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摘 要

在现代高性能交流伺服系统中，永磁同步电机（PMSM）具有许多优点：重量轻、功率因数高、结构简单、且非常稳定可靠。直接转矩控制（DTC）是一种控制性能优良且控制结构较为简单的新型控制策略，一经出现，便被广泛应用于各处。这种控制策略不像矢量控制那样着眼于转矩和转子磁链的解耦以及复杂的旋转坐标变换，计算较简便。与此同时，直接转矩控制可以获得较大的瞬时转矩，而且动态响应非常迅速。因此，对永磁同步电机的控制方式的研究成为了热门方向。

本文的研究对象为PMSM，首先介绍其结构与特点，以及DTC的特点及研究方向。然后，分别研究并推导出不同坐标系下的数学模型，并在此基础上研究的基本原理。紧接着建立了传统DTC系统的Matlab/Simulink仿真模型。从仿真结果中，我们可以看出，DTC是一种控制性能优良的控制策略，美中不足的是，转矩和磁链的脉动程度较大。

在传统系统的基础上，为了应对磁链和转矩脉动大的问题，对其进行了改进研究，加入了滑模控制器，采用滑模控制，并建立了仿真模型，仿真结果表明系统的高频抖动得到有效抑制，在转矩响应方面仍然保持了传统DTC系统响应快速的优点同时对外界的干扰也有极强的鲁棒性，有效地改善了系统的动态及静态性能。

关键词：永磁同步电机 直接转矩控制 空间电压矢量 滑模控制 Matlab/Simulink仿真

Improvement of Direct Torque Control of Permanent Magnet Synchronous Motor

ABSTRACT

In modern high-performance AC servo systems, permanent magnet synchronous motors have many advantages: light weight, high power factor , uncomplicated structure, and very stable and reliable. Direct torque control （DTC） is a new control strategy with excellent control performance and relatively uncomplicated control structure. Once it appears, it is widely used everywhere. This control strategy neither emphasize the decoupling of torque and rotor flux linkage like vector control, nor does it require complex rotation coordinate transformation, so it saves calculation time. At the same time, DTC can obtain a large instantaneous torque, and the dynamic response is very rapid. Therefore, the research on the control method of has become a hot issue.

The research object of this paper is PMSM. Firstly, its structure and characteristicsas well as the characteristics and research directions of are introduced. Then, the mathematical models in different coordinate systems are studied and derived separately, and on this basis, the basic principles of DTC are studied. Then the simulation model of the traditional DTC system was established. From the simulation results, we can see that is a control strategy with excellent control performance, but the shortcoming is that the torque and flux linkage are more pulsating.
In order to cope with the problem of large flux linkage and torque ripple, the traditional system was improved, a sliding mode controller was added, and a simulation model was established. The simulation results show that the high frequency jitter of the system is effectively suppressedand the torque response In terms of aspects, the traditional system has the advantages of fast response, and it is also extremely robust to external interference, which effectively improves the dynamic and static performance of the system.

Key words: Permanent magnet synchronous motor，Direct torque control，Space voltage vector，Sliding mode control，Matlab / Simulink simulation

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 永磁同步电机直接转矩控制综述 4

1.2.1 永磁同步电机的特点 4

1.2.2 直接转矩控制的发展 4

1.2.3 直接转矩控制的特点 5

1.2.4 直接转矩控制的研究方向 5

1.3 论文主要内容及结构 7

第2章 永磁同步电机的数学模型 8

2.1 永磁同步电机的基本结构 8

2.2 永磁同步电机的数学模型 9

2.2.1 PMSM在三相定子坐标系（a-b-c）下的数学模型 9

2.2.2 PMSM在α-β坐标系下的数学模型 10

2.2.3 PMSM在d-q坐标系下的数学模型 12

2.3 本章小结 14

第3章 永磁同步电机直接转矩控制系统与仿真研究 15

3.1 直接转矩控制的基本原理 15

3.1.1 空间电压矢量 15

3.1.2 定子电压矢量与定子磁链矢量的关系 17

3.1.3 空间电压矢量对定子磁链和电磁转矩的控制 17

3.2 永磁同步电机直接转矩控制系统 19

3.2.1 传统DTC系统的结构 19

3.2.2 定子磁链与电磁转矩观测模型 19

3.2.3 滞环控制器与电压矢量选择开关表 20

3.3 永磁同步电机直接转矩控制系统的建模与仿真 21

3.3.1 系统模块搭建 21

3.3.2 系统仿真结果及分析 23

3.4 本章小结 26

第4章 基于滑模控制的永磁同步电机直接转矩控制改进研究 27

4.1 问题的提出 27

4.2 滑模变结构控制原理 27

4.2.1 滑模变结构控制的定义 27

4.2.2 滑模趋近律 29

4.3 基于滑模控制的直接转矩控制器设计 30

4.4 基于滑模变结构控制的直接转矩控制系统及其仿真分析 31

4.4.1 仿真建模 31

4.4.2 系统仿真结果及分析 32

4.5 本章小结 33

第5章 总结与展望 34

参考文献 35

致 谢 37

绪论

1.1 研究背景及意义

如今已经广泛用于工业和农业生产，运输和军事装备上的电机，自其被雅克比发明以来，便对人们的生产生活产生愈加深远的影响。电机通常定义为能够实现机电能量转换的设备。为了使机电能量转换的效率最高，并尽可能的节省成本，因此，找到一种有效且适当的电机控制策略迫在眉睫。所以，如何对电机进行控制，已经成为热点研究问题。

上世纪70年代时，直流调速为热门的电机控制策略，因为其控制较为方便。若要实现较大范围的平滑调速，则只需对励磁电流与输入电压进行调节即可。直流调速虽具有良好的控制性能，但也有一些缺陷。对于直流电机来说，成本较为昂贵，且设备体积重量较大。其次，因为直流电机中有换向器和电刷，所以电机在工作时经常会伴随着火花的产生，对电机设备的安全造成较大影响，严重时甚至会导致电机烧毁甚至爆炸。

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