1、直流電動(dòng)機(jī)因其具有艮好的啟動(dòng)性能和調(diào)速件能.所以在加年代以前,需要調(diào)速的場合普遍使朗的都是査流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)調(diào)速察統(tǒng)不論在地面還是在骯空上得到了廣泛的宓用.但圧胖通的珂流電動(dòng)機(jī)需要機(jī)械換相和電刷所以直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)虜?shù)闹^速系統(tǒng)可靠性差.as要經(jīng)常嫌護(hù)，換相時(shí)產(chǎn)q購電火牠、電磁干擾、噪聲等一系列問題嚴(yán)重限制了宜流電動(dòng)機(jī)的便用場合閔.盹苻電力屯子技術(shù)、電力電了器件、肉忤能的水礙材料枷先進(jìn)的調(diào)速技術(shù)的心沒仃r機(jī)械換相和電刷的水磁同洱電動(dòng)機(jī)得到.WJ在電機(jī)結(jié)構(gòu)1:永磁同步電動(dòng)機(jī)和直逾電動(dòng)機(jī)有著明顯的區(qū)別。陽1.1(a)為祥通直流屯動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，其電樞繞組在轉(zhuǎn)子上*永雄冊鋼安裝在定ZMo圖11(b)為永碓同

2、步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),其永磁鐵鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，電樞繞組安裝在定子這樣的電機(jī)結(jié)構(gòu)就不隔塑換相趙和電刷匚(越n流電功機(jī)結(jié)構(gòu)e)水磁冋血電剛機(jī)結(jié)構(gòu)1.1m流電動(dòng)機(jī)和永蠱員涉電剳機(jī)站構(gòu)比犢陽按水幽同步電機(jī)的反電勢來分類水幽電機(jī)仃兩種類熨：止弦波水磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)和無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM).和正眩波永磁同步電動(dòng)機(jī)相比，無刷直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)更加簡單釆用集中繞組后具有更高的功率密度,所以無刷直流電動(dòng)機(jī)只仃更人的競爭力.但是因?yàn)槠潆娏鞑ㄐ螢榉讲ǎ措妱莶ㄐ螢樘菪尾ǎ蛊溥\(yùn)行特性不如止弦波水磁同步電動(dòng)機(jī).限制了無刷/流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用.因此一般在要求運(yùn)行性能高的場合采用正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī),而在普通場

3、合才釆用無刷直流電動(dòng)機(jī),例如家用電器、辦公儀器設(shè)備等等。按永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)f的水磁磁鋼安裝結(jié)構(gòu)來分類，一般可分為而貼式(也稱農(nóng)而式)、內(nèi)插式和內(nèi)埋式三種基本結(jié)構(gòu)的水磁同步電動(dòng)機(jī).(，)面貼式(，)面貼式(b)內(nèi)插式(c)內(nèi)埋式ffll.2水磁冋步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖圖1.2是三種基本的水磁同步機(jī)的轉(zhuǎn)子水磁雄鋼安裝結(jié)構(gòu)，K中，面貼式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)在無刷直流電動(dòng)機(jī)中采用較多,內(nèi)埋式的轉(zhuǎn)歹結(jié)構(gòu)在正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)中使用的較多。因?yàn)槊尜N式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)最為簡單，制造加工容易,成本較低,所以在工業(yè)中廣泛便用.但是其最大的缺點(diǎn)是不能應(yīng)用在高速場合。永磁材料種類永磁同步電機(jī)使用的永磁材料主要分以F三種:鋁棵鉆系永磁材

4、料、鐵氧體水磁材料和稀上水磁材料。鋁探鉆系水啟材料爲(wèi)高、熱穩(wěn)定性好，磁性能佳等特點(diǎn)，但是其存在鳳較小，£磁曲線是非線性的缺點(diǎn)鐵氧體水磁材料具仃去磁曲線線性、鳳大，仃校強(qiáng)的抗去磁能力的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是：盡低，錄大磁能枳小，機(jī)械強(qiáng)度差。稀土水礎(chǔ)材料只仃島磁能枳、高矯頑力等等使英應(yīng)用住較多的永磁電機(jī)中,具有了很多優(yōu)點(diǎn).便其成為新-代航空航天和航海用電機(jī)的首選。中國是世界上第一稀土大國，所以可以預(yù)見使用稀土永磁材料的永磁同步電機(jī)會(huì)更將迅猛發(fā)展現(xiàn)今工業(yè)中使用較多的永磁材料是敎鐵硼和鐵氧體。八冇以上優(yōu)斤性能的水磁電機(jī)和電力電子技術(shù)相結(jié)合，使水蹴電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域更加寬廣，遍及了數(shù)控機(jī)床、計(jì)算機(jī)、汽車、

5、柔性制造系統(tǒng)等等木文研究的是“同步電機(jī)中的面貼式無刷直流電動(dòng)機(jī),和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)相比，無刷厲流電動(dòng)機(jī)使用水碗材料替代厲流勵(lì)磁方案，使無刷克流電動(dòng)機(jī)省去了電刷和換相器等影響電機(jī)可靠運(yùn)行的裝置.在口前階段,工業(yè)中面貼式的無刷直流電動(dòng)機(jī)以其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用,但是其校差的運(yùn)行性能限制了其在高性能場合的使用，提高這種廣泛使用的電機(jī)的運(yùn)行性能顯得非常重要和迫切,這也是本文研究的目的和意義。1.2無刷直流電動(dòng)機(jī)控制策略無刷貢流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)如分別為I31N：U-2IR(1-2)式中力為轉(zhuǎn)速,C7為加到無刷直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組的電壓,7為定子電流,R為相電陽.G為電勢常數(shù)，為毎極磁

6、通，丁為轉(zhuǎn)爐，cy為轉(zhuǎn)爐常數(shù)。曲式(11)和式(1-2)nJ以斤出無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械'持性和直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性接近，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)節(jié)母線電壓或定子電流進(jìn)行調(diào)速。卜文將介紹常用的尢制直流電動(dòng)機(jī)的兒種控制方法.最簡控制方式仏簡控制方式卜無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)只仃位置環(huán).該位世環(huán)僅起同步作用。電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，給定母線電爪后無刷4流電動(dòng)機(jī)就匚作在一定轉(zhuǎn)速卜，其轉(zhuǎn)速不可調(diào),同時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大圖1.3為該控制方式控制框圖.位刃傳喀器圖1.3最簡控制方式控制框圖調(diào)壓控制方式調(diào)壓控制方式卜位遏傳感器提供轉(zhuǎn)尹位置實(shí)現(xiàn)電機(jī)同步，同時(shí)根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速的PI調(diào)節(jié)來控制母線電壓幅值.實(shí)現(xiàn)調(diào)爪

7、調(diào)速。圖1.4為調(diào)爪控制方式框圖。張動(dòng)電路B1.4調(diào)JR控制方式控制橋圖以上兩種控制方式轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)都較人.不適合應(yīng)用在髙性能要求應(yīng)用場合.只能應(yīng)用在諸如風(fēng)機(jī)、水泵等場合。電流滯環(huán)PWM控制方式電流滯壞PWM控制方式是口前無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的最多的控制方法,該方法玄接控制電機(jī)的相電流，因此相比調(diào)爪調(diào)速的控制方法性能更好，較好的抑制電流的脈動(dòng)。同時(shí)該方広控制可靠，控制結(jié)構(gòu)簡單,能滿足般運(yùn)行性能卜的耍求.近來有很多文章研究PWM調(diào)制方式.并且在這基礎(chǔ)上便用各種方式來改»PWM調(diào)制方式擰制效果.使其具有更加好的運(yùn)行性能f圖1.5是常見的電流滯環(huán)PWM的控制框圖.該方法通過-個(gè)PI速度調(diào)節(jié)器輸出

8、給定電流,與實(shí)際電流作比較,形成滯環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對電流脈動(dòng)的限制.由式(1-2)nJ知，相電流的改善可以減小電流脈動(dòng)，從而來改善電機(jī)的運(yùn)行特性。該方法存在的不足還是根木上沒仃解決換相引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)同時(shí)電流滯環(huán)PWM調(diào)制模式下.滯環(huán)寬度減少能減小電流轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),但帶來了如下不足: 電流滯環(huán)寬度的減小開關(guān)頻率上升.逆變橋開關(guān)損耗加人. 在電機(jī)電感較小或者在輕載悄況卜電機(jī)的電流變得很娥控制化滯環(huán)寬度內(nèi).圖15電流滯環(huán)PWM控制柿附在一般工程應(yīng)用情況卜，無刷直流電動(dòng)機(jī)使用上述控制方法就能滿足一般場介的運(yùn)行性能要求，所以并沒仃很篡人2；追求把高性能的控制策略應(yīng)用在無刷直流電動(dòng)機(jī)上.但是如果使用高性能的控制策

9、略來使電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡單的無刷自:流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能改善.那無疑是相F仃吸I力的研究.木文嘗試把白接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用到無刷直流電動(dòng)機(jī)I:的研究就是想要得到這樣的效果,為無刷直流電動(dòng)機(jī)的高性能控制另辟蹊徑1.3直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)1986年德國的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashift授分別提出了基F畀步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)皿皿,該方案是堆70年代發(fā)展的欠量控制技術(shù)以右農(nóng)展起來的種具(jAn能的交流變頻調(diào)速技術(shù)。1994年該調(diào)速技術(shù)被ABB公司研制成產(chǎn)品,ABB公司同時(shí)在1994年聲稱,:卜一世紀(jì)將是宜接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的世紀(jì).ABB介司除直接轉(zhuǎn)爐控制以外，不再研究其他控

10、制方”、.近二十多年的研究和實(shí)踐使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)得以迅速發(fā)展,理論體系更加完整，更為垂耍的意義是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用范陽不斷擴(kuò)大。直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的發(fā)展1986年兩位學(xué)者提出直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)時(shí)只是把該技術(shù)便用在異步電機(jī)調(diào)速上，但是20年過去了,發(fā)展到現(xiàn)在該調(diào)速方法應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)拓展到同步電機(jī)、發(fā)電系統(tǒng)等領(lǐng)域直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用從異步電機(jī)到同步電機(jī),因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行原理的不同,所以用了十年多的時(shí)間才把直接轉(zhuǎn)機(jī)技術(shù)應(yīng)用到同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)機(jī)控制是基J電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率控制的理論基礎(chǔ)上的,但覽在同步電機(jī)中并不存在電機(jī)轉(zhuǎn)差角頻率，所以需要一些創(chuàng)造性的工作來解決同步電機(jī)口接轉(zhuǎn)機(jī)控制理論問題。199

11、7T南京航空航天大學(xué)和澳大利亞新南威爾L大學(xué)合作.把直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應(yīng)用到正弦波永磁同步電機(jī)(PMSM)±ID1,初步實(shí)現(xiàn)了正弦波永磁同步電機(jī)的化接轉(zhuǎn)爐捋制方案，2002年本課題組把正弦波水磴同步電機(jī)的Bang-Bangfi接轉(zhuǎn)如控制中零欠量問題解決以后，該基本理論才得到初步完善.1W2年SVM-DTC技術(shù)首先用感應(yīng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)中，2001年SVM-DTC技術(shù)成功應(yīng)用到水磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中阿叫1998年ABB公司和芬蘭的拉彭蘭塔理匸大學(xué)合作研究把直接轉(zhuǎn)矩控制理論應(yīng)用到電勵(lì)磁同步電機(jī)E1-111,1國內(nèi)的研究也正在開展皿2002年本課題組建立T畀步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的克接轉(zhuǎn)爐控制理論，也稱瞬

12、時(shí)轉(zhuǎn)如控制卜1.2004年木課題組建立了基卜膚波岡的無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)直接轉(zhuǎn)矩控制理論,2005年國外開始相關(guān)研究便用直接轉(zhuǎn)審控制技術(shù)使用在無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)上妣,們是這樣的研究才剛剛開始，很多在便用無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)XI控制的問題需要解決,很多相關(guān)的理論需要進(jìn)-步的完善.直接轉(zhuǎn)矩技術(shù)的特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)兀«控制技術(shù)的控制思想和欠址控制技術(shù)仃著木質(zhì)的不同,矢量控制技術(shù)以轉(zhuǎn)f磁場定向.用欠欣變換的方法，來解耦交流電機(jī)的控制參敵，使其等效成直流電機(jī)的控制.實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的高性能控制.但是這缺點(diǎn)也是客觀存在的,由F欠量控制技術(shù)受系統(tǒng)參數(shù)的形響,在矢雖坐標(biāo)變換的復(fù)雜過程中,解耦

13、后實(shí)際控制效果達(dá)不到理論分析的效果.和欠雖控制技術(shù)相比血接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)厲接在定子坐標(biāo)系卜進(jìn)行分析，建立的數(shù)學(xué)電機(jī)模型更加簡瑕、氏觀，省去了煩瑣的坐標(biāo)變換與計(jì)算，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中更加簡潔，這點(diǎn)在實(shí)際工程中是冇著非常重要的實(shí)際意義的。同時(shí)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對電機(jī)參數(shù)的依賴更小，基于定f磁場定向，所以在實(shí)現(xiàn)過程中觀測的只是定子磁鏈，那么需耍的電機(jī)參數(shù)只是定子電阻,而欠址控制技術(shù)需要觀測轉(zhuǎn)子的電阻和電感來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向,所以相比較而言直接轉(zhuǎn)矩控制受電機(jī)參數(shù)的形響更小.直接轉(zhuǎn)見控制技術(shù)崑接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)控制思想便H接H矩的動(dòng)靜態(tài)性能都Yr不錯(cuò)的效果叫木文礙要說明的是，徳國和FI木兩位枚授提出的直

14、接轉(zhuǎn)矩控制方案在理論推導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)上還是何區(qū)別的,垠顯普的區(qū)別在于前者釆用的是六邊形的定F磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡.該方案通常又稱為直接I控制(DirectSelf-Control).該方案一般使用在大功率的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域.并且在大功率機(jī)車調(diào)速和提升機(jī)電氣傳動(dòng)領(lǐng)域有很好的成功應(yīng)用.后占采用的是惻形的定子磁鏈運(yùn)動(dòng)軌跡，一般稱為r接轉(zhuǎn)矩控制(DirectTorque-Control),該方案以審“I中小功率場含使用較紡前文提及的正弦波水磁同步電機(jī)f接轉(zhuǎn)矩控制方案就是使用的該方案。1.4無刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)的直接轉(zhuǎn)矩控制同正弦波永鐵同步電動(dòng)機(jī)相比,無刷直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制還是一個(gè)較新的課題川內(nèi)外的研究才剛

15、剛開始.可供參閱的文獻(xiàn)和資料均較少.同時(shí)，因?yàn)檗趟流電動(dòng)機(jī)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).使直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的買現(xiàn)存在很多困朋實(shí)現(xiàn)過程中一些問題盂要解決。文獻(xiàn)24通過兩個(gè)滯環(huán)比較器來選擇最優(yōu)空何電壓欠呈實(shí)現(xiàn)無刷強(qiáng)流電動(dòng)機(jī)的氏接轉(zhuǎn)地控制，同時(shí)推導(dǎo)了兩兩導(dǎo)通模式K逆變器導(dǎo)通模式欠就，因其采用兩兩導(dǎo)通方式，即毎個(gè)時(shí)刻只仃兩相導(dǎo)通.任何時(shí)刻存在關(guān)斷相，該關(guān)斷相對合成欠呈的影響，使定子碗鏈運(yùn)動(dòng)軌跡不能運(yùn)行于惻形狀態(tài)，在每個(gè)欠量扇區(qū)定子磁鏈呈周期性變化,最終的定子磁鏈軌跡是惻鋸齒形，在陽區(qū)交界處出現(xiàn)鋸齒狀.該方案實(shí)現(xiàn)了無刷直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制,但是定子磁鏈給定和正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)機(jī)控制方案相比,要復(fù)雜紂多，

16、增加了計(jì)篦的復(fù)雜度和控制的難度。在11接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)中定子磁鏈的給定是-個(gè)很重耍的步驟止眩波永磁同步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制給定的是一個(gè)常數(shù),而兩兩導(dǎo)通模式F無刷直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)因顧及關(guān)斷相反電勢對定子磁鏈的影響，使定子幽鏈給定變得困堆得箏，這是兩兩導(dǎo)通模式卜無刷直流電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)需耍而對和解決的問題，這個(gè)問題將彫響直接轉(zhuǎn)機(jī)控制技術(shù)在無刷直流電動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用前頭為了解決這個(gè)矛盾.木文采用/接n控制方案，使無刷宣流電動(dòng)機(jī)匸作在三三導(dǎo)通模式卜，避免關(guān)斷相存住對定子磴璉軌跡的影響，該方案卜堆子磁徒軌跡為六邊形，宦子破鏈給定為常數(shù)，這樣大大簡化了無刷直流電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的貝雜度。1.5通用數(shù)字控制平臺一個(gè)好的控制方法需要一個(gè)好的控制平臺去實(shí)現(xiàn)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，個(gè)復(fù)雜的控制只法也能在T程應(yīng)用I:很好的實(shí)現(xiàn)岡,直接轉(zhuǎn)爐控制技術(shù)的發(fā)展同高性能的DSP仃著密切的關(guān)系，堪本的口接轉(zhuǎn)矩控制方案是一種Bang-Bang控制，所以控制周期的長短成了直接轉(zhuǎn)矩控制效果