确定性、扰动、负载、参数摄动等因素下能保持鲁棒稳定与性能品质不变，通常采用二自由度方法较方便设计。交流伺服系统本身就是一个有较强非线性、耦合性及变性的复杂系统，加之系统运行时还会受到不同程度的干扰，控制难度比较大。1.2 交流伺服系统控制策略研究现状和发展趋势针对以上
25、提出的各种问题，需要选择有效的控制策略。而选择一种合适的、成功的控制策略，发展高性能的交流伺服系统已经成为国内外众多学者的共识，近些年来也获得了不少的成果而就控制策略而言又有经典控制策略、现代控制策略和智能控制策略之分：1.2.1 经典控制策略经典控制策略中的代表非PID控制莫属了，PID控制作为一种简单而实用的控制方法，在各个领域获得了广泛的应用。在性能要求很高的交流伺服系统中它的应用也不能排除在外主要因素是这种控制方法简单、实用、可靠，其控制作用几乎涵盖了高等数学微积分部分的主要内容。P：比例作用，是对输入信号放大或缩小，起比例尺转换作用。积分I和微分D都是数学分析中的基本运算。积分表现出
26、能够记忆输入函数的现在与过去的整个运动历史进程，并且累计下来，最终不随时间的推移而能一直持续下去，在伺服系统中，不但在过渡过程中起到加强对输出的影响，而且在过渡过程结束后，维持过渡过程结束时的输出状态，这有利于消除稳态误差。微分的作用正好与积分相反，只要输入信号函数是可微的就可以了。目前，PID控制更多的是与其他控制策略相结合，形成带有智能的新型复合控制，如付子义将PID控制与模糊控制相结合，实现了对PID参数的自校正，使交流伺服系统的鲁棒性得到增强，获得较好的控制效果。1.2.2 现代控制策略现代控制策略如自适应控制、鲁棒控制、预见控制、滑模变结构控制的应用，是考虑直线电机伺服系统的结构与参
27、数变化、各种非线性影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素，而开始广泛应用在直线伺服系统的控制器设计上。1 自适应控制自适应是一种将反馈控制与辨识理论相结合，通过寻求某些性能指标最优来完成对被控对象的整体调节的基于现代控制理论中的状态空间的控制方法，目前比较成熟的有模型参考自适应与自校正控制两种。模型参考自适应控制系统不需要控制对象的精确数学模型，也无须进行参数辨识。其关键问题是设计自适应参数调整律，在保证系统稳定性的同时使误差信号趋于零，主要优点是容易实现和自适应速度快。2 直接转矩控制上世纪80年代，Depenbrock教授提出了异步电机直接转矩控制方法。该方法摒弃了矢量控制的解
28、耦思想，实行定子磁场定向，避免了矢量控制中复杂的坐标变换，定子磁链的估计仅涉及定子电阻，减速弱了对电机参数的依赖性，该控制方法简单，转矩响应快，动态性能好。目前已有一些学者致力于该控制方法应用于永磁同步电机，已取得了很大的发展。在定子上的旋转坐标为x，y；转子的旋转坐标为d，q；它们都互为90度。X轴与d轴的夹角为负载角，可以证明在定子磁链幅值|s|保持恒定的条件下，电磁转矩正比于转子磁链r及其与s间夹角的正弦。在稳态情况下，恒定，对应于相应的转矩，定、转子磁链以同步速度旋转；在动态过程中，随负载变化，定、转子磁链瞬时速度会出现差异，以配合的变化。因此，可以通过选择合适的电压空间矢量U来保证定
29、子磁链幅值恒定，调节定子磁链的速度和运动方向同时通过调节负载角来完成对电磁转矩的控制。3 预见控制预见控制是指对目标值的过去、现在、未来和干扰信号的未来情况完全知道的情况下，使目标值与被控量的偏差整体达到最小。预见控制伺服系统是在普通伺服系统的基础上附加了使用未来信息的前馈补偿后构成的，它能极大地减小目标值与被控量地相位延迟，也就是说，被控量能没有延迟地跟踪目标值。郭庆鼎成功地将预见前馈补偿应用于直线电机伺服控制系统中。4 滑模变结构控制滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性。由于滑动模块可以进行设计，且与控制对象的参数及扰动无关，这就使得滑模变结构控制具有快
30、速响应、对参数及扰动变化不敏感、无需在线辨识与设计等优点，因而在直线电机伺服系统中得到了成功的应用，但是同时，抖振问题成了滑模变结构控制广泛应用的一个主要困难。孙宜标等人利用滑模变结构控制可使系统对参数变化及外部扰动具有完全的自适应性的特点，通过设计负载推力观测器来实现对推力扰动的补偿，从而大大地削弱了推力纹波及系统的抖振，在滑动模态中引入积分环节来进一步削弱系统的抖振及消除系统的稳态误差，实现了对永磁同步直线电机的滑模变结构控制。在滑模变结构控制律中是利用不连续项来抑制扰动和参数的影响，所以不连续项的最小幅值将随要抑制的扰动量的幅值及系统参数变化范围增大而增加，因此，如果对扰动进行观测和补偿
31、，那么就可以减小控制律不连续项控制幅值。直线伺服电机的端部效应对推力的影响可等效为负载推力扰动，而且端部效应产生的推力纹波变化比较缓慢，故可设计观测器对负载推力扰动进行动态观测。由于滑模变结构控制方法始终很难回避抖振这一问题，在过去的十多年里，国内外很多学者致力于将滑模变结构控制方法与其他控制方法相结合应用直线伺服系统的控制问题上来，得到了一定的效果。1.2.3 智能控制策略智能控制突破了经典控制理论中必须基于数学模型的框架，它所研究的主要目标不再是单一的数学解析模型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型；其次，智能控制继承了人脑思维的非线性，具有非线性特性，所以智能控制方法更适用控制对象、
32、环境和任务复杂的系统。目前，智能控制在直线电机伺服系统应用中较为成熟的是模糊控制和神经网络控制。模糊控制是根据工程技术人员的实际工作经验，运用模糊逻辑推理，并且借助于计算机来实现的一种控制方法。模糊控制器具有不依赖于被控对象的数学模型，适用范围比较广；对非线性及时变负载具有一定的鲁棒性等优点，此外，模糊控制器专用芯片已商品化，实时性好。因此，在直线伺服控制领域，模糊控制取得了一定的效果。如叶云岳针对直线电机这种复杂的非线性系统的或变负载的应用场合，将模糊控制与PID控制进行了比较，显示了在此类系统的控制方案中采用模糊控制的优势。可尽管模糊控制策略提高了智能性，但是单纯地采用模糊控制策略需要较多
33、的控制规则，需要工作人员的大量经验，控制精度相对较低，因此，目前在直线伺服控制系统中，更多的模糊控制应用是与其它控制策略的复合，如自适应模糊控制、混合模糊控制、神经模糊控制等技术的充分运用。刘金凌等人结合了传统PID控制和模糊逻辑推理各自的优势，在直线伺服系统的控制中，提出了基于模糊推理的自校正PID控制器，结果证明能很好地适应系统及环境的变化，从而满足工业过程中对伺服电机的要求。郭庆鼎等人在设计模糊控制器时，利用遗传算法进行离线优化设计，得到最优的参数，从仿真结果可以看出，经过参数优化的模糊控制系统具有良好的稳定性和鲁棒性。孙宜标提出的基于模糊自学习的交流直线伺服系统的滑模变结构控制，也成功
34、地运用了模糊自学习策略来对实际系统地不确定性因素进行在线学习，对滑模切换控制的方向和幅值进行实时调整，从而大大削弱滑模控制中的抖振。神经网络具有信息分布存储、并行处理、非线性逼近及自学习等优点，所以在直线伺服控制领域显示了广阔的应用前景。目前，已经有许多学者从以下几方面进行了深入的研究：与传统的PID控制结合6；将神经网络用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器；将非线性神经网络控制与滑模控制相结合构成双自由度控制，该控制策略有效地解决了直线伺服系统跟踪性能和鲁棒性能之间的矛盾；与小波技术相结合，采用鲁棒小波
35、神经元控制，克服了单纯采用神经网络学习速度较慢的缺陷。但神经网络的发展并不完善，在控制系统的稳定性、能控性、能观性、自学习速率的研究方面还存在许多问题。此外，人工神经网络的设计方法还需进一步改进。除了模糊逻辑控制和神经网络控制外，另一种基于专家系统的智能控制引起了学者的兴趣，尝试着将其应用到交流伺服系统中去。将智能控制用于直线伺服系统的研究虽然已经历了一段时间，但目前仍处于开创性研究阶段，待研究的问题还较多。纵观直线电机伺服系统的研究现状，国内外众多学者在寻求高性能直线电机伺服控制策略方面进行了大量的研究和实践，提出了许多具有建设性的新思路，并取得了一些具有实用性意义的成果。但随着被控对象的复
36、杂化及控制要求的不断提高，采用单一的控制策略已难以满足被控对象的控制要求。因此，关于直线电机伺服系统的控制策略还有许多有待解决的问题，主要有以下几个方面：（1）传统的经典控制方法有着实现简单的优点；而现代控制方法，如鲁棒控制、滑模变结构控制等方法对直线电机伺服系统中存在的非线性影响、环境干扰等时变和不确定因素等有较好的抑制作用。两者之间如何进一步的有效结合，使之在目前直线伺服系统的控制领域有更好的实际应用价值，值得我们进一步探讨。（2）近年来，智能控制方法一直是控制学者研究的热点。我们如何针对复杂的对象，寻求新的智能控制方法，寻求新的控制思路，寻求新的突破。（3）如何将智能控制与其它控制相结合
37、，形成更实用、性能更优越的直线伺服控制系统，将是今后直线伺服系统控制领域研究的重点之一。尤其是自20世纪90年代以来，伴随着高性能数字信号处理器（DSP）、微处理器和专用集成电路（ASIC）等技术的飞速发展，为复杂控制策略的实现奠定了坚实的物质基础，这一趋势更为明显了。直线电机以其独特的优越性，将在交通、高精度机床加工等许多领域得到飞速发展。同时，这个发展过程缺不了相应的优秀的控制策略加以支持。控制策略并不是唯一的，不同的环境、不同的条件、选择不同的控制策略；控制策略也不是越先进越好，根据控制对象需要达到的要求，根据现实控制设备的实现的简易，选择一种最有效的控制策略。就本次设计而言应当采用直接
38、转矩控制。由于交流伺服电机作为执行元件，将交流电信号转换为轴上的角位移或角速度,所以要求转子速度的快慢能够反映控制信号的相位，无控制信号时它不转动。特别是当它已在转动时，如果控制信号消失，它立即停止转动。而普通的感应电动机转动起来以后，若控制信号消失，它往往不能立即停止而要继续转动一会儿。而直接转矩控制的优点，正好可以适合我们所要设计的系统的要求，因此用直接转矩控制。1.3 本论文的研究目的与任务1.3.1 研究目的永磁同步电机由于其本身的特点已经引起人们的广泛关注，随着永磁同步电机设计和控制理论的成熟和社会对于高性能电机的需求的增加，国内必将会形成一个永磁电机应用的高潮。而现在的交流传动系统
39、正向着高效率、高性能、低成本的方向发展，直接转矩控制作为一种高性能的控制恰好满足上述的要求，而且直接转矩控制其控制本质上并不需要转速信息，而所引入的定子磁链观测器很容易估算出同步速度信息，从而使直接转矩控制方便的实现无速度传感器化。这是永磁同步电机直接转矩控制正逐渐成为关注焦点的原因。1.3.2 研究任务1、分析永磁同步电动机的结构特点和数学模型；2、掌握基于直接转矩控制的永磁同步电机交流伺服系统原理；3、利用Matlab仿真软件分别对传统直接转矩控制的永磁同步电机直接转矩控制系统进行仿真研究；4、对上述系统进行试验和测试。第2章 永磁同步电机的结构与数学模型永磁同步电机、(permanent
40、 Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)广泛应用于伺服驱动系统。永磁同步电机具有下列优点:无电刷和滑环、低转子损耗，较高运行效率。同样体积的电机，永磁电机可输出更大的功率;转动惯量小，可获得较高的加速度;转矩脉动小，可得到平稳的转矩，尤其在极低的速度下能满足有高精度位置控制的要求;零转速时有控制转矩，可做到高速运行，效率、功率因数高。2.1 永磁同步电机的结构根据驱动电流的不同，永磁电机分为两种:一种输入电流为方波，也称为无刷直流电机(Brushless DC Motor-BLDCM);另一种输入电流为正弦波，也称为永磁同步电机(Permanent Magnet sy
41、nchronous Motor-PMSM)。本文主要以三相正弦波驱动永磁同步电机作为研究对象。和普通同步电机一样，永磁同步电动机也是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电机与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，是用永磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。与普通电机相比，永磁同步电机还必须装有转子位置检测器，用来检测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制，达到控制电机的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为永磁同步电机的转子位置检测器与电机的转子同轴连接。永磁同步电机按永磁体在转子上安装位置的不
42、同，又可分为三类：表面式、嵌入式和内埋式，如图2-1所示。前两种结构转子结构的永磁体通常成瓦片形，并位于转子铁芯的表面上，提供径向的磁通，转子直径比较小，从而降低了转动惯量，一般的永磁同步电机多采用这两种形式的转子结构。内埋式转子结构的永磁体通常为条状，位于转子内部，机械强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。本文以三相正弦波驱动的表面式永磁同步电动机作为研究对象。 (a) 表面式 （b）内嵌式 （c）内埋式图2-1 PMSM的不同转子结构2.2 坐标变换原理2.2.1三相定子坐标系（A-B-C系）三相永磁同步电机的定子由三相绕组构成，其绕组轴线分别为A、B、C，且彼此互差120度空间电角度。当定子
43、通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。三相定子坐标系定义如图2-2所示，A、B、C三个坐标轴互差120度。图2-2 三相定子坐标系2.2.2两相定子坐标系依据磁动势相等的原则，通常可以将三相坐标系简化为互相垂直的两相坐标系如图2-3所示。如果在由、组成的两相绕组内通入两相对称正弦电流时也会产生一个旋转磁场，效果和三相绕组产生的一样。因此可以由两相定子坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而简化了运算过程。2.2.3同步旋转坐标系(d-q系)如图2-4所示，转子坐标系固定在转子上，其d轴与转子磁极轴线重合，q轴逆时针超前d轴90度空间电角度，该坐标系和转子一起在空间上以转子角速度旋转，故也
44、称为同步旋转坐标系。图2-3两相定子坐标系 图2-4 同步旋转坐标系2.2.4三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的坐标变换 图2-5三相定子坐标系和两相定子坐标系的关系图2-5给出了三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的关系，取A轴与轴重合。设三相绕组每相的有效匝数为，两相绕组每相的有效匝数为，各相的磁动势为有效匝数与电流的乘积。假设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕组的瞬时磁动势在、轴上的投影应该相等。即： （2-1） （2-2）将上式写成矩阵形式得： （2-3）在保证矢量幅值相等的前提下，匝数比应为=，在保证变换前后总功率不变的前提下，匝数比为，在本文以后的分析中均选择前一种模式，即=。定义为三相定子坐标系到两相定子坐标系的变换阵（以下简称变换阵），可得到： （2-4）在实际运算中，三相定子坐标系往往通入三相平衡电流。代入式2.3可得： （2-5） （2-6）定义为两相定子坐标系到三相定子坐标系的变换阵（以下简称变换阵）可由式2.6求逆获得： （2-7）2.2.5两相定子坐标系和同步旋转坐标系之间的坐标变换 图2-6两相定子坐标系和同步旋转坐标系的关系如图2-6所示，旋转坐标系d轴与定子坐标系轴间夹角为，用，表示，可得： （2-8）
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