摘 要

进入二十一世纪以来，技术的进步给很多领域带来了跨越式发展，特别是在电气领域，由于伴随着材料科学的发展，新型的开关器件的产生给电力电子传动的发展带来了新的生命力。其中对工业各领域发展起到了极为重要作用的电机调速也迎来了高速发展的契机。在目前环保理念深入人心的今天，追求资源高效利用这一基本原则反映在电力电子领域就是各种新型电机调速系统的应用，其中需要特别指出的就是在工业应用以及新能源汽车领域应中最为广泛的永磁同步电机，在各种新型调速理论的作用下发挥着越来越重要的作用，因此对永磁同步电机的研究有着很强的实际意义。

永磁同步电机传统直接转矩控制稳态时有明显的磁链、转矩和电流脉动，而且开关频率不恒定，本文就这些问题设计改进了一种基于参考空间电压矢量调制的直接转矩控制，用 PI 调节器模块代替了传统直接转矩控制中的滞环控制器，用空间电压矢量调制模块代替了传统直接转矩控制中的开关表，根据磁链和转矩偏差准确选择有效电压矢量及其作用时间，最终实现永磁同步电机的平滑调速。首先对永磁同步电机的调速系统的发展背景以及国内外的发展现状进行了阐述。紧接着根据永磁同步电机的基本结构以及其基本原理对建立了永磁同步电机的数学等效模型。并对传统永磁同步电机直接转矩控制方法产生转矩脉动的原因进行了具体的分析，并在此基础上结合课题的要求对空间矢量调制（SVPWM）的基本原理进行了分析。紧接着本文基于永磁同步电机调速常用的主电路即两电平逆变器，采用了以SVPWM调制方法为主要调制方法的永磁同步电机控制系统对永磁同步电机转矩闭环，磁链闭环进行研究。最后对其进行MATLAB/SIMULINK仿真设计，利用MATLAB2016b建立了控制系统的仿真模型，对基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制系统仿真模型的建立过程以及参数如何进行配置进行了详细的说明。最后在多次调试取得最佳参数的基础之上对仿真结果进行细致的分析，对模型的正确性进行了进一步的验证。最终根据不同速度和转矩给定状态下的控制系统所呈现出来的电压、电流、速度等动态波形分析，证明了基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制系统的良好特性，进一步拓展了其在实际应用中的重要意义。

关键词：两电平；永磁同步电机；直接转矩控制；空间矢量

Abstract

Since the beginning of the 21st century, technological advances have brought leaps and bounds in many fields, especially in the electrical field. With the development of materials science, the emergence of new switching devices has brought new developments in power electronic transmission. Vitality. Among them, the motor speed control, which plays an extremely important role in the development of various fields of industry, also ushered in the opportunity of rapid development. Today, the current environmental protection concept is deeply rooted in people's minds. The basic principle of pursuing efficient use of resources is reflected in the field of power electronics, which is the application of various new motor speed control systems. Among them, it is necessary to point out the most in industrial applications and new energy vehicles. A wide range of permanent magnet synchronous motors play an increasingly important role under the influence of various new speed regulation theories. Therefore, the research on permanent magnet synchronous motors has a strong practical significance.

Conventional direct torque control of permanent magnet synchronous motor has obvious flux linkage, torque and current ripple, and the switching frequency is not constant. In this paper, a direct torque control based on reference space voltage vector modulation is designed. The PI regulator module replaces the hysteresis controller in the traditional direct torque control, and the space voltage vector modulation module replaces the switch table in the traditional direct torque control, and the effective voltage vector is accurately selected according to the flux linkage and the torque deviation. And its action time, finally achieve the smooth speed regulation of permanent magnet synchronous motor. Firstly, the development background of the permanent magnet synchronous motor speed control system and the development status at home and abroad are expounded. Then, based on the basic structure of the permanent magnet synchronous motor and its basic principle, the mathematical equivalent model of the permanent magnet synchronous motor is established. The causes of torque ripple caused by the traditional permanent magnet synchronous motor direct torque control method are analyzed. Based on the requirements of this paper, the basic principle of space vector modulation (SVPWM) is analyzed. Then, based on the main circuit of permanent magnet synchronous motor speed control, that is, the two-level inverter, the permanent magnet synchronous motor control system with SVPWM modulation method as the main modulation method is applied to the permanent magnet synchronous motor torque closed loop and flux linkage. Closed loop study. Finally, the MATLAB/SIMULINK simulation design is carried out, and the simulation model of the control system is established by using MATLAB2016b. The establishment process of the simulation model of the permanent magnet synchronous motor direct torque control system based on space vector modulation and how the parameters are configured are explained in detail. . Finally, based on the multiple parameters obtained by multiple debugging, the simulation results are analyzed in detail, and the correctness of the model is further verified. Finally, according to the dynamic waveform analysis of voltage, current and speed presented by the control system under different speed and torque given states, the good characteristics of the permanent magnet synchronous motor direct torque control system based on space vector modulation are proved. Its significance in practical applications..

Key words：Two-level; permanent magnet synchronous motor; direct torque control; space vector

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外的研究现状及发展动态 2

1.3 本文的主要研究内容 3

第2章 永磁同步电机的动态数学模型 5

2.1 坐标变换 5

2.2 坐标系下的永磁同步电机数学模型 6

2.3 本章小结 7

第3章 永磁同步电机SVM-DTC控制系统 8

3.1 SVPWM调制基本原理 8

3.3 SVM-DTC控制原理 13

3.4本章小结 17

第4章永磁同步电机SVM-DTC控制系统仿真设计 18

4.1 MATLAB软件介绍 18

4.2 控制系统电路仿真设计 19

4.3系统仿真分析 22

4.4系统存在的问题 27

4.5 本章小结 27

第5章 总结与展望 28

参考文献 29

致 谢 31

绪论

课题研究背景和意义

电动机作为一种可以将电能转化为机械能的装置，在工业应用的各个领域都发挥着重要的作用。数据显示，在我国电能消耗的份额中，电动机消耗的占比达到了50%以上。作为世界上最大的发展中国家，中国改革开放40年以来的成果有目共睹，但是经济迅猛的同时带来了环境问题的恶化，如何提高工业生产过程中能源的利用效率是摆在各个管理部门面前的一个重要的问题。在电机设计以及控制领域，如何设计出高效的电动机或是利用高效的控制策略提高当前电机对电能的利用效率成为了目前电机控制领域的热门课题。

永磁同步电动机（Permanent magnet synchronous motor，简称 PMSM）由于其高效节能的天然特性，成为了电动机节能的一个重要途径和载体。不同于传统的电励磁同步电机的较为复杂的结构设计，永磁同步电动机PMSM从结构上来讲机械构造简单可靠，在民用的应用领域特别是电动汽车的应用上，其磁性能远远超过铁氧体，加之近些年来用于运动控制领域的功率型电力电子器件的更新换代和微处理器的发展，永磁同步电机得到了急速的发展。随着我国产业结构的改变，特别是现在中国制造2025的提出，预示着以往粗放型的发展模式需要进一步的转变，我国需要从制造业大国向制造业强国转变。这种转变映射到工业生产领域，急需进行升级改造的当属在工业中大规模应用的电动机。永磁同步电动机PMSM从其出现的那一刻就在工业生产中体现着其蓬勃的生命力，特别在电气领域的发展历史上，发挥着重要作用。但是有一点需要我们注意的是，在当今发展环境下，我们急需新的控制方法来替代传统的永磁电机调速方式，使其可以提高电能利用效率，为我们的生产生活继续服务。

时间到了20世纪60年代到20世纪70年代末期，随着材料技术的高速发展，应用于电力电子传动技术领域的电力电子器件得到了飞速发展，各种电力电子器件如晶闸管，IGBT,IEGT等不断涌现，给基于高性能电力电子器件的电力变换器的出现带来了新的发展方向。同样，另外一方面，数字技术的爆炸式发展也带来更多可以利用的资源，这其中最具有代表性的就是以单片机为代表的微控制芯片的出现。科学家以及工程师们将两者有机的结合在一起并应用在电机调速中。并根据不断改良的永磁同步电动机PMSM的控制理论，因此，对永磁同步电动机PMSM调速的理论研究不断涌现出来，并取得了不少的实际效果。

在了解永磁同步电动机的调速背景之后，通过查阅大量文献，本文首先对永磁同步电动机调速系统的发展背景以及国内外的发展现状进行了阐述。并根据永磁同步电动机的基本结构以及其基本原理对建立了等效模型。并对永磁同步电动机的转矩产生的原因以及其机械特性进行了具体的分析，针对传统永磁同步电机直接转矩控制稳态时有明显的磁链、转矩和电流脉动，而且开关频率不恒定的问题，本文设计改进了一种基于参考空间电压矢量调制的直接转矩控制，用 PI 调节器模块代替了传统直接转矩控制中的滞环控制器，用空间电压矢量调制模块代替了传统直接转矩控制中的开关表，根据磁链和转矩偏差准确选择有效电压矢量及其作用时间，最终实现永磁同步电机的平滑调速。对永磁同步电机转矩闭环，磁链闭环进行研究。最终建立了控制系统的仿真模型，通过一系列实验验证了调速系统的优良性能。

国内外的研究现状及发展动态

在对永磁同步电动机直接转矩控制系统研究上，外国学者主要是将一些目前出现的一些先进控制理论移植并应用到了永磁同步电机的控制系统的研究中，如模糊控制、神经网络、自适应控制、滑模变结构控制等应用到了永磁同步电机的直接转矩控制系统中。但是总的来说，无论采用什么样的控制策略，其最终目标也是提高输出参量如输出的稳态转矩，调速性能等。

目前，欧美以及日本一些发达国家的著名的公司，如日本的 FANUC、安川、富士通，德国的西门子等公司的产品在系统可靠性、调速稳定性、智能控制等方面都已达到了很高的技术水平，占据了永磁同步电机控制的技术高点上。但是由于其本身的固有缺点，永磁同步电机直接转矩控制技术未能如研究人员所愿在工业控制中得到了大规模的应用，特别是与永磁同步电机矢量控制相比，市场占有率很小，多用在一些对控制精度要求不高的场合。

一旦说起技术的发展，我们总是逃不过这样几个字：起步晚，发展缓慢。同样的，在电机控制系统的发展上，我国有先天的不足之处。究其原因是我们起步比较晚，前期投入不足，但是在改革开放以来，随着经济不断发展，对电机调速系统的研究呈现出越来越好的态势。

但是，我们需要擦亮眼睛的是目前高性能的电机传动技术仍为西方国家所垄断，西方国家还是作为主要技术指标的指定者，我们必须正视这个问题并不断追赶。像美国，日本等这样传统的电气工业强国，正通过新技术的研究，将传统的调速装置引入新的功能，在工业应用中是使其自动化程度，智能化程度越来愈高，并取得了一定的效果。当然，追赶并超越需要付出更大的努力，随着我国在芯片制造短板上的不断发力，电力电子技术也会随着不断发展，相信不久以后，技术上我们将不会再受制于人，并能不断推陈出新，取得更好的效果。

对永磁同步电机控制先进技术研究的国内研究机构主要还是大学和科研院所，其中南京航空航天大学、西北工业大学和大连海事大学等研究成果较为突出。这里南航胡育文教授等人在永磁同步电动机直接转矩控制系统的研究取得较为突出的科研成果。在永磁同步电动机控制系统的发展上，我国有先天的不足之处。究其原因是我们起步比较晚，前期投入不足，但是在改革开放以来，随着经济不断发展，对电机调速系统要求的不断提升，也催生了一大批企业进行调速系统的研究，这其中成绩最为亮眼的当属一些国产变频器企业如苏州汇川，英威腾等，它们在很多工业应用场合不断攻城掠地，开始打如ABB,阿尔斯通，GE，西门子等国外传统电气领域的国际企业的垄断，并在国家相关政策的扶持以及引导之下，呈现出越来越好的态势。国内对于直接转矩控制理论的研究多将现代控制理论与其结合，改善系统的运行性能，取得了极大的进步和良好的效果。

本文的主要研究内容

本文选择以两电平逆变器为永磁同步电动机调速控制系统的主电路，对基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制系统进行了如下的研究：

（1）首先，首先对永磁同步电动机的调速系统的发展背景以及国内外的发展现状进行了阐述。第二章对永磁同步电动机的基本结构以及根据其基本原理建立的永磁同步电动机的数学等效模型的过程进行了分析。

（2）第三章结合课题的要求对永磁同步电动机调速的基本原理进行了分析。对基于永磁同步电动机调速常用的主电路即两电平逆变器，采用了SVPWM调制方法，并对矢量控制系统的转矩闭环，磁链闭环进行研究，建立了仿真模型。

（3）第四章对基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制仿真模型的建立过程以及参数如何进行配置进行了详细的说明。最后在多次调试取得最佳参数的基础之上对仿真结果进行细致的分析，对模型的正确性进行了进一步的验证，根据仿真模型最终体现出来的波形证明了控制系统的良好特性。

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