基于直接转矩控制的PMSM伺服系统的研究与实现

摘要

随着电机控制理论、电力电子器件以及永磁材料的快速发展，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的直接转矩控制(Direct torqueControl，DTC)因其控制简单、响应速度快的优点已成为一种高性能的控制算法。
　　本文作者在阅读了国内外相关文献的基础上，综述了永磁同步电机直接转矩控制的研究现状，针对传统直接转矩控制的缺点和不足，研究了相应的改进方案。
　　针对传统直接转矩控制中存在的磁链和转矩增量不对称的缺点，研究了一种基于矢量细分的直接转矩控制算法。通过分析，确认了磁链和转矩增量在扇区分界处具有明显的不对称性，并且增量与采样周期、电压矢量幅值存在正比关系。由此采取将传统六个电压矢量增至十二个的方法来增加可供选择电压矢量的数量，以期改善控制性能。仿真结果说明该方法有效改善了传统直接转矩控制中磁链增量的不对称以及磁链运行轨迹。
　　针对传统直接转矩控制中磁链和转矩脉动过大、逆变器开关频率不恒定的缺点，研究了一种基于空间矢量调制(Space Vector Modulation，SVM)的直接转矩控制算法。该方法改进了传统直接转矩控制中的磁链和滞环控制器，利用磁链的给定值及实际计算值，结合计算出的磁链角和PI控制器输出的单周期内磁链角的变化值，计算出单周期内补偿磁链误差所需的电压矢量，利用空间矢量调制的方法实现对定子磁链和电磁转矩的精确控制。仿真结果证明了该方法能够明显减小传统直接转矩控制中的磁链和转矩脉动，使逆变器工作在恒定的开关频率下。
　　最后，对研究的基于空间矢量调制的直接转矩控制算法进行了实验验证。检测了实验系统的6路PWM波形、线电压和相电压波形以及三相电流波形。实验结果验证了该算法的正确性。但由于电机老化、变压器放大倍数过大等原因，实际的控制性能相对于仿真结果还有待进一步的提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题的研究现状

1．2．1 电机控制方式的发展

1．2．2 直接转矩控制的研究现状

1．3 论文结构

第2章 相关知识概述

2．1 永磁同步电机简介

2．1．1 永磁同步电机转子结构

2．1．2 永磁同步电机的数学模型

2．2 矢量坐标变换

2．2．1 Clark变换

2．2．2 Park变换

2．3 直接转矩控制(DTC)概述

2．3．1 DTC的数学模型

2．3．2 DTC的控制原理

2．4 核心芯片及开发环境介绍

2．4．1 dsPIC30F4011简介

2．4．2 软件开发环境简介

2．5 本章小结

第3章 基于矢量细分的直接转矩控制的研究与仿真

3．1 传统DTC性能分析

3．1．1 磁链性能分析

3．1．2 转矩性能分析

3．2 开关矢量表的改进—基于矢量细分的DTC算法

3．2．1 十二个空间电压矢量的生成

3．2．2 改进的矢量开关表的制定

3．3 基于矢量细分的直接转矩控制的仿真研究

3．3．1 矢量细分DTC的系统模型

3．3．2 基于矢量细分DTC的仿真实验

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

第4章 基于空间矢量调制的直接转矩控制的研究与仿真

4．1 传统DTC系统中滞环控制器的分析

4．2 滞环控制器的改进—SVM-DTC算法

4．2．1 SVM-DTC的数学原理

4．2．2 SVM的实现

4．3 基于空间矢量调制的直接转矩控制的仿真研究

4．3．1 SVM-DTC的系统模型

4．3．2 SVM-DTC的仿真实验

4．3．3 结果分析

4．4 本章小结

第5章 系统的数字化实现

5．1 系统的总体架构

5．2 系统的硬件电路

5．2．1 主电路架设

5．2．2 重要外围电路简介

5．3 SVM-DTC系统的软件设计

5．3．1 系统程序流程

5．3．2 电机转速计算

5．3．3 定子磁链扇区判断

5．3．4 SVM编程实现

5．4 系统调试

5．4．1 软件调试

5．4．2 硬件调试

5．5 本章小结

第6章 结束语

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文