第一章  緒  論 

1.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況 
早在上世紀(jì)八十年代，人們利用永磁材料高矯頑磁力、高磁能積的特點(diǎn)研制出高性能小體積的永磁同步電動(dòng)機(jī)（ Permanent Magnet Synchronous Motor ,簡(jiǎn) 稱PMSM），這種電機(jī)以損耗低、效率高、靈活、體積小、成本價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)不但滿足了人們的日常生活需求，而且在電動(dòng)汽車、軌機(jī)車、電梯、家用電器、航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，可見，其發(fā)展前景頗為良好。近年來，永磁同步電機(jī)發(fā)展迅猛，因其高轉(zhuǎn)矩慣量比、高效性和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，使得永磁同步電機(jī)成為當(dāng)下各行各界關(guān)注的一大亮點(diǎn)。我國傳統(tǒng)的永磁電機(jī)主要分為兩種，一種是輸入的電流為正弦波，被人們稱為永磁同步電機(jī)；另一種是輸入的電流為方波，也就是人們常說的無刷直流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)、控制器和功率是電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的三大組成部分，同時(shí)也是影響電機(jī)傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的重要因素，按照電流進(jìn)行分類，調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)可分為兩大類，一類是直流傳動(dòng)，另一類是交流傳動(dòng)，交流傳動(dòng)又由同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)兩大類組成  [1]。近年來，人們對(duì)傳統(tǒng)的同步電機(jī)不斷的進(jìn)行創(chuàng)新改革，通過變頻電源，解決了同步電機(jī)電網(wǎng)電壓自動(dòng)啟動(dòng)和調(diào)速的問題，，使同步電機(jī)具備了其他兩大電機(jī)所不具備的優(yōu)勢(shì)，這也是同步電機(jī)發(fā)展迅速的原因。 通常情況下永磁同步電機(jī)適用于快速、準(zhǔn)確、精密位置控制的領(lǐng)域，近年來研究者們致力于直接轉(zhuǎn)矩控制在同步電機(jī)上的應(yīng)用，這一研究領(lǐng)域目前已經(jīng)取得了較為長足的進(jìn)步，而且完成了具有實(shí)際操作性的永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，現(xiàn)在的趨勢(shì)是電機(jī)要向小型化、高速化發(fā)展。并且通過對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制的原理進(jìn)行對(duì)比，可以很顯然的看出矢量控制在電機(jī)控制算法相對(duì)于直接轉(zhuǎn)矩控制算法相當(dāng)復(fù)雜，它需要在矢量控制的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜的矢量旋轉(zhuǎn)變換，另外，眾所周知電動(dòng)機(jī)的機(jī)械常數(shù)往往要比電磁常數(shù)較低，因此運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對(duì)于矢量控制中的轉(zhuǎn)矩不能及時(shí)快速的做出反應(yīng)。但是如果尋求簡(jiǎn)化控制過程中的環(huán)節(jié)，就可以解決對(duì)于轉(zhuǎn)矩反應(yīng)跟不上的問題。因此比矢量控制出現(xiàn)的更晚的直接轉(zhuǎn)矩控制選擇摒棄矢量控制思想中的解耦控制環(huán)節(jié)和電流反饋環(huán)節(jié)，采取定子磁鏈定向這一更加簡(jiǎn)便高效的方法，這一方法從根本上解決了矢量控制中不能及時(shí)快速響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的問題，也是直接轉(zhuǎn)矩控制在思想上和矢量控制最大的不同之處。而這一方法的工作原理是運(yùn)用離散的兩點(diǎn)式控制直接對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩起調(diào)節(jié)作用。這一方式極大的簡(jiǎn)化了矢量控制的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)和操作流程，極大的提高了響應(yīng)轉(zhuǎn)矩的速度，具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)。
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1.2 永磁同步電機(jī)的控制策略
磁通的控制方式被稱為是變壓變頻控制(Variable Voltage Variable Frequency，簡(jiǎn)稱 VVVF)。為了使變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所提高，只有永磁體為插入式或者是內(nèi)裝式的永磁同步電機(jī)才可以適用于該控制策略。永磁同步電機(jī)通過改變電源電壓和頻率之比來控制磁通的這種控制方式與感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)是類似的，在基頻以上和基頻以下這兩種情況時(shí)，我們分別采取恒功率調(diào)速和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速，則要求在升高轉(zhuǎn)速的同時(shí)使轉(zhuǎn)矩降低；要想實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，則需要同時(shí)控制電源電壓和頻率，且必須是按比例保持 fu / 的幅值不變，即磁通恒定。 1971 年,德國西門子公司的 F.Blaschke 提出矢量控制理論(Field  Oriented  Control, FOC)，這一理論的提出標(biāo)志著不同于變壓變頻控制的一種新控制算法的誕生，在電機(jī)控制理論發(fā)展歷史上具有里程碑式的意義，這一理論第一次把一種全新的完全不同于變頻變壓控制的方法展現(xiàn)在世人面前，讓第三次工業(yè)革命的眾多豐碩成果衍生和轉(zhuǎn)化為實(shí)際科學(xué)技術(shù)變成觸手可及的現(xiàn)實(shí)，對(duì)于當(dāng)代科技發(fā)展具有重大的推進(jìn)作用。也正因?yàn)榇�，人們�(cè)诤娇蘸教祛I(lǐng)域、機(jī)械工程領(lǐng)域、道路交通領(lǐng)域等關(guān)乎全人類發(fā)展進(jìn)步的科技領(lǐng)域內(nèi)看到了如何使本領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展速度提高、使操作變得更高效、更簡(jiǎn)潔的方法。隨后，又由德國的 F.Blaschke 等人初次提出了交流電機(jī)從理論到實(shí)際的矢量控制（Vector Control，簡(jiǎn)稱 VC），這一控制方法伴隨著電子電力技術(shù)、航空航天技術(shù)、船舶制造技術(shù)、微電子技術(shù)、永磁材料和新型點(diǎn)擊控制技術(shù)上的應(yīng)用，發(fā)展變得更加突飛猛進(jìn)，其中最重要的是在永磁同步電機(jī)上的運(yùn)用，永磁同步電機(jī)在高性能機(jī)床進(jìn)給控制、位置控制、機(jī)器人、航天科技、船舶生產(chǎn)等領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用在這一控制技術(shù)的運(yùn)用后變得更加便捷高效，生產(chǎn)效率有效提升。最重要的是因?yàn)檫@一技術(shù)而引發(fā)的連鎖反應(yīng)導(dǎo)致人們對(duì)其他各領(lǐng)域，尤其是和機(jī)械生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域中產(chǎn)生了進(jìn)一步的提高性能和效率的要求。眾所周知，如果永磁同步電機(jī)的控制方式在性能上具有更高的氣隙磁密、更小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、更大的轉(zhuǎn)矩慣量比、更高的效率，那么是不是生產(chǎn)效率會(huì)更高，而現(xiàn)實(shí)是人們正是這么要求的，矢量控制技術(shù)出現(xiàn)后一經(jīng)在永磁同步電動(dòng)機(jī)上運(yùn)用，這些完全符合人們想象的優(yōu)良的性能立即顯現(xiàn)出來。 
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第二章  永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

早在上世紀(jì)八十年代，人們利用永磁材料高矯頑磁力、高磁能積的特點(diǎn)研制出高性能、小體積的永磁同步電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)以損耗低、效率高、靈活、體積小、成本價(jià)格較低等優(yōu)勢(shì)不但滿足了人們的日常生活需求，而且在電動(dòng)汽車、軌機(jī)車、電梯、家用電器、航海等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，可見，其發(fā)展前景頗為良好。近年來，永磁同步電機(jī)發(fā)展迅猛，因其高轉(zhuǎn)矩慣量比、高效性和高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，使得永磁同步電機(jī)成為當(dāng)下各行各界關(guān)注的一大亮點(diǎn)。隨著科技發(fā)展的日新月異，永磁同步電機(jī)控制技術(shù)也精益求精，根據(jù)科技發(fā)展的需要，永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)也被要求更加簡(jiǎn)便快捷。為了使永磁同步電機(jī)控制策略更加簡(jiǎn)便快捷，我們應(yīng)該從永磁同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，詳細(xì)解構(gòu)、分析各坐標(biāo)軸系下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，以此來尋找更好的突破點(diǎn)。所以本章節(jié)要對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)電機(jī)不同坐標(biāo)系下相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,為后續(xù)章節(jié)的進(jìn)一步研究分析奠定了理論基礎(chǔ)。 

2.1 永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 
轉(zhuǎn)子、定子構(gòu)成了永磁同步電機(jī)的兩大主要組成部分。電機(jī)的定子，主要是由導(dǎo)電三相繞組、導(dǎo)磁定子鐵芯、端蓋以及機(jī)座四部分組成，結(jié)構(gòu)形式較為簡(jiǎn)單，其結(jié)構(gòu)與普通感應(yīng)電機(jī)是基本一致的，在工作中，定子勻速旋轉(zhuǎn)在空間中產(chǎn)生磁場(chǎng)，定子的頻率是正弦波從而決定了磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，定子與轉(zhuǎn)子之間通過電能相互作用產(chǎn)生互動(dòng)作用，最后通過轉(zhuǎn)子所受到的外力使轉(zhuǎn)子自身產(chǎn)生作用，再作用于定子。即定子將接受到的外力使電能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而定子通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子相互產(chǎn)生作用力，轉(zhuǎn)子在作用力的驅(qū)使下開始旋轉(zhuǎn)，并且產(chǎn)生新的作用力，即將電能成功的轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與其定子結(jié)構(gòu)相比較而言，要復(fù)雜的多，位置也要復(fù)雜的多，永磁體和轉(zhuǎn)軸以及導(dǎo)磁扼構(gòu)成了永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的主要組成部分。轉(zhuǎn)軸上套著圓形的導(dǎo)磁扼，導(dǎo)磁扼上附著著永磁體。永磁體體積的大小是由永磁材料決定的，兩者存在著密切的關(guān)聯(lián)，具有良好性能的永磁體材料，其用量則會(huì)大大減少，同時(shí)永磁體的體積也隨之減小，且兩者是成正比關(guān)系的，因此，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁路就會(huì)變得更加輕巧、靈敏，這便使得永磁材料在人們的日常生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 
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2.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 
本文在文章的第一小節(jié)中簡(jiǎn)單的闡述了一下永磁同步電機(jī)最重要的組成部分——定子的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，同時(shí)也闡述了與另一個(gè)重要組成部分——轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的緊密聯(lián)系，從而為進(jìn)一步深入的研究分析永磁同步電機(jī)，并在分析研究的基礎(chǔ)上建立永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型奠定理論基礎(chǔ)。三相永磁同步電機(jī)作為有多個(gè)輸入、強(qiáng)耦合性的非線性系統(tǒng)，能在三相靜止坐標(biāo)軸系、兩相靜止坐標(biāo)軸系、兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸系以及定向坐標(biāo)軸系下建立數(shù)學(xué)模型。針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)磁路不對(duì)稱的情況， qd 坐標(biāo)系更便于分析研究，從而消除由于微分方程中有周期性變化量而導(dǎo)致復(fù)雜計(jì)算這一弊端。由上述研究分析可知，在qd  坐標(biāo)軸系下建立的數(shù)學(xué)模型是我們?cè)谘芯糠治鰰r(shí)最長用的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)研究模型。同時(shí)更加重要的是上述幾種在坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型可以在坐標(biāo)變換后推演得到。因此，文章將根據(jù)后續(xù)研究?jī)?nèi)容的需要，將詳細(xì)介紹永磁同步電機(jī)在 qd 坐標(biāo)軸系下的數(shù)學(xué)模型。 
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第三章 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真 ..... 17 
3.1 永磁同步電機(jī)的逆變器模型及電壓矢量 .... 17 
3.2 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真模型 .... 22 
3.3 永磁同步電機(jī)傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果 .... 33 
3.4 本章小節(jié) ........ 38 
第四章 基于電流預(yù)測(cè)的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制 ..... 39 
4.1 無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制理論介紹 .... 39 
4.2 無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真實(shí)現(xiàn) ......... 43
4.3 無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真結(jié)果 ......... 51 
4.4 本章小節(jié) ......... 53 
第五章無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的參數(shù)敏感性分析以及初步解決方案 ........... 55 
5.1 電機(jī)運(yùn)行在不匹配定子電阻的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較 ..... 55 
5.2 電機(jī)運(yùn)行在不匹配的dqL 下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) ....... 56 
5.3 電機(jī)運(yùn)行在不匹配的永磁體磁鏈情況下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) ......... 57 
5.4 解決方案 ......... 58 
5.4.1 加 PI 控制器解決電阻誤差 .... 58 
5.4.2 加 PI 控制器解決dqL 誤差 ...... 61 
5.5 本章小節(jié) ......... 63 

第五章無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制的參數(shù)敏感性分析以及初步解決方案 

本文在利用無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，控制器在計(jì)算電壓值時(shí)會(huì)涉及到較多的電機(jī)參數(shù)，這些都是假定電機(jī)是理想模型的基礎(chǔ)上。但在實(shí)際生產(chǎn)中，電機(jī)的參數(shù)往往隨著溫度、濕度、轉(zhuǎn)速的變化而變化，高性能的電機(jī)控制都需要匹配較精確的電機(jī)參數(shù)，因此矢量控制中如定子電阻、轉(zhuǎn)子磁鏈、電感的敏感性分析則顯得尤為重要，所以本章將會(huì)探討當(dāng)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與控制器中的電機(jī)參數(shù)不同時(shí)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響，以此來提高電機(jī)控制的性能。 

5.1 電機(jī)運(yùn)行在不匹配定子電阻的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比較           

在本部分中，仿真文件的控制器部分將會(huì)保持使用電機(jī)額定參數(shù)，電機(jī)部分將會(huì)使電機(jī)電阻從 0.3? 到 0.65? 之間變化，并觀察仿真結(jié)果。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)如下圖所示（轉(zhuǎn)速 3000rpm）：從上圖可以看出，隨著電阻的增大，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩在逐漸的減小。這個(gè)仿真還可以以同樣的方法在轉(zhuǎn)速為 200rpm 的時(shí)候重新測(cè)取一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如下圖所示： 針對(duì)上述問題，本文提出了一種常見的解決方案，在轉(zhuǎn)矩環(huán)的外側(cè)加 PI 控制器。其實(shí)加了 PI 控制器并不是從根本上解決了參數(shù)不準(zhǔn)的問題，因?yàn)槲覀兗葲]有動(dòng)態(tài)的測(cè)試電機(jī)參數(shù)和在控制器中更換參數(shù)，而是通過轉(zhuǎn)矩誤差引起的轉(zhuǎn)速誤差，由 PI 控制器判定轉(zhuǎn)速誤差后給電機(jī)發(fā)送新的轉(zhuǎn)矩參考而達(dá)到糾正轉(zhuǎn)矩誤差的問題。例如，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 3000rpm，并且電機(jī)帶 7N.m 的負(fù)載。但是，由于電機(jī)參數(shù)因環(huán)境影響會(huì)出現(xiàn)小范圍波動(dòng)的問題，當(dāng)電機(jī)的參考轉(zhuǎn)矩為 7N.m 時(shí)，其實(shí)際輸出要比 7N.m 偏大或者偏小，這時(shí)候電機(jī)表現(xiàn)出來的運(yùn)行狀態(tài)就是轉(zhuǎn)速上升或者下降，當(dāng) PI 控制器發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速上升或者下降時(shí)，將會(huì)給電機(jī)一個(gè)新的轉(zhuǎn)矩參考從而使電機(jī)最終的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，這個(gè)新的轉(zhuǎn)矩參考可能不是 7N.m，但是電機(jī)最終的穩(wěn)態(tài)輸出卻是 7N.m。 

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總結(jié)

隨著具有高剩磁密度、高磁能積等特點(diǎn)的釹鐵硼永磁材料和電力電子器件的不斷發(fā)展，永磁同步電機(jī)以其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高效性、高轉(zhuǎn)矩慣量比、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到了諸多關(guān)注，在國防、航空航天以及工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。研究永磁同步電機(jī)的高性能控制方法，具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。 直接轉(zhuǎn)矩控制是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高性能交流調(diào)速方法，它具有模型簡(jiǎn)單、控制直接、計(jì)算量小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)，一直以來深受研究人員的重視，在異步電機(jī)、同步電機(jī)的控制中都獲得了廣泛的應(yīng)用。 本文針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容已介紹完畢，現(xiàn)將上述所研究的內(nèi)容進(jìn)行匯總，在歸納總結(jié)的同時(shí)，找出一些論文疏漏、不足的地方，以便于在今后的研究工作當(dāng)中進(jìn)一步對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行完善。 主要工作、創(chuàng)新點(diǎn)匯總?cè)缦拢?nbsp;
（1）簡(jiǎn)單介紹了永磁同步電機(jī)的發(fā)展概況，傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩研究現(xiàn)狀和無差拍直接轉(zhuǎn)矩的控制理論及其領(lǐng)域的相關(guān)研究成果，了解了一些控制策略,并引出本論文的研究問題。 
（2）闡述了永磁同步電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)和工作原理,然后，介紹了基本的坐標(biāo)系，通過不同坐標(biāo)軸系之間的變換,建立了 qd坐標(biāo)系軸下的電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 
（3）介紹了永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，并詳細(xì)敘述了每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和整體的實(shí)現(xiàn)，不僅說明了傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制所具有的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了其存在的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大和開關(guān)頻率無法固定等一系列問題。 
（4）為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，本文引入了一種基于電流預(yù)測(cè)的無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)改進(jìn)策略。該方法有效的削弱了輸出的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，穩(wěn)定了開關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、精確控制，沒有任何延遲。 
（5）本文在利用無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，電機(jī)參數(shù)會(huì)隨著工作環(huán)境的變化而變化，出現(xiàn)電機(jī)參數(shù)和控制器參數(shù)不匹配的情況，比較這兩種情況，總結(jié)一下控制規(guī)律，來提高電機(jī)的控制性能。針對(duì)上述參數(shù)不匹配的問題，在轉(zhuǎn)矩環(huán)的外側(cè)加一個(gè) PI控制器，用速度控制補(bǔ)償由于參數(shù)變化造成的轉(zhuǎn)矩變化的問題，從而在不增加參數(shù)辨識(shí)計(jì)算量的前提下，實(shí)現(xiàn)了快速而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩跟蹤。  
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：106388