畢業設計pmsm直接轉矩控制系統仿真(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 果單靠模糊控制，特別是在控制精度要求高的場合，得到的效果不是很好。所以，模糊控制 一般與其他的控制策略相配合使用。 神經網絡控制，神人一樣，擁有學習和記憶能力。在電機的控制上，神經網絡的主要任務是觀測估算電機的磁鏈和轉速，并作出自適應調整。但是由于神經網絡控制是一種比較新的控制策略，所以技術還不是很成熟，有時會導致估算值出現很大的誤差或者系統出現振蕩。 燕山大學本科生畢業設計（論文） 6 直接轉矩控制原理 直接轉矩控制是在矢量控制策略后又一應用廣泛的控制策略，它放棄了矢量控制中解耦的思想，沒有通過控制定子電流，定子磁鏈等變量去間接控制電機，而是通過直接控制電機的轉矩來控制其轉速。它并沒有像矢量控制一樣，用轉子磁鏈 作為參考系，而是把定子磁鏈作為參考系，這樣就使磁鏈僅僅由定子電阻確定，大大弱化了電機運行狀態改變時對控制策略的影響。確定了參考系后，只需測定定子的電壓和電流，就能通過空間矢量理論去計算電磁轉矩以及定子磁鏈。通過給定轉矩和實際轉矩以及給定的定子磁鏈和實際的定子磁鏈的誤差，去選擇適當的電壓矢量進行控制。 直接轉矩控制的優點主要有以下幾方面： 一、直接轉矩控制直接以定子磁鏈為參考系。只需要在此參考系中對電機的各個變量進行簡單的轉換，既沒有像矢量控制一樣，需要一系列繁瑣的坐標轉換，也沒有了旋轉時對各 個變量的影響，大大簡化了運算量和信號的處理難度。而且另觀測者更直觀地了解到電機的運行狀態。 二、直接轉控制只需要對定子電阻進行觀測就能得到定子磁鏈，從而估算到磁通。和矢量控制要通過觀測轉子電阻和轉子電感相比，大大減弱了對電機參數的依賴性。因此直接轉矩控制擁有較強抗干擾能力。 三、由于直接轉矩控制是通過給定轉矩與實際轉矩進行比較，得到誤差，經過滯環比較器，然后選擇適當的電壓矢量去調節電機的轉速。因此，它的控制效果是由實際的轉矩情況決定的，這使它得到較迅速的轉矩響應。 直接轉矩控制的發展方向 直接轉矩控制也并不是十全十美的控制策略，傳統的直接轉矩控制同樣存在著缺點。它要將給定轉矩與實際轉矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差輸入到滯環比較器中。由于滯環比較器存在一個閥值，而且電壓逆變器只有八種狀態可選擇。當轉矩或者定子磁鏈從一個很小的值變化到另一個很小的值，即電機運行在低速狀態，如在啟動階段時，電壓逆變開關沒來得及改變，導致電壓矢量繼續作用，直至給定轉矩與實際轉矩的誤差和給定定子磁鏈與實際定子磁鏈的誤差達到滯環比較器的閥值，電壓逆變器才開第 1 章 緒論 7 始改變狀態，終止電壓矢量的作用。因此，在此過程中 ，會使電機的轉矩和定子磁鏈產生較大的波動。 為了解決傳統的直接轉矩控制在低速時轉矩響應慢，動態性能不足這個缺點，目前專家提出了幾種解決方法。這就確定了直接轉矩控制在今后的發展方向。 一、對傳統的直接轉矩控制的空間電壓矢量開關表進行改進。以永磁同步電機的直接轉矩控制為例，可以在原有的開關表的基礎上加上兩個零矢量，即 000 和 111，把開關表從 4 行擴充到 6 行。插入了零矢量后，有效地把轉矩的變化維持在一定的范圍內。這樣，轉矩的脈動頻率和電壓逆變器的開關次數就相應減少了。此外，有專家提出了把空間電壓矢量細分的 方法。把原來的 6 等份擴大到 12 等份或者 24 等份，從而減小轉矩的脈動。但是這兩種方案還是存在不足，插入零矢量雖然能有效把轉矩維持在一定范圍內，卻同時使轉矩響應變慢了。這樣一來就失去了直接轉矩控制轉矩響應快的優勢。細分電壓矢量法雖然能有效抑制轉矩的脈動，但其效果與細分的程度成正比，要想得到理想的效果，就要大大增加運算量。 2)用空間矢量脈沖寬度調制的方法去代替空間電壓矢量開關表，從而得到恒定的開關頻率。以定子的磁鏈為參考系，把檢測到的定子電壓和定子電流進行 3/2 變換。把變換后的定子電流和定子電壓通過全速度磁鏈模 型去計算，從而得到定子磁鏈值 Ψs 、電磁轉矩值與磁鏈位置角。給定轉矩與實際轉矩的誤差不再經過滯環比較器，而是經 PI 調節后得到磁鏈增量角。然后通過對參考電壓的預測計算可以得出期望的參考電壓矢量，再經空間矢量脈寬調制得到所需要的開關控制信號。 3)神經網絡和模糊控制與傳統的直接轉矩控制相結合。神經網絡像人一樣有這很強的自我學習能力。但它不能處理已有的有規則的知識，所以在對神經網絡進行訓練時，不能運用已有的經驗和知識，只能重新給他一個初始值，這樣就使訓練時間大大增加，效率很低。模糊控制，主要在傳統的直接轉矩控制 的基礎上，模糊調節給定轉矩與實際轉矩的誤差以及誤差的變化率。但這種方法要經過模糊推理和模糊判斷，大幅增加了計算的復雜程度，所以目前還得不到廣泛的應用。把神經網絡以及模糊控制與傳統的直接轉矩燕山大學本科生畢業設計（論文） 8 控制相結合，把模糊集合所定義的模糊概念應用到神經網絡的學習和計算之上，這樣就能在普通的神經網絡的基礎上產生了各種各樣的模糊神經網絡。一方面利用了模糊控制去提高神經網絡的學習能力，縮短了訓練時間；另一方面利用神經網絡的強大的學習能力去調整模糊化的精度函數，加強模糊推理的能力，提高模糊判斷的能力，實現并行推理。可見，如果能把模 糊控制以及神經網絡和傳統的直接轉矩控制有機地結合起來，博取眾長，就能建立一種比單獨將模糊控制或者單獨將神經網絡與直接轉矩控制結合的控制策略都更優的控制策略。 章節小結 本章主要介紹了電機控制的策略，大致可分為三類：基于穩態的控制策略，基于動態的控制策略和不依賴對象的數學模型的控制策略。其中基于穩態的控制策略受到動態性能的限制，不能得到廣泛的應用。而不依賴對象的數學模型的控制策略現今還沒成熟。基于動態的控制策略因其動態性能和控制精度較高，應用比較廣泛。其典型代表就是直接轉矩控制。直接轉矩控制主要通過控 制轉矩和磁鏈直接控制電機，簡單直觀，抗干擾能力強，轉矩響應快。但是仍然存在著低速時轉矩響應慢的問題。針對這問題，專家們提出了改進空間電壓矢量開關表，用空間矢量脈沖寬度調制代替空間電壓矢量開關表和將模糊控制，神經網絡以及直接轉矩控制相結合這三種方案。這就指明了直接轉矩控制今后的發展方向。 第 3章 永磁同步電機概述 9 第 3章 永磁同步電機模型的搭建 永磁同步電機的分類 按照轉子上的永磁體的位置，可以把永磁同步電機分為三類，分別是表面式，內埋式和嵌入式。表面式的永磁同步電機屬于隱極電機，永磁體位于轉子表面，體積較小， 轉動時慣性也比較小，因此轉矩的線性特性相對較好。內埋式永磁同步電機和嵌入式永磁同步電機同屬凸極電機，因此轉矩的線性沒有表面式永磁同步電機好。其中嵌入式永磁同步電機的凸極特性比內埋式永磁同步電機要小，因此轉矩的線性也比較好。但內埋式永磁同步電機也有著自己的優勢，它雖然轉矩的線性度較差，但它具有明顯的磁阻效應，有利于優化電機的調速特性和提高電機的運行效率。 永磁同步電機的結構 永磁同步電機主要由定子和轉子兩部分組成。 永磁同步電機的定子主要由硅鋼片，三相對稱分布的星形繞組，機殼以及端蓋組成的。如果給星形 繞組通三相對稱的正弦波電流，定子繞組就會在氣隙中產生一個圓形的旋轉磁場。這個氣隙磁場的旋轉速度稱為同步轉速。它的大小與供電的頻率，電機的極對數有關。 永磁同步電機的轉子通常可歸納為圓柱形轉子、無極靴星形轉子、有極靴星形轉子、爪極式轉子和切向式轉子等幾類。 圓柱形轉子，出現得最早。把永磁鐵制成空心的圓柱體，澆鑄或者壓制在非磁性套筒再與轉軸緊密連接，就形成了圓柱形轉子。圓柱形轉子一般不超過 8 極，多為 2 極或 4 極。永磁材料大多采用鋁鎳和鋁鎳鈷合金。還有少部分用馬氏體鋼。圓柱形轉子的優點是結構簡單，對制作工藝要求不高 ，除了精磨轉子表面外，其他都不需要用機械加工。轉子表面光滑，風摩系數和噪音小。缺點是對永磁體的利用率低，在極數較多時這一問題更為明顯。因此只用于極數較少的永磁同步電機。 無極靴星形轉子，為了改善圓柱形轉子永磁體利用率低這一不足，在圓柱形永磁鐵的基礎上，去掉部分永磁鐵，就形成了無極靴星形轉子。無極靴燕山大學本科生畢業設計（論文） 10 星形轉子的磁鐵平均長度比圓柱形轉子長，體積小，橫軸的電樞反應作用減少。由于永磁材料的磁阻率非常大，在負載急劇變化或者短路時，磁鐵阻尼作用小，去磁作用大。因此，需要在極間澆鑄非磁性材料合金作為非磁性套筒來保護永磁鐵。 雖然和圓柱形轉子相比，磁鐵的利用率增大。但是和有極靴星形轉子和爪極式轉子相比，無極靴星形轉子還存在若干缺點：永磁鐵為多極星形，形狀復雜，磁性能差。而且隨著極數的增加，對磁性能的影響越來越大。永磁材料沒有得到充分的利用。由于永磁體的形狀為多極星形，造成了永磁體的不均勻磁化。磁鐵性能降低，利用率也隨之降低。同樣，極數越多，不均勻磁化就越嚴重，磁鐵利用率就越低。電機瞬態運行時，磁路系統的阻尼作用小，就算在極間澆鑄了非磁性材料，瞬間短路時，去磁作用也很大。為了增大磁路系統的阻尼作用，就要增長永磁鐵的長度，造成成本上升。除了二極轉子可采用各向異性的永磁材料外，其余的多極轉子只能使用各向同性的永磁材料。這樣就限制了擁有高磁性的各向異性的永磁材料的應用。無極靴星形轉子沒有其他的加固措施，因此機械強度較差，轉速和容量度受到比較大的限制。綜上所述，無極靴星形轉子的極數一般較少，多應用在小容量的場合上。 有極靴星形轉子，在無極靴星形轉子的永磁體兩端安裝軟鐵極靴，就形成了有極靴星形轉子。有極靴星形轉子的制作工序如下：將永磁體制成多極星形，用鉚釘把軟鐵極靴固定在永磁體上。為了增加永磁體和軟鐵極靴的吻合程度，需要對永磁體外表面和軟鐵極 靴的內表面進行精磨。有極靴星形轉子主要有以下優點：由于軟鐵極靴的存在，消除了橫軸電樞反應，對永磁體的去磁作用大大減弱。去掉負載后，不產生不可逆去磁和不對稱去磁。磁路系統阻尼作用強，使電機在瞬態運行，如瞬間短路時，仍保持良好的短路特性。由于軟鐵極靴的存在，出現了較大的漏磁。通過調節漏磁，就能使永磁體得到更好的利用。當磁鐵是矩形結構時，可以用各向異性或晶體取向性的材料來制造永磁體，提高了磁性。同時，也可以采用稀土類的合金做永磁體，從而縮小電機的體積，提高電機的容量和輸出效率。但是有極靴星形轉子也存在若干缺點：加 入了軟鐵極靴后，使轉子的結構變得復雜，由于永磁體和極靴都要精磨，是加工量增大。在高速旋轉時，極靴與永磁體可能出現松動。第 3章 永磁同步電機概述 11 軟鐵極靴增大了轉子的外徑，也就是說，與無極靴星形轉子比較，在同等外徑下，永磁鐵比較小。 爪極式轉子，爪極式轉子是由兩個帶爪的法蘭盤與一個沿轉子軸向充磁的圓環形永磁鐵組成的。兩個帶爪的法蘭盤爪數相等，并且均等于極對數。把法蘭盤的爪相互錯開，夾著圓環形的永磁鐵，相互對合。這樣，就讓一個帶爪法蘭盤的爪子呈 N 極性，而另一個則呈 S 級性，從而起到了極靴的作用。爪極式轉子主要有以下優點：永磁體為圓環形，結 構簡單，制造方便，磁性好，不會出現較大的不均勻磁化，永磁材料的利用率較高。還可以采用鐵氧體和稀土鈷合金，從而縮短軸向長度，優化磁化特性。帶爪的法蘭環屏蔽了橫軸的電樞反應，消除了電樞反應對氣隙磁場的畸變效應，使氣隙磁場保持穩定。爪極間的漏磁很大，有效消除了縱軸電樞反應對磁鐵的去磁作用，讓磁鐵能承受較大的過載。爪極式轉子的阻尼作用很大，令電機在瞬態運行時很穩定。短路時，電流對永磁鐵的作用約等于穩態時電流的作用。結構牢固，機械強度高。磁鐵為圓環形的形狀，使磁鐵的利用程度與極靴無關，所以特別適合用于多極和高頻的電機 。但是爪極式轉子也存在以下缺點：帶爪的法蘭盤結構復雜，制造工藝要求高。大部分不能采用鋼板沖片，只能采用粉末冶金或機械加工的方式，費時費力。在轉速較高時，爪極受力很大，比較容易發生彎曲變形，甚至斷裂。帶爪的法蘭盤體積比較大，在相同容量下，電機的體積尺寸和重量增加幅度比較大，可達 25%左右。 切向式轉子，切向式轉子由優硅鋼沖片疊成的轉子鐵心，非磁性套筒和薄片形的永磁鐵組成的。由于磁鐵沿切向方向磁化，因此很好地克服了因沿徑向方向磁化造成氣隙磁密偏低和尺寸結構不合理等缺點，能應用到大容量的場合。 永磁同步電 機的數學模型 由于實際的永磁同步電機在制造或者設計上存在結構不對稱，從而造成參數的不對稱。磁路相互之間的耦合也大大增加了分析永磁同步電機的數學模型的難度。另一方面，由于永磁同步電機是一個旋轉設備，涉及到動態的分析，若在自然參考系下，永磁同步電機的狀態方程組就是一個變系數的微燕山大學本科生畢業設計（論文） 12 分方程組，系數與定子和轉子的相對位置有關。這就給這個方程組的求解帶來了很大的不便。為了方便計算求解，必須先假設一臺理想的永磁同步電機，然后選取合適的參考系，把電機的狀態方程組轉換到相應的參考系中求解。 首先介紹一下理想的永磁同步電機： 一、忽略磁路的飽和效應、磁滯效應和渦流效應的影響。假設鐵心中的導磁系數是常數。 二、轉子的結構分別關于橫軸和縱軸對稱。 三、定子三相繞組的結構完全相同，在空間上分別相差 120176。電角度。所產生的磁動勢在氣隙中按正弦規律分布。 四、氣隙均勻，也就是說磁路與轉子無關，定子、轉子中的自感和互感與轉子和定子的相對位置無關。 五、在恒定轉速且電機空載時轉子的磁動勢在定子