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第五章 定子磁场定向矢量控制5.1 转子电流控制在双馈电机定子磁场定向的矢量控制策略中，通常将同步旋转坐标系的d 轴与双馈电机定子磁场相重合，逆时针旋转90度的方向作为q 轴方向，即在同步旋转dq 坐标系中定子磁链可表述为：⎩⎨⎧ψ=ψ=ψssd sq 0 （5-1） 其中，s ψ为定子磁链的幅值。
由此，在定子磁链定向的情况下，重写双馈电机在同步旋转坐标系中的定转子电压方程、磁链方程：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧++=+-=+-=+-=qr dr s qr r qr dr qr s dr r dr ds qs s qs ds ds s ds dt d i r u dt d i r u i r u dt d i r u ψψωψψωψωψ1 （5-2） ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-=ψ+-=ψ+-=+-=ψqr r qs m qr dr r ds m drqr m qs s dr m ds s s i L i L i L i L i L i L i L i L 0 （5-3） 求解后，得： qr s m qs i L L i =、()ms dr s m ds i i L L i -= （5-4）其中：ms ms L i ψ=，称为通用励磁电流 计算转子磁链如下： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=ψqr r s m qr dr r s m ms s m dr i L L L i L L L i L L 222 （5-5） 设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s m r s L L L L 2σ为漏磁系数，则5-5式又可表示为： ⎪⎩⎪⎨⎧=ψ+=ψqr r qr dr r ms s m dr i L i L i L L σσ2 （5-6） 利用式5-2计算转子电压如下：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=+-=qr r dr r ms s m s qr r qr dr r qr r s dr r dr i dt d L i L i L L i r u i dt d L i L i r u σσωσσω2 （5-7）式5-7便是采用电压源变流器对双馈电机转子电流控制的理论依据，式中ms sm s i L L 2ω为双馈电机反电势所引起的扰动项，dr r s i L σω与qr r s i L σω-为旋转电势所引起的交叉耦合扰动项，扰动项和耦合项给调节器的设计造成一定的困难。
一、实验目的1. 研究磁场定位的原理和方法。
2. 利用霍尔效应传感器测量磁场，验证磁场定位的准确性。
3. 探究不同磁场环境下磁场定位的误差，并分析误差产生的原因。
4. 通过实验验证磁场定位在实际应用中的可行性。
二、实验原理磁场定位是利用磁场对磁性物质的作用，实现对物体位置的精确测量。
霍尔效应传感器是磁场定位系统中常用的传感器，其工作原理是：当带电粒子在磁场中运动时，会受到洛伦兹力的作用，从而在垂直于电流和磁场方向的导体中产生电压，即霍尔电压。
通过测量霍尔电压，可以确定磁场的强度和方向。
三、实验仪器与材料1. 霍尔效应传感器2. 直流稳压电源3. 磁场发生器4. 数字多用表5. 钢制圆环6. 铁磁性材料7. 实验平台四、实验步骤1. 将霍尔效应传感器固定在实验平台上，并调整传感器与磁场发生器的相对位置，使其正对磁场发生器。
2. 打开直流稳压电源，调节输出电压，使霍尔效应传感器处于工作状态。
3. 逐步调整磁场发生器的位置，观察霍尔效应传感器输出的霍尔电压变化，记录磁场发生器与传感器之间的距离和霍尔电压值。
4. 在不同磁场环境下进行实验，如钢制圆环、铁磁性材料等，记录不同环境下的磁场强度和方向。
5. 分析实验数据，探究磁场定位的误差，并分析误差产生的原因。
6. 通过实验验证磁场定位在实际应用中的可行性。
五、实验结果与分析1. 实验结果表明，霍尔效应传感器可以有效地测量磁场强度和方向，实现磁场定位。
2. 实验数据表明，磁场定位的误差主要来自于霍尔效应传感器的精度、磁场发生器的均匀性以及实验环境的影响。
3. 通过分析实验数据，可以得出以下结论：- 霍尔效应传感器的精度越高，磁场定位的准确性越好。
- 磁场发生器的均匀性对磁场定位的准确性有重要影响。
- 实验环境中的干扰因素，如温度、湿度等，也会对磁场定位的准确性产生影响。
六、实验结论1. 磁场定位是一种有效的定位方法，具有精度高、稳定性好等优点。
2. 霍尔效应传感器可以作为一种实用的磁场定位传感器。
4.说明磁场定向控制技术的基本原理及实现方法磁场定向控制技术是一种应用于电磁学领域的技术，它通过控制磁场的方向和强度，实现对物体的定向控制。
该技术广泛应用于物理实验、材料制备、医学影像等领域。
本文将介绍磁场定向控制技术的基本原理及实现方法。
磁场定向控制技术的基本原理是基于磁场的相互作用特性。
在我们熟悉的物质中，存在着许多微观磁性粒子，如电子、原子。
当这些微观粒子在外加磁场的作用下，受到磁力的影响，会发生定向运动。
利用这种定向运动的特性，我们可以实现对物体的控制和定位。
为了实现磁场定向控制，我们需要准备磁体和磁场控制系统。
磁体是产生磁场的关键组件，可以是永磁体或电磁体。
通过调整磁体的位置、形状和材料等，可以改变磁场的强度和分布。
磁场控制系统包括控制电路和传感器等设备，用于对磁场进行测量和调整。
在实际应用中，我们可以采用多种方法实现磁场定向控制。
其中一种方法是利用电流控制磁场方向。
通过控制通电的线圈的电流方向和大小，可以改变线圈周围的磁场方向和强度。
另一种方法是利用磁铁控制磁场方向。
通过调整磁铁的位置和朝向，可以改变磁场的方向和分布。
除了直接控制磁场的方向，我们还可以通过调整磁场的强度来实现对物体的定向控制。
例如，在医学影像领域，我们可以通过调整磁场的强度，使得磁共振成像仪对特定组织或器官具有更好的探测效果。
磁场定向控制技术是一种基于磁场相互作用特性实现对物体定向控制的技术。
通过控制磁场的方向和强度，我们可以实现对物体的控制和定位。
在实际应用中，我们可以利用电流控制磁场方向，或者通过调整磁铁的位置和朝向来实现磁场定向控制。
这项技术在物理实验、材料制备、医学影像等领域具有重要的应用前景。
电机的磁场定向控制技术研究1. 引言电机是将电能转化为机械能的重要设备，在各个领域都有广泛的应用。
磁场定向控制技术是一种通过控制电机的磁场方向和大小来实现对电机性能的精确调节的方法。
本文将介绍电机的磁场定向控制技术的原理和应用。
2. 电机的磁场定向控制原理电机的磁场定向控制技术是基于磁场定向原理的。
磁场定向是指通过控制电机的磁场方向，使电机的输出转矩与给定转矩匹配的过程。
电机的磁场定向控制是通过改变电机的磁链定向来达到控制转矩和速度的目的。
电机的磁场定向控制基于两个关键技术：感应电动势矢量定向技术和电流矢量控制技术。
感应电动势矢量定向技术是通过测量电机的感应电动势，从而确定电机的转子位置和定子电流相位。
而电流矢量控制技术则是通过调节电机的相电流，来控制电机的磁场方向和大小。
3. 电机的磁场定向控制应用电机的磁场定向控制技术在工业自动化和交通运输等领域有着广泛的应用。
3.1 工业自动化在工业自动化领域，电机的磁场定向控制技术广泛应用于电动机驱动系统中。
传统的电机驱动系统需要通过传统的控制方法来控制电机的速度和力矩，而磁场定向控制技术可以实现对电机转矩和速度的高精度控制，从而提高了系统的动态性能、响应速度和稳定性。
3.2 交通运输在交通运输领域，电机的磁场定向控制技术被广泛应用于电动汽车和磁悬浮列车等交通工具中。
电动汽车采用电机的磁场定向控制技术可以实现对车速和驱动力的精确调节，从而提高了电动汽车的能效、续航里程和驾驶舒适性。
磁悬浮列车采用电机的磁场定向控制技术可以实现对列车的悬浮力和牵引力的精确控制，从而提高了列车的运行速度和安全性能。
4. 电机的磁场定向控制技术研究进展电机的磁场定向控制技术在近年来得到了广泛的研究和应用。
研究者们不断探索新的控制方法和算法，以提高电机的磁场定向控制性能。
4.1 磁场定向控制算法研究者们提出了多种磁场定向控制算法，如基于PID控制器的算法、模糊控制算法和神经网络控制算法等。
基于定子磁链定向的直接转矩控制基于定子磁链定向的直接转矩控制是一种电机控制技术，它通过对电机磁链的控制来实现对电机的转矩控制。
这种控制方法具有高效、精确和稳定等优点，因此在现代工业中被广泛应用。
定子磁链定向控制是指通过对电机的定子电流进行控制，使得电机的磁链方向与定子磁场方向一致。
这样可以使得电机的转子始终处于定子磁场的作用下，从而实现对电机的转矩控制。
在传统的电机控制方法中，通常采用PWM控制来控制电机的转速和转矩，但是这种方法会导致电机的效率低下，同时还会产生大量的电磁干扰。
直接转矩控制是一种新型的电机控制技术，它可以实现在不使用PWM控制的情况下，直接对电机的转矩进行控制。
这种方法通过对电机的电流进行控制来实现对电机的转矩控制，可以有效地降低电机的损耗和电磁干扰。
基于定子磁链定向的直接转矩控制是一种结合了以上两种控制方法的电机控制技术。
它通过对电机的定子电流进行控制，实现对电机的磁链定向控制，同时通过对电流的直接控制，实现对电机的转矩控制。
这种控制方法具有高效、精确和稳定等优点，因此在现代工业中被广泛应用。
基于定子磁链定向的直接转矩控制的实现需要使用一些特殊的控制器和算法。
其中最常用的是空间矢量调制控制（SVM）算法。
这种算法可以将三相电流转换为空间矢量，并通过对空间矢量进行控制，实现对电机的转矩和转速控制。
同时，还需要配合使用一些传感器和反馈控制技术，来实时监测电机的状态，并进行控制调节。
总的来说，基于定子磁链定向的直接转矩控制是一种高效、精确和稳定的电机控制技术。
它可以在不使用PWM控制的情况下，实现对电机的转矩和转速控制，从而提高电机的效率和精度。
随着科技的不断进步，这种控制技术将会得到进一步的发展和应用。
基金项目:国家科技支撑计划课题(2009BAG12A05-08定稿日期:2011-06-28作者简介:倪强(1987-,男,湖南益阳人,硕士研究生,研究方向为电力牵引交流传动及其控制技术。
1引言准确的磁场定向是实现高性能异步电机交流调速的前提。
间接转子磁场定向控制算法采用励磁电流PI 调节器的方法实现转子磁链控制,由于励磁电流为固定值,未构成闭环转子磁链,因此该算法的磁链动态品质较差[1],且对转子时间常数依赖大。
直接转子磁场定向控制算法,实现了转子磁链闭环控制,但由于存在磁链PI 调节器,磁链有一定延时,动态性能不高[2],且该算法仍受转子时间常数影响。
基于定子磁场定向控制的传统算法,加入了解耦器实现转矩与磁链完全解耦,但估计磁链容易出现偏差,动态调节时解耦器不能完全补偿q 轴电流影响不能完全解耦,动态磁链会出现波动,该算法还引入了定子电感参数[3],加大了对电机参数依赖。
此处探讨了一种基于d 轴电流直接求解的定子磁场定向控制算法,该算法具有磁链波动小、对电机参数依赖小的特点[4-5]。
最后通过计算机仿真和基于TMS320F2812小功率实验平台的实验研究,验证了此控制策略的有效性。
2原理与设计2.1定子磁场定向控制的数学模型定子磁场定向控制就是将参考坐标系的d 轴放在定子磁场方向上,q 轴超前定子磁链矢量90°,这时定子磁链只有d 轴分量Ψs d ,q 轴分量Ψs q =0。
因此,根据异步电机的数学模型可得:定子d ,q 轴电压方程为:u s d =R s i s d +p Ψs d ,u s q =R s i s q +ω1Ψs d (1式中:R s 为定子电阻;ω1为定子同步角速度。
转子电压方程为:R r i r d +p Ψr d -ωsl Ψr q =0,R r i r q +p Ψr q -ωsl Ψr d =0(2式中:R r 为转子电阻;ωsl 为转差角速度。
定子磁链方程为:Ψs d =L s i s d +L m i r d ,0=L s i s q +L m i r q(3式中:L s 为定子电感;L m 为互感。
利用一个ARM7处理器对无刷电机实施磁场定向控制电机驱动能效不论提高多少，都会节省大量的电能，这就是市场对先进的电机控制算法的兴趣日浓的部分原因。
三相无刷电机主要指是交流感应异步电机和永磁同步电机。
这些电机以能效高、可靠性高、维护成本低、产品成本低和静音工作而著称。
感应电机已在水泵或风扇等工业应用中得到广泛应用，并正在与永磁同步电机一起充斥家电、空调、汽车或伺服驱动器等市场。
推动三相无刷电机发展的主要原因有：电子元器件的价格降低，实现复杂的控制策略以克服本身较差的动态性能成为可能。
以异步电机为例。
简单的设计需要给定子施加三个120°相移的正弦波电压，这些绕组的排列方式能够产生一种旋转磁通量。
利用变压器效应，这个磁通量在转子笼内感应出一股电流，然后产生转子磁通量。
就是这两种磁通量相互作用产生电磁力矩，使电机旋转。
在转子上感应出电流的条件是，确保转子的转速与定子的磁通量频率不同；如果相同，转子只经历一个恒定的磁通量，不会有感应电流产生（楞次定律）。
通电频率和其产生的机械频率之间的微小差异是异步电机命名的原因。
一个三相交流电机实现转速可调操作的最简单方式是，实现一个所谓的电压/频率控制（或者叫做标量控制），其工作原理是在频率与电机通电电压之间保持恒比。
这种方法产生一个恒定的定子磁通量，然后在转子主轴上得到额定的电机力矩。
对于应用负载特性被大家了解的低成本驱动器，以及控制带宽要求不是很高的驱动器，如数量很少的HP泵和风扇、洗衣机等，这是一个很受欢迎的控制方法。
一个MIPS 不是很高并带有合理的外设接口的8位单片机如ST7MC，即可满足这种应用需求，同时编程也很简单。
这种方法无法在瞬间工作过程中保证最佳的电机特性（力矩、能效）。
而且为防止电机出现临时消磁现象，还必须限制驱动器反作用力的时间。
为了克服这些限制条件，考虑到电机的动态特性，市场上出现了其他的控制策略。
磁场定向控制（也称矢量控制）是应用最广泛的控制算法，目标应用包括带式传输机、大功率水泵、汽车废气排放、工厂自动化。
基于神经网络的矿用电机车定子磁场定向矢量控制系统的研究的开题报告一、研究背景和意义矿用电机车是煤矿、金矿等采矿现场的必备设备，其负责驱动采煤机、挖掘机等工业设备的运行。
电机车的工作环境极其恶劣，长时间的震动、潮湿和尘土等因素会对其整体性能和稳定性造成极大的影响。
因此，电机车的控制系统一直是该领域研究的重点之一。
定子磁场定向矢量控制技术是一种高端控制技术，可提高电机各种性能指标，如转矩平稳性、响应速度、效率等。
其原理是根据电机的转子位置，通过改变电机定子的磁场方向和大小，并使其与电机转子的磁场相互作用，从而达到控制电机运行的目的。
由于其高效性和响应速度快的优点，在工业生产中被广泛应用。
然而，传统的电机控制系统使用的PID算法等控制算法虽然具有良好的稳态性和鲁棒性，但在动态响应性和优化性能方面存在欠缺。
因此，近年来，研究人员开始将深度学习技术应用于电机控制系统中，取得了显著的研究成果。
在上述背景下，本文选择基于神经网络的矿用电机车定子磁场定向矢量控制系统作为研究对象，旨在探究其在电机控制系统中的应用和效果。
二、研究目的和内容本文的研究目的是设计一个基于神经网络的矿用电机车定子磁场定向矢量控制系统，旨在提高电机的响应速度、转矩平稳性和效率。
具体来说，本文的研究内容包括以下几方面：1. 研究定子磁场定向矢量控制技术和神经网络控制技术的基本原理和理论。
2. 基于现有的矿用电机车控制系统，设计基于神经网络的定子磁场定向矢量控制系统，并建立电机的动态数学模型。
3. 使用神经网络对电机进行训练，并对训练数据进行预处理和特征提取。
4. 针对训练结果，优化网络结构和参数，进一步提高电机的控制精度和性能。
5. 将该控制系统与现有的电机控制系统进行对比实验，比较其控制效果。
三、研究方法和实验方案本文的研究方法主要基于理论推导和仿真实验。
具体来说，本文将采用如下实验方案：1. 根据电机的动态数学模型和定子磁场定向矢量控制技术原理，构建仿真模型，并通过仿真实验验证模型的正确性和合理性。
双馈电机定子磁场定向矢量控制1 转子电流控制在定子磁场定向的矢量控制策略中，通常将同步旋转坐标系的d 轴与双馈电机定子磁场相重合，逆时针旋转90度的方向作为q 轴方向，即在同步旋转dq 坐标系中定子磁链可表述为：⎩⎨⎧ψ=ψ=ψssd sq 0（5-1） 其中，s ψ为定子磁链的幅值。
由此，在定子磁链定向的情况下，重写双馈电机在同步旋转坐标系中的定转子电压方程、磁链方程：⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧++=+-=+-=+-=qr dr s qr r qr drqr s dr r dr ds qs s qs ds ds s dsdt d i r u dt di r u i r u dtd i r u ψψωψψωψωψ1 （5-2） ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+-=ψ+-=ψ+-=+-=ψqr r qs m qr dr r ds m drqr m qs s dr m ds s s i L i L i L i L iL i L i L i L 0 （5-3） 求解后，得：qr s m qs i L L i =、()ms dr sm ds i i L Li -=（5-4）其中：m s ms L i ψ=，称为通用励磁电流计算转子磁链如下：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=ψ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=ψqr r s m qr dr r s mms s m dr i L L L i L L L i L L 222 （5-5）设⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=s mr s L L L L 2σ为漏磁系数，则5-5式又可表示为：⎪⎩⎪⎨⎧=ψ+=ψqr r qrdr r ms s mdr iL i L i L L σσ2 （5-6）利用式5-2计算转子电压如下：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=+-=qr r dr r ms s m s qr r qr dr r qr r s drr dr i dt d L i L i L L i r u i dt d L i L i r u σσωσσω2（5-7）式5-7便是采用电压源变流器对双馈电机转子电流控制的理论依据，式中ms sm s i L L 2ω为双馈电机反电势所引起的扰动项，dr r s i L σω与qr r s i L σω-为旋转电势所引起的交叉耦合扰动项，扰动项和耦合项给调节器的设计造成一定的困难。
异步电机定子磁场定向控制方法目前应用广泛的高动态性能的交流调速系统控制方法有矢量控制和直接转矩控制，这两种控制方法各有所长，但也存在着一些缺点。
矢量控制采用转子磁场定向的方法，实现定子电流的励磁分量与转矩分量的动态解耦，采用PI连续调节方式，实现转矩与转子磁场的控制。
但是其解耦性能取决于转子磁场的精确定向，由于转子磁链的观测或计算是在电机模型的基础上进行的，因而转子磁场的定向受到电机参数特别是易于变化的转子电阻的影响。
直接转矩控制是根据转矩及定子磁链的偏差，分别采用砰砰控制的方法，根据定子磁链所在的扇区，直接产生PWM驱动信号，系统结构简单，对转子参数不敏感，但砰砰控制决定了转矩脉动不可避免，虽然增加电压综合矢量个数可以降低转矩脉动，但不能消除，本报告中的定子磁场定向控制方法是在两种系统的基础上，取长补短的一种新方法。
异步电机定子磁场定向控制方法有两个特点：1、定子磁链用电压模型计算，采用连续的闭环控制，在补偿定子电阻压降的基础上直接控制定子磁链的变化率；2、转速控制采用与矢量控制相仿的三环结构，内环为定子电流转矩分量控制，实现了转矩电流的快速跟随，第二环是转矩闭环控制，用以抑制定子磁链对转矩的扰动，最外环为转速闭环。
这种控制方法克服了矢量控制对转子电阻的直接依赖性，同时采用连续的控制方法克服了砰砰控制带来的转矩脉动。
为了研究异步电机定子磁场定向控制方法，我们要建立异步电机按定子磁场定向的动态模型。
根据定子磁场定向的定义可知，在d-q坐标系中，规定d轴与定子磁链矢量ψ的方向重合，q轴与ψ的方向垂直。
因此，在d-q坐标系中，A相的电流、电压、磁链可以表示为：)sin cos (32)sin cos (32)sin cos (32s sq s sd A s sq s sd A s sq s sd A u u u i i i θψθψψθθθθ-=-=-= 将上式代入A 相电压方程：dtd i R u AA s A ψ+= 对于任意s θ都成立，因此可得d-q 坐标系中的定子电压方程：dtd dt d i R u dt d dt d i R u s sdsqsq s sq s sq sdsd s sd θψψθψψ++=-+= 同理可得d-q 坐标系中的转子电压方程：dt d dt d i R u dtd dt d i R u slrs rq rq r rq sl rq rd rd r rd θψψθψψ++=-+=综上可得同步旋转的d-q 坐标变换后的电压方程为：)()(r s rd rqrq r rq r s rq rdrd r rd ssd sqsq s sq s sq sdsd s sd dt d i R u dt d i R u dtd i R u dt d i R u ωωψψωωψψωψψωψψ-++=--+=++=-+=而磁链方程为：sqm rq r rq sd m rd r rd rq m sq s sq rd m sd s sd i L i L i L i L i L i L i L i L +=+=+=+=ψψψψ由上述磁链方程可得定转子磁链的关系：sq rmr s rq r m rsqm rq m sq s sq i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（1） 同理可得：sd r mr s rd r m r sdm rd m sd s sd i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（2） sd m s r m sd m r msds sd r sd m rd i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ··········（3） sq ms r m sq m r msqs sq r sq m rq i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ· (4)考虑鼠笼型异步电机0==rq rd u u ，则由转子电压方程可得：rd r rq r s rdi R dtd --=ψωωψ)( 又由第三个磁链方程可得：rsdm rd rd L i L i -=ψ代入上式转子电压方程可得：sd rmrrdrq r s r sdm rd r rq r s rd i T L T L i L R dt d +--=-⋅--=ψψωωψψωωψ)()( (5)同理，将第四个磁链方程代入第四个电压方程可得：sq rmrrqrq r s rsqm rq r rd r s rq i T L T L i L R dtd +---=-⋅---=ψψωωψψωωψ)()( (6)将磁链方程代入电压方程可得：)(0)(0r s rd sqm rq r rq r r s rq sd m rd r rd r ssd rqm sq s sq s sq s sq rd m sd ssd s sd dt di L dt di L i R dt diL dt di L i R dtdi L dt di L i R u dt diL dt di L i R u ωωψωωψωψωψ-+++=--++=+++=-++= (7)将（7）中第三个式子的dtdi rd代入（7）中第一个式子，并将代入式（5）和（1）可得：s sq sd m sd r m r rd r s rq r m sd s sd s sd dt di L i T L T L L dt di L i R u ωψψωωψ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--++=)(移项整理可得：ssdsq s sd r s m r r s rq r r s m rd r r s m sd L u i i L L L R L R L L L T L L L dt di σωσψωσψσ+++-+=222·······（8） 其中sr m L L L21-=σ为漏磁系数，r r r R L T =为电磁时间常数。
2010年11月电工技术学报Vol.25 No. 11 第25卷第11期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov. 2010基于死区补偿的磁通切换永磁电机定子磁场定向控制贾红云程明花为朱瑛赵文祥（东南大学电气工程学院伺服控制技术教育部工程研究中心南京 210096）摘要磁通切换永磁电机具有功率密度高、效率高、反电动势正弦的优点，在推导其数学模型的基础上，采用电压空间矢量调制方法，对该电机的定子磁场定向控制策略进行了分析与研究。
另外，由于空间矢量调制的死区效应严重影响电机输出电流的质量，进而影响到电机的转速与转矩输出特性，采用预测电流控制方法对死区进行补偿。
通过半实物仿真平台dSPACE实现了定子磁场定向控制算法，并在一台2kW磁通切换永磁电机驱动系统上验证了所提控制方法的有效性。
该控制算法对其他定子永磁型电机的控制系统设计具有一定的借鉴作用。
关键词：磁通切换永磁电机定子磁场定向死区补偿dSPACE中图分类号：TM351Stator-Flux-Oriented Control for Flux-Switching Permanent MagnetMotor Based on Dead-Time CompensationJia Hongyun Cheng Ming Hua Wei Zhu Ying Zhao Wenxiang（Engineering Research Center for Motion Control of MOESoutheast University Nanjing 210096 China）Abstract The flux-switching permanent magnet (FSPM) motor exhibits the advantages of higher power density, higher efficiency and essentially sinusoidal back-EMF. In this paper, based on modeling of the FSPM motor, a new stator-flux-orientation control strategy under voltage space vector modulation (SVM) is investigated and implemented in a prototyped 12-slot/10-pole FSPM motor drive.In addition, due to the considerable influence of the dead-time on the output currents and torque characteristics, a predictive-current-compensation strategy is adopted to improve the performance.Experimental results on a 2kW prototyped FSPM motor drive based on the real-time dSPACE control platform verify the effectiveness of the control system. The control algorithm can be applicable for the controller design of other stator permanent magnet motors.Keywords：Flux-switching, permanent magnet machine, stator-flux-orientation, dead-time compensation, dSPACE1引言随着汽车电子与航空航天装置对电机带载能力要求的提高，高功率密度电机越来越受到人们的青睐[1]。
异步电机定子磁场定向控制方法目前应用广泛的高动态性能的交流调速系统控制方法有矢量控制和直接转矩控制，这两种控制方法各有所长，但也存在着一些缺点。
矢量控制采用转子磁场定向的方法，实现定子电流的励磁分量与转矩分量的动态解耦，采用PI连续调节方式，实现转矩与转子磁场的控制。
但是其解耦性能取决于转子磁场的精确定向，由于转子磁链的观测或计算是在电机模型的基础上进行的，因而转子磁场的定向受到电机参数特别是易于变化的转子电阻的影响。
直接转矩控制是根据转矩及定子磁链的偏差，分别采用砰砰控制的方法，根据定子磁链所在的扇区，直接产生PWM驱动信号，系统结构简单，对转子参数不敏感，但砰砰控制决定了转矩脉动不可避免，虽然增加电压综合矢量个数可以降低转矩脉动，但不能消除，本报告中的定子磁场定向控制方法是在两种系统的基础上，取长补短的一种新方法。
异步电机定子磁场定向控制方法有两个特点：1、定子磁链用电压模型计算，采用连续的闭环控制，在补偿定子电阻压降的基础上直接控制定子磁链的变化率；2、转速控制采用与矢量控制相仿的三环结构，内环为定子电流转矩分量控制，实现了转矩电流的快速跟随，第二环是转矩闭环控制，用以抑制定子磁链对转矩的扰动，最外环为转速闭环。
这种控制方法克服了矢量控制对转子电阻的直接依赖性，同时采用连续的控制方法克服了砰砰控制带来的转矩脉动。
为了研究异步电机定子磁场定向控制方法，我们要建立异步电机按定子磁场定向的动态模型。
根据定子磁场定向的定义可知，在d-q坐标系中，规定d轴与定子磁链矢量ψ的方向重合，q轴与ψ的方向垂直。
因此，在d-q坐标系中，A相的电流、电压、磁链可以表示为：)sin cos (32)sin cos (32)sin cos (32s sq s sd A s sq s sd A s sq s sd A u u u i i i θψθψψθθθθ-=-=-= 将上式代入A 相电压方程：dtd i R u AA s A ψ+= 对于任意s θ都成立，因此可得d-q 坐标系中的定子电压方程：dtd dt d i R u dt d dt d i R u s sdsqsq s sq s sq sdsd s sd θψψθψψ++=-+= 同理可得d-q 坐标系中的转子电压方程：dt d dt d i R u dtd dt d i R u slrs rq rq r rq sl rq rd rd r rd θψψθψψ++=-+=综上可得同步旋转的d-q 坐标变换后的电压方程为：)()(r s rd rqrq r rq r s rq rdrd r rd ssd sqsq s sq s sq sdsd s sd dt d i R u dt d i R u dtd i R u dt d i R u ωωψψωωψψωψψωψψ-++=--+=++=-+=而磁链方程为：sqm rq r rq sd m rd r rd rq m sq s sq rd m sd s sd i L i L i L i L i L i L i L i L +=+=+=+=ψψψψ由上述磁链方程可得定转子磁链的关系：sq rmr s rq r m rsqm rq m sq s sq i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（1） 同理可得：sd r mr s rd r m r sdm rd m sd s sd i L L L L L L L i L L i L 2-+=-⋅+=ψψψ··········（2） sd m s r m sd m r msds sd r sd m rd i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ··········（3） sq ms r m sq m r msqs sq r sq m rq i L L L L L LL i L L i L -+=-⋅+=2ψψψ· (4)考虑鼠笼型异步电机0==rq rd u u ，则由转子电压方程可得：rd r rq r s rdi R dtd --=ψωωψ)( 又由第三个磁链方程可得：rsdm rd rd L i L i -=ψ代入上式转子电压方程可得：sd rmrrdrq r s r sdm rd r rq r s rd i T L T L i L R dt d +--=-⋅--=ψψωωψψωωψ)()( (5)同理，将第四个磁链方程代入第四个电压方程可得：sq rmrrqrq r s rsqm rq r rd r s rq i T L T L i L R dtd +---=-⋅---=ψψωωψψωωψ)()( (6)将磁链方程代入电压方程可得：)(0)(0r s rd sqm rq r rq r r s rq sd m rd r rd r ssd rqm sq s sq s sq s sq rd m sd ssd s sd dt di L dt di L i R dt diL dt di L i R dtdi L dt di L i R u dt diL dt di L i R u ωωψωωψωψωψ-+++=--++=+++=-++= (7)将（7）中第三个式子的dtdi rd代入（7）中第一个式子，并将代入式（5）和（1）可得：s sq sd m sd r m r rd r s rq r m sd s sd s sd dt di L i T L T L L dt di L i R u ωψψωωψ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡++--++=)(移项整理可得：ssdsq s sd r s m r r s rq r r s m rd r r s m sd L u i i L L L R L R L L L T L L L dt di σωσψωσψσ+++-+=222·······（8） 其中sr m L L L21-=σ为漏磁系数，r r r R L T =为电磁时间常数。
同理，将（7）中第四个式子的dtdi rq 代入（7）第二个式子，并代入（6）和（2）可得：s sd sq m sq r m r rq r s rq rmsq ssq s sq dt di L i T L T L L dtdi L i R u ωψψωωψ-⎥⎦⎤⎢⎣⎡++---++=)(移项整理可得：ssq sd s sq r s mr r s rd r r s m rq r r s m sqL u i i L L L R L R L L L T L L L dt di σωσψωσψσ+-+--=222········（9） 考虑到按定子磁场定向控制方法中0=sq ψ，再将（3）（4）代入（8）可得：ssdsq r s sd r s s r r s sd r s s sdsq r s sd r s s r r s sq s sd r s s sdsqs sd r s m r r s sq m r s m sq m r r r s m sd m r s m sd m r rr s m sd L u i i L L L R L R T L L u i i L L L R L R L T L L u i i L L L R L R i L L L L L L L L L i L L L L L L T L L L dt di σωωσψσσωωσψσψσσωσψωσψσ+-++-=+-++-+=+++-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=)(1)(1122222 (10)再将（3）（4）代入（9）可得：()()ssq sd r s sq r s r s s r sd r s ssq sd r s sq r s r s s r sd r s sq r s s sq sds sq r s mr r s sq m r s m sd m r r r s m sd m r s m sq m r rr s msqL u i i L L L R L R L L u i i L L L R L R L T L L u i i L L L R L R i L L L L L L L L L i L L L L L L T L L L dt di σωωσψωσσωωσψωσψσσωσψωσψσ+--+--=+--+--=+-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=11122222 (11)接下来推导异步电机的运动方程，首先是电磁转矩，因为按定子磁场定向控制方法中0=sq ψ，可得电磁转矩方程：[]()()[]()sq sd p sd sq sq sd p sq sd sq sd p s s p e i n i i n ji i j n i n T ψψψψψψ3232Im 32Im 32=-=+-=⊗=················（12） 因此，异步电机按定子磁场定向控制的运动方程为：L sd sq p L e p T i n T T dt d n J -=-=ψω32················（13） 易得异步电机按定子磁场定向控制的电压方程：sd sd s sdu i R dt d +-=ψ·····················（14） 综上所述，由式（10）（11）（13）（14）可得异步电机按定子磁场定向控制的数学模型：()Lsd sq p L e p ssq sd r s sq r s r s s r sd r s sqssd sq r s sd r s s r r s sd r s sd sdsd s sdT i n T T dt d n J L u i i L L L R L R L dt di L u i i L L L R L R T L dt di u i R dt d -=-=+--+--=+-++-=+-=ψωσωωσψωσσωωσψσψ321)(1 (15)将式（15）的第二个式子的sd i 拆开后得：()()sd rs sd s sd sq r s s sd r sd s sds sd sq r s s sd r sd r s r r s i T L dt di L u i L T i R dt di L u i L T i L L R L R --+-+=∴-+-+=+σωωσψσωωσψ11将上式代入（15）的第一个式子得：()sd rs sd s sq r s s sd r sd i T L dt di L i L T dt d ++---=σωωσψψ1··········（16） 稳态时，式（16）变为：()sq r s s r sd s sd i L T i L ωωσψ--=· (17)由式（16）和式（17）可以看出异步电机按定子磁场定向控制方法的数学模型中，定子磁链并不是只由sd i 单独产生，还包含有sq i 的成分。
