摘 要

本文完成了永磁同步电动机直接转矩控制系统的设计。由于永磁同步电动机高效率、硬度强、体积小、低惯性等特点，使得其在工业应用领域内拥有重要的地位。近年来，电动汽车产业的蓬勃发展更是凸显永磁同步电动机高效控制的重要意义。因此，本文在研究和查阅大量的文献后详细地分析了直接转矩控制技术的原理，并完成了传统直接转矩控制系统的仿真。

传统的直接转矩控制技术采用了滞环比较器。这种控制器虽然响应快但是却不可避免地会伴有较大的磁链和转矩脉动。为了解决前述问题，本文引入了基于Super-twisting滑模控制的直接转矩控制技术。将Super-twisting滑模控制器取代传统直接转矩控制技术采用的滞环比较器，同时推导了不同参数取值的另一种二阶滑模控制器与Super-twisting滑模控制器进行比较。仿真结果显示了采用Super-twisting滑模控制器的直接转矩控制系统具有很好的鲁棒性并且能够有效地避免磁链和转矩脉动，这验证了方案的正确性和有效性。

本文在理论上探讨了采用Super-twisting滑模控制器的直接转矩控制技术，以及其设计和应用的一些细节，并且展现了具有参考意义的三种不同控制器方案比较的结果。

关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制技术；Super-twisting滑模控制器

Abstract

This thesis investigates the design of permanent magnet synchronous motor(PMSM) direct torque control system(DTC). Due to its high-efficiency, high-hardness, small volume and low inertia, PMSM plays an significant role in the industrial utilization. In recent years, the prosperous development of Electric Vehicles(EV) has presented the striking meaning of PMSM control schemes. Therefore, after deliberately researching and reading relative materials, this thesis analyzes the principles of DTC and finishes the simulation of PMSM DTC system.

The conventional Bang-Bang-controller-based DTC technique has quick dynamic response, however, the use of Bang-Bang controller will inevitablely bring in large stator flux and torque ripple. This thesis introduces DTC based on Super-twisting controller(STSM) as a solution to the large-ripple problems. The proposed new scheme adopts Super-twisting controller rather than Bang-Bang controller, meanwhile, another second-order sliding mode control(SMC) is developed and compared with Super-twisting controller. The experimental results show that the proposed Super-twisting-controller-based DTC scheme displays very robust behavior and can effectively avoid stator flux and torque ripple, confirming the accuracy and effectiveness of the proposed scheme.

This thesis presents theoretical aspects of the STSM direct torque control, several design and implementation details, and comparative experimental results with all three schemes.

Key Words: PMSM; Direct torque control; Super-twisting cnotroller

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 I

第1章 绪论 1

1.1交流调速系统 1

1.2 直接转矩控制技术的发展 1

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章 直接转矩控制系统的建模 4

2.1 直接转矩控制技术的基本原理 4

2.2 坐标变换 9

2.3 永磁同步电机的数学模型 10

2.4 滑模控制的原理 12

第3章 永磁同步电机直接转矩控制系统的硬件设计 14

3.1 硬件设计总体方案 14

3.2 硬件系统主电路 14

3.3 PWM驱动电路 15

3.4 A/D采样调理电路 16

第4章 永磁同步电机直接转矩控制系统的软件设计 17

4.1 软件设计总体方案 17

4.2 传统DTC的仿真模型 17

4.3 基于滑模控制DTC的仿真模型 20

4.4 系统仿真结果及分析 22

4.4.1 动态响应和脉动分析 23

4.4.2 抗干扰能力分析 26

第5章 全文总结与展望 28

5.1 全文总结 28

5.2 展望 29

参考文献 30

附录A 32

附录B 33

附录C 34

致谢 37

第1章 绪论

近些年，永磁同步电动机的应用得到了不断的发展。其应用领域覆盖了电力、天然气、石油、交通运输、军事等方面。在大部分工业应用中，与直流电机和感应电机相比，永磁同步电动机的高效率、硬度强、体积小、低惯性等特点更加优越。新型永磁铁的发现更是进一步推进了永磁同步电动机在世界工业领域内的发展。这种永磁材料具有高能量以及不易失磁的特点，这就使得新一代永磁同步电动机的体积比传统的电机更加小。

因此，针对于永磁同步电动机的优秀控制策略^[1]也应予以重视。就目前的永磁同步电动机控制技术来看，主要是磁场定向控制和直接转矩控制两大手段。相较磁场定向控制，直接转矩控制系统结构更加简单。研究和分析直接转矩控制技术以提高永磁同步电动机的调速性能，这在工业、电力以及日常生活中都具有重要的意义。本文将着重分析永磁同步电动机的直接转矩控制系统并仿真验证其控制方案。

1.1交流调速系统

按照基于稳态模型或动态模型的控制方法，交流调速系统^[2]可分为两类。基于稳态模型的方法包含恒压频比控制和闭环转差频率控制。恒压频比是一种开环控制系统，具有结构简单，工作可靠的特点，但是调速性能和控制精度并不能满足要求较高的调速场合。闭环转差频率控制又可以细分为转差功率消耗型，不变型，馈送型三种类别。另外，由于同步电机没有转差，所以其只有变压变频控制。根据频率控制方式的不同，同步电机包含了他控变频调速和自控变频调速两类。

总体上来看，基于稳态模型的控制方法虽然结构简单，但调速性能并不好。随着客观需要和研究的发展，基于动态模型的高性能调速方法相继提出。分别是磁场定向控制（Field Orientation Control, FOC）以及直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）。这两种调速方法，结构和原理相似，但由于控制对象的不同使得调速性能也不一样，表1.1对两种进行比较。本文将着重分析和研究后者。

1.2 直接转矩控制技术的发展

自日本学者Takahashi和Noguchi^[3]以及德国学者Depenbrock^[4]相继提出直接转矩控制。由于其简单的结构，良好的瞬态响应以及对转子参数变化的抗干扰性，这项技术逐渐成为了交流调速领域内的一种重要的控制手段。传统的基于开关表形成的直接转矩控制技术通