杭州电子科技大学

毕业设计（论文）开题报告

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1.1国内外研究动态

20世纪80年代开始，电力电子技术得到了飞速的发展，很好地解决了交流电机调速难的问题。主要包括门极可关断晶闸管GTO、电力场效应管MOSFET和电力双极性晶体管BJT这些全控型器件。它们的优点主要有以下两个方面：通过对门极发出一个信号，就能简单快捷地控制电路的通断；开关频率高，因此开关损耗小。到了80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管IGBT为代表的复合型器件得到了迅猛的发展。绝缘栅双极型晶体管IGBT是由BJT和MOSFET复合而成的。它很好地融合了两者的优点，如耐压高，载流量大，开关频率高等。所以，它已经成为了当今比较主流的电力电子器件。

在电力电子器件发展的同时, 与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。

    PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，主要通过对一系列脉冲的宽度进行调制，从而得到理想的输出波形。它在逆变、整流、直流斩波、交-交控制中起到了重要的作用，使电路的控制精度大幅提高。传统的PWM控制技术主要是靠载波信号和调制信号相比较，确认交点，从而起到调节的作用。

     SPWM(Sinusoidal PWM)，即正弦波的脉冲宽度调节，是如今应用最广，发展最成熟的脉冲宽度调节的方法。它主要是通过把正弦波和载波信号作比较，用一系列宽度按正弦规律变化的脉冲代替了正弦波，通过调节这些脉冲的宽度，间接调节正弦波的特性，从而起到控制电路的作用。实现SPWM基本控制方法主要有以下两种：

    自然采样法是直接把正弦波和载波信号（常为等腰三角波）作比较，用它们的自然交点时刻作为电路通断的时刻。它的优点是操作简单，得到的波形很接近原来的正弦波。但是因为交点的任意性，造成了脉冲的中心在每个周期内距离不相同，从而使得计算涉及到超越方程，增加了数学运算的难度，延长了运算的时间。

    规则采样法是先用一系列的三角波对正弦波进行采样，得到了与正弦波形状相似的阶梯波，再把阶梯波与三角波进行比较，确定它们的交点，从而得到了脉冲，去控制电路的开通或关断。规则采样法又分为对称的规则采样法和非对称的规则采样法。若在正弦波的顶点或最低点时刻进行采样，在每一个采样周期中，得到的脉冲的中心都是距离相等的，这就是对称的规则采样法。如果采样时刻不在正弦波的顶点或最低点，在每个采样周期中，脉冲的中心距离就不相等，这就是非对称的规则采样法。

随着技术的不断进步，人们对传统的PWM控制方法进行改进，提出了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation)即空间矢量的脉冲宽度调节。SVPWM是以三相对称正弦波电压供电时定子所产生的三相对称的理想磁场圆为参考标准，适当地转换三相逆变器各种开关模式，得到PWM的波形，从而形成实际的磁链向量去追踪准确的磁场圆。

1.2选题依据和意义

 为了做到机械能和电能在相互转化的效率最高，并且尽最大可能节约成本，必须找到一个高效合适的电机控制策略。因此，电机的控制就成为了一个重要的课题。由于直流调速系统的控制比较方便，能通过控制电机的励磁电流和输入电压，使电机能在很广阔的范围内平滑地改变速度。基于这一优点，直流调速系统在上世纪70年代就广泛应用在需要响应范围广，动态性能好，控制精度高的场合上。直流调速也成为了当时主流的电机控制方式。但是直流电机也存在一些缺点：如生产成本高，维护费用大，设备体积大，由于存在换向器和电刷，在运行过程中容易产生火花，导致电机燃烧甚至爆炸。

所以，人们就开始想方法用交流电机去取代直流电机。比起直流电机，交流电机具有结构简单，坚固耐用，造价低廉，运行安全，维护便捷，对环境适应能力强等优点。电机调速系统的关键问题在于维持气隙磁场，控制电机的电磁转矩。但是因为交流电机的磁链和转矩之间存在耦合，无法独立调节磁链和转矩。但是随着电力电子技术和微处理器技术的飞速发展。不仅促进了交流电机的研发，也大大优化了交流电机的控制策略，很好地解决了交流电机调速难的问题。这就令交流电机得到广泛的引用，占据了主导地位。

交流电机主要有两大类：即异步电机和同步电机。异步电机又称感应电机，是由于它的转子运动速度与定子旋转磁场的运动速度不同步而得名的。异步电机结构简单，制造成本低，运行比较安全可靠，容易安装传感器和反馈装置，转矩脉动比较小。因此，在生产和生活中得到广泛的应用。但它同时也存在着调速特性较差，难以实现平滑的调速，功率因素较低等缺点。同步电机因转子旋转的速度与定子旋转磁场的速度相同而得名。在同步电机中，应用的最多的就是永磁同步电机。原因主要有三方面：

永磁同步电机的转子为永磁体，所以不需要外加励磁系统，为运行带来了方便。而且转矩阻尼效应大，转矩响应性比较好，运行时功率因素比异步电机要高。

我国是资源大国，拥有丰富的磁铁矿和稀土矿。而且掌握了先进的永磁材料炼制技术。这为大量生产永磁同步电机打下了物质基础。

针对永磁同步电机的控制策略越来越成熟。近年来出现了一种新的控制策略——直接转矩控制。它放弃了传统矢量控制解耦后再分别控制被控量的思想。直接控制转矩从而去控制永磁同步电机的运行。这就省去了繁琐的坐标转换，节约了大量的计算时间。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

2.1研究基本内容

本文重点研究把直接转矩控制应用在永磁同步电机上的控制效果。为了更好地分析永磁同步电机直接转矩控制，介绍直接转矩控制的原理和它的优缺点，还有永磁同步电机的分类、结构及其在不同坐标系下的数学模型。然后借助MATLAB中的Simulink功能，搭建永磁同步电机直接转矩控制系统的模型，对仿真结果进行分析归纳，最后得出结论。通过仿真来证明永磁同步电机直接转矩控制具有较好的转矩响应，基本能实现对永磁同步电机的快速可靠的控制，但是低速性能不佳，得不到快速的转矩响应。

2.2拟解决的主要问题

（1）建立三相异步电机的数学模型，通过所介绍的变换矩阵得到一部电机在二相静止和两相旋转坐标系下的数学模型。在分析空间电压矢量的基础上，结合一种经典的直接转矩控制系统阐述DTC的基本控制策略及如何构成开关模式表以实现对转矩和磁链的控制。      

（2）对直接转矩控制进行的系统的分析，然后对定子磁链滞环和转矩滞环进行详细的分析。最后利用Matlab/Simulink仿真软件，设计出直接转矩控制模型。结合Simulink中逆变器和电机模型库中的三相鼠笼式异步电动机模块，加上对某些模块进行 S函数编写，提高仿真的速度及精度。     

（3）给出仿真结果，并对仿真结果做出分析，从仿真结果来看，系统的动、静态效果较好，动态响应迅速，系统稳定。

三、研究步骤、方法及措施：

基于开关表和SVM的永磁同步电机直接转矩控制系统的原理图如下所示，基于开关表的永磁同步电机直接转矩控制系统由永磁同步电机、逆变器、磁链和转矩计算及扇区判断模块、速度传感器、开关表以及调节器等模块组成。

接转矩控制系统进行仿真研究。从仿真波形中比较两者的共同和差别并得出分析结论。

在对永磁同步电机直接转矩控制系统进行数学分析的基础上，建立仿真模型，并进行各参数的设计，最后得出仿真结果并分析。

四、研究工作进度：

五、主要参考文献：（所列出的参考文献不得少于10篇，其中外文文献不得少于2篇，发表在期刊上的学术论文不得少于4篇。）

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[2]刘军，刘丁，吴浦升，白华煜．基于模糊控制调节电压矢量作用时间策略的永磁同步电机直接转矩控制仿真研究[J]．中国电机工程学报，2004，33．10-12．

[3]李光叶，万健如，刘英培，沈虹，袁臣虎.基于模糊零矢量永磁同步电机直接转矩控制[J]．电力自动化设备．2009，29．9-11．   

[4]张益男，刘国海．永磁同步电动机直接转矩控制的仿真与实验研究[J].微特电机，2009， 2-4．

[5]李耀华，刘卫国．永磁同步电机矢量控制与直接转矩控制比较研究[J].电气传动，2010，40-50．

[6]田淳，无位置传感器同步电机直接转矩控制理论研究与实践[M].南京航空航天大学，2001．

[7]李耀华，刘卫国．表面式PMSM直接转矩控制电压矢量选择策略[J].电力电子技术，2010，44-53．

[8]李耀华，刘卫国．永磁同步电机直接转矩控制不合理转矩脉动[J].电机与控制学报，2007，10-14．

[9]金爱平，基于模糊神经网络直接转矩控制系统设计[J]．科学创新导报，2010（3）．

[10]朱卫华，杨向宇．永磁同步电机直接转矩控制零矢量插入新方法[J]．机电工程技术，2005，34-45．

[11] H. Ghassemi, S.Vaez-Zadeh.A very fast direct torque control for interior permanentmagnet synchronous motors start up〔J〕. Energy Conversion and Anagement , 2005,46.

[12]Kin JH,CHoi JW. Novel rotor –Flux Observer Characteristic Function in Complex Vector Space for Field–Oriented Induction motor Drives [J].IEEE. Trans Ind. Applicat,20092,38,(5):1334 - 1343