永磁同步电机直接转矩控制系统的设计.docx

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1、S湖帝N移身鼠毕业设计题目：永磁同步机电直接转矩控制系统的设计系：电气与信息工程系专业：自动化班级：。刘学号：0202210128学生姓名：导师姓名：完成日期:2022年6月诚信声明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特殊加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开辟表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名:日期：年月日湖泊N科华陇毕业设计（论文）任务书题目：永磁同步机巾仃接效矩捽制一纺的诗汴姓名逑晶系别电气与

2、信息工程系主业自动化班级02。1学号02Q22,1Q128指导老师唐勇奇一职称副教授教研室主任一、 基本任务及要求：本一纬一手磁同光电M和北火U室娱经.轩永磁同Tb如出的黏占.功容百钻饰松制方冲一ilCGP为卅制核心M也侏电做一较硬件动打包把.被找;如卑IriI，匕由动机槌型的建山捽制方法研究，韦电路设计,捽制电路瑞计，捽制冬舔界序尊计，冬舔捽制效果仿直等R-二、 进度安排及完成时间：1 .第一周至第三周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，掌握资料查阅方法，了解木课题研究现状、存在间撅及研究的实陈竟:与C2、第三周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题总体方案，分配课题任务,确定个人研究重

3、占，做好诜颍根告。3、第四周至第五周：根据/已研究的方向，确定H己的总体设计方案，根据对象特性讲行各种控制方法的研究，并设计硬件总体模块图及软件模块图。4、第六周至第十二周：完成系统的控制方法研究，软、硬件设计。5、第十三周至第十四周：系统仿真及调试。6、第十五周至第十六周：整理资料，完成毕业论文编写，进行毕业答辩。摘要IAbstractIl第1章绪论-1-1.1 课题研究的背景-1-1.2 本课题的主要研究工作-3-第2章永磁同步电动机的数学模型-5-2.1 永磁同步机电的分类和结构-5-2.2 永磁同步机电数学模型的建立-5-2.2.1 坐标系的定义-5-222三相定子坐标系与两相定子坐标

4、系变换(3s-2s)-6-2.2.3 两相定子坐标系与两相旋转坐标系变换(2s2r)-8-2.3 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换(2t-2s)-9-2.4 永磁同步机电的数学模型-9-2.4.1 永磁同步机电在ABC坐标系上的数学模型-10-2.4.2 永磁同步机电在坐标系上的数学模型-11-2.4.3 永磁同步机电在dq坐标系上的数学模型-11-2.5 本章小结-12-第3章永磁同步机电直接转矩控制系统的研究-13-3.1 电压空间矢量基本原理-13-3.1.1 电压空间矢量-13-3.1.2 电压空间矢量的选择及零电压矢量应用错误！未定义书签。3.2 直接转矩控制系统原理和控制规

5、律错误！未定义书签。3.2.1 直接转矩控制的发展及特点错误！未定义书签。3.2.2 直接转矩控制系统的原理错误！未定义书签。323直接转矩控制系统的控制规律错误！未定义书签。3.3 永磁同步机电的直接转矩控制策略原理及其系统结构.错误！未定义书签。3.3.1 永磁同步机电直接转矩控制策略原理错误！未定义书签。332永磁同步机电的直接转矩控制系统结构错误！未定义书签。3.4 本章小结16第4章系统的硬件设计错误！未定义书签。4.1 主控制芯片TMS320LF2407DSP的介绍错误！未定义书签。4.2 系统的主电路的设计错误！未定义书签。4.2.1 系统的总体框图错误！未定义书签。4.2.2

6、系统的主电路设计错误！未定义书签。4.3 系统的控制电路的设计错误！未定义书签。4.3.1 系统的检测电路的设计错误！未定义书签。4.3.2 系统的保护电路的设计错误！未定义书签。4.4 本章小结错误！未定义书签。第5章系统的软件设计错误！未定义书签。5.1 集成开辟介绍环境的错误！未定义书签。5.2 系统的软件设计总体结构错误！未定义书签。5.3 系统的主程序模块的设计错误！未定义书签。5.4 系统的中断程序模块的设计错误！未定义书签。5.4.1 A/D转换子程序的设计错误！未定义书签。5.4.2 SVPWM子程序设计错误！未定义书签。5.5 系统的故障中断程序的设计错误！未定义书签。5.6

7、 本章小结错误！未定义书签。结束语-17-参考文献-19-致谢-20-附录-21-永磁同步机电直接转矩控制系统的设计摘要：直接转矩控制策略直接对机电定子磁链和转矩进行控制，解决了交流机电矢量控制策略存在的转子磁场定向解耦控制复杂性问题，已成功应用于高性能异步机电交流调速系统中。随着直接转矩控制在永磁同步机电(PMSM)中的理论基础的解决，永磁同步机电直接转矩控制策略受到了越来越多的关注。本设计也将在这方面进行一些研究和探讨。本设计从永磁同步机电数学模型出发，论述了永磁同步机电的直接转矩控制策略的基本理论，推导出了传统直接转矩控制策略的空间电压矢量开关表；并根据理论分析，引入了零电压矢量参预控制

8、，可以使得机电在控制过程中保持转矩基本不变，从而可以降低逆变器的开关频率，在不减小控制周期的情况下减小机电的转矩脉动，提高系统的控制品质。本设计在完成理论推导基础上，对控制系统进行了基于数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407的软硬件设计，构建了一个永磁同步机电直接转矩控制系统。硬件设计主要包括主电路、检测电路、保护电路和控制电路等。其中检测电路包括了直流母线电压检测、电流检测和转速检测；保护电路包括启动限流保护、过流保护和IPM故障保护等。软件设计主要是在软件中实现DTC控制策略。本设计分别完成为了软硬件的调试,在软件中实现了DTC控制策略。关键字：永磁同步机电；直接转矩控制；空间电

9、压矢量；数字信号处理器DesignforDirectTorqueControlSystemofPermanentMagnetSynchronousMotorAbstract：Thedirecttorquecontrolstrategywhichdirectstocontrolthemotorsstatorlinkageandtorque,resolvingtheproblemthatthemplexityofthedecoupledcontrolforthedirectionalrotormagneticfiledexsitedinthealternatingcurrent(AC)motor,

10、svectorControI(VC)strategy,hasbeenappliedsuccessfullytoahighqualifiedcontrolsystemofinductionmotor,sACspeedgovernor.Withthedevelopmentofdirecttorquecontrol(DTC)controltheoryandtheestablishmentofitsfundamentaltheoryinpermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM),DTCstrategyofPMSMhasdrawnconsiderableattention

11、.ThispaperisalsoncemedwiththeDTCcontroltheory,andsomeimprovementhasbeenmade.BasedonthePMSMmathematicalmodel,thediscussionoffirndamentaltheoryinDTCofPMSMisaddressed.AfterthattheclassicalDTCspavoltagevectorswitchstatelookuptableisderived.Onthebasisoftheoreticanalysis,thezerovoltagevectorisintroducedin

12、tothecontrolstrategy,whichcankeepthetorqueremainandreducetheswitchingfrequency,andcandecreasemotortorquerippleunderthesituationofnotreducethentrolperiod.thevectorwillimprovethesystemperformance.OnthebasisOftheoreticanalysis,thehardwareandsoftwarearedesignedbythedigitalsignalprocessor(DSP)TMS320LF240

13、7.Furthermore,thedirecttorquecontrolsystemofpermanentmagnetsynchronousmotorsystemisdesigned.Thehardwaredesignofthispaperincludesdesignofmaincircuit,measurementcircuits,protectioncircuits,andcontrolcircuits.ThemeasurementcircuitsincludeDClinevoltagemeasurement,currentmeasurement,andspeedmeasurement.T

14、heprotectioncircuitsincludestartupunderlimitedcurrentprotection,over-currentprotection,andIPMfaultprotection.ThesoftwaredesignofthispapermainlycarriesouttheDTCstrategyinthesoftware.ThedebuggingofhardwareandsoftwareiscompletedinthispaperandtheDTCstrategyiscarriedoutinthesoftwar.Keywords:permanentmagn

15、etsynchronous;motordirecttorquentrolspace;voltagevector;digitalsignalprocessor第1章绪论1.1 课题研究的背景电动机是电能向机械能转换的能量载体。在工业、农业、交通运输以及日常生活中广泛地应用着机电传动。其中对不少机械有调速的要求，一方面是为了满足运行、生产和工艺的要求，从而提高生产效率，保证产品质量；另一方面是为了减少运行损耗、节约能量。由此产生了机电调速技术即电气传动技术，它可分为直流电气传动和交流电气传动两大类网。与直流电动机相比交流电动机特别是鼠笼异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠和效率较高

16、等优点，但很长一段时期内其调速性能却无法和直接调速系统相媲美，其根本原因是交流电动机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。因此在20世纪的大部份年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。20世纪70年矢量控制技术的提出及实用化，使得交流调速系统的性能和直流系统调速相媲美，从而使交流调速技术发生了质的飞跃。在矢量控制之后又提出了磁场定向控制、自适应控制、非线性控制、直接转矩控制和智能控制等先进控制策略，推动了交流电气传动技术不断地向前发展。随着科学技术的不断进步，电力电子学、专用集成电路(ASIC),数字信

17、号处理(DSP)、传感器技术、计算机技术和网络技术等技术的发展为交流电气传动技术发展提供硬件保障；仿真软件(如MATLAB)和计算机辅助设计(CAD)的浮现使高效、快捷地仿真和分析成为可能；控制理论的发展是先进交流调速控制策略的涌现提供了理论依据。今天，交流电气传动技术已发展成为多门新技术、多门新学科相交叉的新兴学科。由于控制简单，长期以来在要求较高的场合，直流机电向来占主导地位。但它存在一些固有的缺点，例如电刷、换向器易损耗，需要时常维护，换向器会产生火花，限制了机电的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作场合。而交流机电特别是感应机电则没有上述缺点和限制，转子惯量较小，动态响应

18、更好。普通而言，同样体积的交流机电的输出功率比直流机电提高10-70%,此外，交流机电容量可以创造得更大，达到更高的转速和电压。交流机电虽然结构较简单，其控制却比较复杂。交流异步机电价格便宜，运行可靠，但不能经济地在较宽的范围内实现平滑调速，且需要吸收滞后的励磁电流，功率因数和效率都较低。相比较而言，永磁同步机电具有以下优点网：20世纪70年代浮现的微处理器(MiCrO-ProCeSSor)使得计算机在自动控制系统中发挥了极其重要的作用，微处理器即计算机的中央处理单元(CPU)和控制单元的集成，它配上一定的存储器、I/O接口和其它外设，就可构成自动控制系统的通用控制器。正是由于单片机的浮现，计

19、算机在控制领域的应用得到了一次突破，单片机非但小巧、成本低，而且由于众多设备集成到了一块芯片上带来了功耗小和抗干扰能力强的优点。此外它可以方便地组成各种智能式控制设备和仪器，做到机电仪一体化:也可以方便地实现多机和分布式控制，使得整个控制系统的效率和可靠性大为提高。单片机有许多类型，其中InteI公司的MCS-51系列、MOtore)Ia公司的68系列和Zilog公司的Z8系列为大家所知。单片机自问世以来，得到了飞速的发展，以InteI公司为例，早期推出MCS48系列单片机，该单片机功能简单，寻址范围有限，性能较差，随之被稍后推出的MCS-51系列所取代。MCS-51系列单片机功能较强，寻址范

20、围达到64K,有多级中断处理系统，片内带有串行I/O口，16位定时计数器，这些性能基本能够满足普通控制系统的需要，故这类单片机仍是目前应用最为广泛的一种单片机。虽然MCS-51单片机目前应用得最为广泛，但在一些比较复杂的控制系统中，它就显得有些力不从心，不得不让位于16位单片机。MCS系列16位单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，特殊是在其CPU中不采用常规的累加器结构，改用寄存器一寄存器结构，CPU操作直接面向256字节寄存器，消除普通CPU结构中存在的累加器瓶颈效应；特别是80C196MC型内置的波形发生器可直接输出三相脉宽调制波形，特殊合用于变频调速机电控制系统。虽然此类单片机性能优越，

21、但当用于进行大量数据处理或者浮点运算时则略有逊色。DSP则是近年来浮现的一种高速专用的微处理器，其主要特点是采用哈佛结构，将程序存储空间与数据存储空间分开，并各自拥有自己的数据总线和地址总线；采用流水线技术，使得指令处理的平均速度大大提高；内部增设专门的硬件乘法器；并将硬件乘法器与累加器以流水线方式连接，从而可以高速连续进行乘法和累加运算。片内还集成为了越来越多的外围接口，从而大大提高其功能，并且它有完整的开辟和调试工具，开发周期短，使得DSP在控制领域的应用倍受关注。二十世纪九十年代后期，国外公司推出了专用于机电控制的DSP控制器，如TI公司的TMS320CF24x系列、AnalogDeVi

22、CeS公司的ADMC4xx系列，在高速DSP内核基础上，增加了带死区功能的三相PWM发生器、光电编码器输入接口、丰富的I/O和中断资源，为全数字化交流机电控制系统提供了功能强大的控制器。控制策略和方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前通用变频器输出电压在380-65OV,输出功率在0.75-400kW,工作频率在0-400Hz,它的主电路采用交向来一交电路。变频器控制方式主要经历以下几种方式。(1)恒压频比控制方式：它根据异步机电等效电路确定的线性U/fConSt进行变频调速。其特点是:控制电路结构简单、成本较低。电压是指基波的有效值，改变U/f只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态

23、控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、机电转矩利用率不高。(2)矢量控制方式(VC控制)：交流传动控制理论及实践终于在70年代取得了突破性的发展，即浮现了矢量控制技术。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或者解耦控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机。矢量控制的控制方法实现了异步机电磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。然而，在实际系统中，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量

24、旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果不如理论分析的好。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。交流传动领域的专家学者也都针对矢量控制上的缺陷做过许多研究，诸如进行参数辨识(或者补偿)以及使用状态观测器等现代控制理论，但是这些方案的引入使系统更加复杂，控制的实时性和可靠性降低了。(3)直接转矩控制方式(DTC控制)：其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。其优点是：对转矩直接控制，动态性能好。直接转矩控制技术是继矢量控制技术(1974年)之后发展起来的又一种高性能的新型交流变频调速技术。1985年，德国学者MQepenbrock教授首次提出直接转矩控制的理论，随后日本

25、学者LTakahashi教授也提出了类似控制方案，并取得了令人振奋的控制效果【均。尽管推导的方法和实现的手段有所不同，但他们的基本思想是一致的。即跳出了交流传动技术研究的传统思维模式，不去考虑如何去解耦，将定子电流分解成为励磁电流分量和转矩电流分流量。直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型。通过检测得到的定子电压和电流，采用定子磁场定向，直接控制电动机的磁链和转矩，着眼于转矩的快速响应，以获得高效的控制性能。直接转矩控制技术一诞生，就以新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普遍的关注。与矢量控制技术相比，对电机参数不敏感，简单易行，在很大程度上克服了矢量控制技术的缺点

26、。1.2 本课题的主要研究工作(1)对直接转矩控制基本原理及方法进行研究，建立基于DSP的永磁同步机电直接转矩控制系统。(2)分析了直接转矩控制中转矩脉动的因素，提出零电压矢量使用的方法，有效地减小了永磁同步机电直接转矩控制中的转矩脉动。(3)研究Tl公司的机电控制专用数字信号处理器TMS320LF2407,设计出以此种DSP为控制核心，以IPM作为功率器件的变频调速系统。(4)采用TMS320F240汇编指令编写系统控制软件，实现永磁同步机电的直接转矩控制算法。第2章永磁同步电动机的数学模型本章将首先从转子结构的角度对PMSM进行分类，然后在不同的坐标系中建立PMSM的数学模型，在此基础上对

27、PMSM的DTC控制原理进行介绍，最后给出两种情况下空间电压矢量开关表。2.1 永磁同步机电的分类和结构常见的永磁同步机电(PMSM)按转子结构来分，可以分为表面贴装式PMSM(SUrfaCePMSM)和内嵌式IPMSM(InteriOrPMSM)O其中IPMSM又分为嵌入式PPMSM和内埋式PPMSM20其特点如表2.1所示。SPMSM实质上属于隐极式同步机电，永久磁铁安装在转子表面，体积较小，惯性也较小，转矩特性的线性度比较好。由于构造的原因，当机电运行在高速区时，离心力比较大，因此永久磁铁需要设置固定的保护环。IPMSM实质上属于凸极式同步机电，由于永久磁铁埋于转子内部，因离心力而使磁铁

28、飞出的问题也没有SPMSM严重。嵌入式IPMSM的凸极特性小，也有比较好的线性转矩。内埋式PPMSM则具有比较明显的凸极特性，因此其转矩线性度比较差，但其磁阻效应可以用来提高机电效率和改善调速特性。2.2 永磁同步机电数学模型的建立2.2.1 坐标系的定义坐标系在本文中，将涉及到以下几种，对其进行一一介绍。1 ,三相定子坐标系(ABC坐标系)PMSM的定子中有三相绕组，其轴线分别为A,B,C,且彼此间互差120。的空间电角度。当定子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2.1所示。DjASC图2.1三相定子坐标系2 .定子静止直角坐标系（坐标系）为了简化分析，定义

29、一个定子静止直角坐标系即坐标系（图2.2）,其轴与A轴重合，轴超前轴900o如果在轴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，其效果与两相绕组产生的一样。因此可以将两相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的。Bb120oC图2.2定子静止坐标系3 .转子旋转直角坐标系（dq坐标系）转子旋转坐标系固定在转子上（图2，其d轴位于转子轴线上，q轴超前d轴90。，空间坐标以d轴与参考坐标轴之间的电角度确定。该坐标系和转子一起在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步旋转坐标系。图2.3定子静止坐标系与转子旋转坐标系4 .定子旋转直角坐标系（

30、Xy坐标系）Xy坐标系为随定子磁链旋转的坐标系（图2.4）,定子磁链的方向为X轴的正方向，Y轴超前X轴90。同时，定义X轴与d轴的夹角为转矩角6,X轴超前d轴时转矩角为正。5 .2.2三相定子坐标系与两相定子坐标系变换（3s2s）图2.2中绘出了ABC和两个坐标系，为了方便起见，取A轴与轴重合。设三相绕组每相有效匝数为N-两相绕组每相有效匝数为N9,各相磁动势为有效匝数OV与电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。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，则两套绕组瞬时磁动势在,P轴上的投影也相yq图2.4定子坐标系和转子坐标系等,即1 . 1 i 2 2：P 3x

31、.2-2J I-U l(2.1)Ni=Ni-Nicos60-Nicos60=N(i2a3A3B3C3=Nisin60。Nisin60=、N(i-i)3B3C23BC写成矩阵形式得:考虑变换先后总功率不便，在此前提下，可以证明，匝数比应为(2.2)代入式（2.1）得2(2.3)令C表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则3/2_122233i2Tji(2.4)如果三相绕组是Y型联结不带零线,并整理后得：则有i+i+i=0,代入式(2.3)和式(2.4)ABC(2.5)按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换阵。6 .2.3两相定子坐标系与两相旋转坐标系

32、变换(2s2r)图2.3是两相坐标系到两相旋转坐标系的变换，简称2s-2r变换，其中S表示静止，r表示旋转。把两个坐标系画在一起，如图24所示。两相交流电流i、i和两个直流电aa流i、i产生同样的以同步转速。旋转的合成磁动势FC由于个绕组匝数都相等，可dq1s以消去磁动势中的匝数，直接用电流表示。在图2.3,d、q轴和矢量F(i)都以转速。旋转，分量i、i的长短不便，相ss1dq当于d、q绕组的直流磁动势。但a、b轴是静止的，a轴与d轴的夹角V随时间而变化，因此i在a、b轴上的分量i、i的长短也随时间变化，相当于a、b绕组交流磁sab动势的瞬时值。由图可见，i、和i、i之间存在下列关系abdq

33、图2.5两相静止和旋转叁标系与磁动势(电流)空间矢量i=iCosv-iSinvadqi=LSinV+icosvadq写成矩阵形式，得(2.6)(2.7)11aJcosv-svd=c11dILibJ门LSinVCOSVJllLiqJl2rLijcosv-COSV式中C=I牙2sILsinvsvJ|是两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵。对式(2.6)两边都左乘以变换阵的逆矩阵，得cos sin-sin Ti a = cos icos sin-Sin 叩acos1i(2.8)则两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是:(2.9)cosQSinQ-sinsQJ|电压和磁链的旋转变换阵也与

34、电流(磁动势)旋转变换阵相同。2.3 两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系的变换(2t-2s)分别定义，dq坐标系是建立在转子上的旋转坐标，Xy坐标系是建立在定子上的旋、C2r2t(2.10)(2.11)转坐标系，定子磁链的方向为X轴的正向，X轴与d轴的夹角为转矩角6,C2t2r为Xy坐标系到dq坐标系和dq坐标系到Xy坐标系的变换阵，由图2.4可知：cos6-sin6C-22,sin-s6JIFcoSsin其中6为X轴与d轴的夹角，即转矩角。2.4 永磁同步机电的数学模型当永磁同步机电的定子通入三相交流电流工时，三相电流在定子绕组电阻R上产S生电压降Rl。由三相交流电流I产生的旋转电枢磁动势F

35、及建立的电枢磁场V,一sssaa方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应电动势E,另一方面以电磁力拖动着转子a以同步转速n旋转。电枢电流I还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通V,ss求并在定子绕组中产生感应漏电动势E。此外转子永磁体产生的磁场V也以同步转速切求0割定子绕组，从而产生空载电动势Eo为了简化分析过程，在建立数学模型时常忽略0一些影响较小的参数，作如下假设：(1)忽略铁芯饱和；(2)定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆是按正弦分布的，即略去磁场中的所有空间谐波；(3)各相绕组对称，即各相绕组匝数和电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度；(4)不计涡流和磁滞的影响。PMSM的定子

36、和普通三相同步机电的定子是相似的，如果永磁体产生的感应电动势（反电动势）与励磁线圈产生的感应电动势一样也是正弦的，那末PMSM的数学模型就与电励磁同步机电基本相同网。在以上假设的基础上，建立PMSM在不同坐标系下的数学模型。2.4.1 永磁同步机电在ABC坐标系上的数学模型对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下，其电压矢量和磁链矢量可以表示为:(2.12)(2.13)dvU=RI+SSSdtV=LI+V其中：U为定子电压矢量，R和L,分别表示定子电阻和定子电感，V和V分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，I表示定子电流。1、i c为各相绕组电流,.4pL cos fS 3R + Lp.

37、4pL cos s 3根据式（2.8）和式（2.9）,可以得到永磁同步机电三相绕组的电压回路方程如下:其中为U、U、U各相绕组端电压，iABCA为转子磁场在定子绕组中产生的交链，p为微分算子d/dto由于假设转子磁链在气隙中呈正弦分布，根据图2.1及图2.2可知:此外，对于星形接法的三相绕组，根据基尔霍夫（KirChhOff）定律有i+ii=0ABC联合式（2.14）、式（2.15）和式（2.16）整理可以得到：VVVABC(2.14)(2.15)(2.16)(2.17)2.4.2永磁同步机电在ab坐标系上的数学模型根据坐标变换理论，对用此同步机电在ABC坐标系下的数学模型进行3s-2s的坐标

38、变换，就可以得到在跳标系下的数学模型。式(2.5)为电流方程：(2.18)由式(2.4)、(2.5)和(2.17)可得电压方程叫%LaPO1i.Fsinp(2.19)ILUbJllLOR+LbPJIUbJ2rfLcospJ|其中U。、U,分别为定子电压在ab轴上的的分量，L、Lh为在轴上的电感aDaD3分量，其中L=L=L,V为转子磁链在定子侧的耦合磁链，。为转子角速度。ab2sfr2.4.3永磁同步机电在dq坐标系上的数学模型在dq坐标系下建立永磁同步机电的数学模型，对于分析永磁同步机电控制过程系统的稳态和动态性能都十分方便。对永磁同步机电在ab坐标系的数学模型进行2s-2r坐标变换，就可以

39、获得永磁同步机电在dq坐标系下的数学模型。由式(2和式(2.8)得到永磁同步机电在dq坐标系下的电流方程：2爪2爪.冽唧cos(p3-s(p3MMlIiql3l-sinp-sin(p-；sin(p+3平ILiJBl(2.20)其中i、i分别为定子电流在dq坐标系下的分量，结合式(2.16)整理得dq永磁同步机电在dq坐标系上的磁链方程为:V=Li+vdddV=LiqqqV=J2+v2(2.(21)(2.(22)(2.(23)(2.(24)电压方程为:Uq=RSiq+PWq匕(2.26)IUSl=JUj+U;(2.27)转矩方程为：T=1.5n(Wi-i)(2.28)运动方程为：Jdo)Te-T

40、L=ndt(229)其中J为转动惯量，其中W、W、dq电流和电感，U、侧的耦合磁链；SnPPTL为转矩负载。U、U、i、i、L、L分别是定子绕组d、q轴的磁链、电压、dqCIqdqW、R为定子端电压、磁链和定子绕组电阻；W为转子磁链在定子：但为机电极对数、电磁转矩和角频率，P为分算子d/dt。以上rU=Ri+P/-dsddrq(2.25)即是永磁同步机电在同步旋转坐标dq轴系下的数学模型。2.5 本章小结本章节对永磁同步机电的分类、结构及特点进行了分析，给出了永磁同步机电在不同坐标系下的数学模型，最后给出了其运动方程。为后续章节研究永磁同步机电直接转矩控制技术奠定了理论基础。第3章永磁同步机电

41、直接转矩控制系统的研究永磁同步机电直接转矩控制系统，是根据磁链状态、转矩状态及磁链所在扇区这几个条件从六个(或者八个)电压矢量中选择一个最佳矢量，使机电按照给定的指标运行。本章主要内容是基于永磁同步机电，介绍电压空间矢量以及直接转矩的基本理论，并建立永磁同步机电直接转矩控制系统的结构框图。3.1 电压空间矢量基本原理电压空间矢量法(SVPWM)是从电动机的角度出发，着眼于如何使机电获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器(原理图见图3.1)不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。电压空间矢量法与传

42、统的SPWM法相比，非但可以减少转矩脉动和铁损耗，而且可以提高电源的利用率。3.1.1 电压空间矢量直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节器产生开关信号，直接对逆变器的开关状态进行电压空间是量的最佳控制，以获得转矩的高动态性能。图3.1理想逆压器如图3.1所示，图中S、S、S分别用来表示桥臂a、b、C中同一桥臂上的两个开关abc器件的状态。当某相开关信号S为1,表示该相的上桥臂接通，为O则表示该相的下桥臂接通。由此可以分析出此电路中共有八个电压矢量，其中包括六个有效电压矢量和两个零电压矢量，如图3.2所示。六个有效电压矢量为UJIO0),Ugl0),U(OW)5U(on),u

43、5(00i),U(101),两个零电压矢量为U(OoO)和U(111)o关于逆变器电压状态的表示于开关的对照关系见表073.10表3.1中的电压状态的各种表示法。逆变器的七个电压状态，用空间电压矢量Us(t)来表示，则形成7个离散的电压空间矢量。每两个工作电压空间矢量在空间的位置相隔600,6个工作电压空间矢量的顶点构成正六边形的6个顶点。矢量的顺序正是从状态力”到状态“6”逆变针旋转。零电压矢量则位于六边形的中心。表3.1逆变器的电压状态与开关状态对照关系状态工作状态零状态12345678开关状态011001101100110010OOO111电压状态表示一Us(t)Us(Ob)(OOl)(

44、1)(Wb)U(IIb)U(Oib)U(oob)U(11l表示二Us(t)USl%US3US4uS5uS6us7表示三Us(t)1234567设机电A相相电压U单独作用时形成的电压空间矢量位于ABC坐标系中的A轴上,A则不同开关状态下逆变器输出电压空间矢量可以表示如下：U (S , S , S ) SabcU (SDC a2二.4n(3.1)+SelaSe11)bc其中U为直流侧母线电压。DC由图3.1得到A、B、C三相相电压可以表示为:(3.2)此外，在不同的电压矢量开关状态下,其中U、U、U分别表示A、B、C三相相电压。据PMSM电压与磁链空间矢ABC量的关系式(即定子电压方程式)：U=R

45、l+clW$(33)图3.3空间矢量划分图可以得到PMSW定子磁链表示为：=(U-RI)dt(3.4)SSSS由于逆变器的开关频率比较高，开关间隔时间做短，因此将式(3.1)代入式(3.4)可得：=-U(S+S,1+S13)t-RIt+I(3.5)S3DCabcssst=0从式(3.5)可以看出，由于定子电阻较小，在其上的压降可以忽稍不计，故磁链矢量W的运动轨迹将沿着电压矢量U的方向挪移，因此，为了W控制沿设定轨迹运动，可以S通过选择合适的电压矢量来实氤把电压矢量平面按定子磁差角度0划分为六个区域(如图3.2所示)，如0区域表示6处于(-30,30。)，在每一个区域，可以选择相邻两个矢量来增加或者减力、磁链幅值:例如:当磁链矢量W在。且逆时针旋转时，电压矢量U的应用可以增大磁链幅值，而电压矢量U的应用则减示磁链幅值。在实际控制中，23根据磁链所在区域和磁链的旋转方向选择合适的电压矢量，就可以控制磁链矢量在S所需的值上。图3.3中的虚线所示的圆的半径即为设定的磁链幅值的大小，其相邻两圆的间距为磁链冗差。永磁同步机电的直接转矩控制系统