本文是一篇电力论文，笔者以TMS320F28335为系统主控芯片，搭建了PMFSM整体调速系统实验平台，包括硬件部分的各组成电路和相应软件程序的设计。
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
随着科技的进步和经济的发展，人们生活的各方面都离不开能源的支撑。而作为电能转换装置的电机也越来越多地应用于生活生产中。多种多样的应用场合，既促进了社会和科技的进步，也对电机本体结构及其控制策略的优化有了更高的要求。例如纯电动汽车、增程式电动汽车以及燃料电池电动汽车等，对于电机的效率、调速范围、体积大小等方面都有更高的要求。
得益于永磁体材料的发展，永磁电机凭借其高效可靠和体积重量等方面的优势得到了广泛应用[1], [2]。以永磁体作为励磁，不仅省去了励磁线圈，电机本体结构得以简化，而且提高了电能的利用率。目前广泛应用的永磁电机一般是永磁体位于转子上的转子永磁型电机，此种电机需要考虑到永磁体在离心力作用下的固定问题以及高温或冲击电流作用下的不可逆退磁问题。这些问题的存在限制了永磁电机的进一步发展和应用。
针对转子永磁型存在的问题，定子永磁型电机抛弃过往的结构转而将永磁体安置于定子上。美国学者Rauch和Johnson最早开始研究，但受限于永磁材料，电机性能没有极大提高，因此没有得到太多关注。而随着技术发展更替，1997年永磁开关磁链电机(Permanent Magnet Flux-Switching Machines，PMFSM)的概念首次由学者E.Hoang提出[3]。PMFSM将永磁体和集中绕组均设计安置在定子结构上，而转子仅由硅钢片构成，结构简单可靠，有利于高速运行。永磁磁场与电枢磁场并联，退磁概率得以降低[4]；而永磁体位于定子的结构也有利于电机工作期间的散热；电机运行时存在的聚磁效应也使得电机有着更好地输出转矩。电机内部为双凸极结构，与开关磁阻电机相同，但PMFSM既解决了开关磁阻电机的转矩脉动问题，也解决了永磁电机的转子结构复杂以及散热的问题，且同时具备了开关磁阻电机与永磁同步电机的优点。PMFSM有着良好的正弦型反电势、电感和磁链波形，是以可以应用于无刷交流调速场合[5], [6]。所以相对成熟的矢量控制技术和直接转矩控制方法均适用于PMFSM。矢量控制方法需要有传感器来确定转子位置和速度，直接转矩方法也需要确定速度信息。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 永磁开关磁链电机研究现状
在对电机体积重量以及效率等方面的要求越来越高的当下，永磁电机得到了越来越多的应用。但是安装在转子上的永磁体也导致了一些问题。为了克服电机高速运行时永磁体因惯性而出现的离心现象，需要采取固定措施，如采用圆形套筒状结构。并且永磁体安装在转子上，散热不能得到很好的解决，因此出现不可逆退磁甚至失磁的风险极大地增加。因此定子永磁型电机应运而生。
定子永磁型电机最早于1950年提出，抛弃了过往的转子结构，而将永磁体设计于定子结构上。但受限于永磁材料的原因，并未得到足够的重视。随着材料技术的进步，定子永磁型电机重新回到人们的视线里[8]。PMFSM是在定子单元两侧安置永磁体，两者充磁方向相反，电枢绕组也设置在定子部[9]。相比于双凸极永磁电机和磁通反向型永磁电机，PMFSM有着更好的正弦型磁链波形和反电势，更有利于弱磁扩速，凭借更好的电磁性能得到了许多学者的关注与研究[10]。
文献[3]提出了12/10极结构的PMFSM，由12个位于定子上的永磁体提供励磁，文献论述了电机的工作原理并对电机进行了仿真，获得并分析了电机的磁链、反电势和转矩波形。文献[11]通过结合十字网格法与磁路法建立等效模型，兼顾了建模精度与建模效率。文献[12]将电动汽车用内置式PMSM与PMFSM进行性能对比，结果表明PMFSM的反电势正弦度更高，高速运行机械性能更好。文献[13][14]分别提出了V型E型结构，得到了更好的PMFSM电机性能。文献[15]介绍了PMFSM的结构、基本原理，解释了PMFSM有较高正弦度的原因并重点阐述了提高PMFSM转矩密度的方法。文献[16]在12/10极结构的电机基础上分析比较了控制方法的应用效果，为驱动领域深入研究与应用打下一定基础。文献[17]采用永磁体混合分段的结构有效降低了电机的转矩脉动和齿槽转矩。文献[18]引入线性自抗扰控制器提高了PMFSM控制系统的启动特性和鲁棒性。
第2章 永磁开关磁链电机的基本原理及电磁性能
2.1 PMFSM的工作原理
图2-1为PMFSM的整体结构示意图，转子结构简单，仅由硅钢片叠压组成；而定子部分由定子铁芯、绕组以及永磁体组成，其中定子铁芯共有12个U形单元，每两个铁芯单元之间有一个永磁体，且每两个永磁体间是极性相反，每相隔九十度的永磁体在同一相下，是以共计12块永磁体，如此铁芯单元和永磁体彼此紧凑排布，而绕组同样为相差九十度的为同相，如此共同组成了电机的定子部分。
这样的电机结构使得电机的冷却更为容易，进而能够使得电机有更大的电枢电流密度，并且转子的简单结构也避免了转子永磁型电机高速运行时需要固定永磁体的问题，并且能够降低电机的造价。
为了能够更直观的理解永磁开关磁链电机的电机结构和运行原理，将定转子结构进行局部放大说明，如图2-2，定子结构单元和永磁体以及在安装在定子齿槽的定子绕组位置关系如图，当转子向图中右方转动，转子的一个凸极位置位于图中A处，对于磁通的流通最为有利，此时的磁阻最小，磁链此时将达到最大值；当转子在B点位置，转子的凸极结构刚好与永磁体相对，磁通通过永磁体两侧的定子铁心构成回路，此时的磁阻最大，磁链为零；当转子凸极结构位于C处，与A处类似，但如图所示磁链为反向最大值。随着电机的不断旋转运动，根据磁阻最小原理，永磁体的磁通流向是不断正负变化的，这样的变化是周期性，感应反电势由此产生。
2.3 PMFSM的电磁性能研究
2.3.1 PMFSM模型的建立
本文采用的PMFSM的设计参数如表2-1所示，主要有电机的定子、转子、气隙、永磁体等参数设定值。
第3章 基于滑模控制器的直接转矩控制分析 ....................... 15
3.1 传统直接转矩控制 .................................. 15
3.1.1 直接转矩控制原理 ............................ 15
3.1.2 磁链和转矩估算 ........................... 16
第4章 永磁开关磁链电机全速域转子位置间接检测 ...................... 28
4.1 基于高频脉振注入的无传感器位置检测 ............................ 28
4.1.1 高频脉振电压注入法 ................................. 28
4.1.2 基于锁相环的位置辨识 ........................... 30
第5章 控制系统仿真分析 ............................ 40
5.1 系统控制方案 .................................... 40
5.2 系统仿真模型搭建 ...................................... 41
第6章 系统平台搭建及实验研究
6.1 系统硬件设计
6.1.1 系统整体设计架构
控制系统整体框架如图6-1所示，系统主要包括以DSP28335为核心的控制电路，整流及逆变电路，驱动电路及其保护电路，电压电流采样电路，位置检测电路。
结论
由于转子永磁型电机的永磁体装配在转子上，因而存在永磁体需要固定的问题以及因散热或故障等而导致不可逆退磁的问题，而定子永磁型的PMFSM转子结构简单且同时有着高功率密度等优点，得到了更多的关注。本文针对PMFSM进行了控制系统的研究，在改进传统直接转矩控制系统的基础上进行无位置传感器控制策略的研究，主要包括以下方面：
(1)叙述了课题背景及研究意义，总结了永磁开关磁链电机以及无位置控制两方面的国内外研究现状。对永磁开关磁链电机的工作原理进行了介绍，包括电机的物理结构以及电机的数学模型。通过电机的电磁性能分析证明了电机适用于交流无刷控制策略，为电机控制提供了理论基础。
(2)对传统直接转矩控制策略进行了理论介绍，针对传统直接转矩控制转矩脉动大的问题，研究了以滑模控制器替换传统滞环环节，并引入SVPWM的滑模控制直接转矩控制系统。通过仿真对比，证明了滑模控制下转矩脉动有所减小，系统运行性能明显改善。
(3)分别对高频脉振注入以及基于扩展反电势的位置估计方法进行了理论分析，并通过加权过渡的方法实现低速及中高速的无感控制。针对相应算法仅适用于特定转速区且过渡区算法复杂的问题，提出一种全速域通用的二次扩展反电势的方法，将原有的经典扩展反电势模型二次扩展为包含高频量的扩展反电势模型。低速下进行高频注入并以所提模型进行解调获取位置信息；中高速时为释放电压裕度取消注入，与传统的基于扩展反电势位置估计类似，同一模型仍可以很好地实现位置估计。通过仿真对比，与加权过渡相比，不仅可以作为全速通用的位置估计模型，且由于低速下没有滤波器导致的相位滞后，提高了位置估计精度。
参考文献（略）
