I
摘 要
永磁同步电动机由于具备体积较小，工作效率高等优势而广为应用，直接转
矩控制是电机使用的主要控制方式，传统直接转矩控制一般使用开关表和滞环比
较器来实现，然而滞环比较器不能完成转矩大小的区分，因此转矩脉动较大的问
题一直存在于这种控制方式，本文将着重探究滞环比较方法产生转矩脉动较大的
原因，最终实现转矩脉动的降低。
首先对直接转矩控制形式的研究现状进行阐述，并在此基础上对目前的研究
发展趋势进行讨论，并建立了永磁同步电机的数学模型，探究了滞环比较方法，
建立了 Simulink 仿真结构图，得出仿真结果，分析产生转矩脉动的原因，原因
主要是因为滞环比较器不能区分转矩偏差的大小。
本文将尝试通过先进的非线性控制策略来改进传统直接转矩控制的三相永
磁同步电机的响应速度和动态品质。通过仿真软件 MATLAB/Simulink 建立基于
非线性控制策略的直接转矩控制器应用于三相永磁同步电机的仿真模型，与传统
直接转矩控制器应用于三相永磁同步电机的输出性能进行比较，以改进传统直接
转矩控制器应用于三相永磁同步电机的诸如转矩脉动较大、调节时间长等不足，
并进行负载扰动和转速扰动测试，结果表明，基于非线性控制策略的直接转矩控
制器对于提高电机的调速性能及抵抗负载扰动等性能具有重要意义。
本课题共有图 28 幅，表 4 个，参考文献 23 篇。
关键词：非线性控制策略； 三相永磁同步电机； 鲁棒性。
II
Abstract
Because of its small size and high working efficiency, permanent magnet
synchronous motor (PMSM) is widely used. Direct torque control is the main control
mode used in motor. However, hysteresis comparator can not distinguish torque size,
so the problem of large torque ripple always exists in this control mode.
Firstly, the research status of direct torque control form is expounded, and the
current research development trend is discussed. The mathematical model of
permanent magnet synchronous motor is established, and the hysteresis comparison
method is explored. The Simulink simulation structure diagram is established, and the
simulation results are obtained.
This paper will try to improve the response speed and dynamic quality of
three-phase permanent magnet synchronous motor with traditional direct torque
control through advanced nonlinear control strategy. A simulation model of direct
torque controller based on nonlinear control strategy is established
MATLAB/Simulink compared with the output performance of traditional direct
torque controller applied to three-phase permanent magnet synchronous motor. The
results show that the direct torque controller based on nonlinear control strategy is of
great significance to improve the speed regulation performance and resist load
disturbance.
There are 28 pictures ,4 tables and 23 references.
Keywords: nonlinear control strategy; three-phase permanent magnet
synchronous motor; robustness.
III
目 录
摘 要 .........................................................I
目 录 .......................................................III
1 绪论 .........................................................1
1 Introduction ...................................................1
1.1 课题研究的背景和意义（Background and Significance of the
Subject Research）..............................................1
1.2 课题研究的国内外发展现状（The Current Situation of Domestic
and Foreign Development in the Study）..........................1
1.2.1 非线性控制理论的发展现状..........................2
1.2.2 基于非线性控制永磁同步电机的国内外研究现状........2
1.3 非线性控制在永磁同步电机中的应用（Application of Slip Mode
Control in PMSM）...............................................3
1.4 本文研究内容（The Research Content of This Paper）......3
2 传统永磁同步电机直接转矩控制 .................................5
2 Direct Torque Control of Traditional PMSM........................5
2.1 永磁同步电机数学模型（Mathematical Model of Permanent Magnet
Synchronous Motor）.............................................5
2.1.1 永磁电机坐标变换及推导............................5
2.1.2 Clark 变换推导过程 ................................5
2.1.3 Park 变换及推导 ..................................8
2.1.4 永磁同步电机各参数数学方程........................9
2.2 滞环比较直接转矩方法（Hysteresis comparison of direct torque
methods）......................................................10
2.3 滞环比较 Simulink 仿真分析（Comparison of hysteresis Simulink
Simulation Analysis）..........................................12
2.3.1 simulink 仿真模型搭建 ............................12
2.3.2 仿真结果分析.....................................14
2.4 本章小结...............................................16
3 基于非线性控制的直接转矩控制 ................................17
3 Direct Torque Control Based on Nonlinear Control .................17
3.1 三相永磁同步电机的矢量数学模型（Vector Mathematical Model of
Three-phase Permanent Magnet Synchronous Motor）...............17
3.2 基于非线性控制的直接转矩控制器设计（Design of Direct Torque
Controller Based on Nonlinear Control）........................18
IV
3.3 基 于 非 线 性 控 制 的 直 接 转 矩 控 制 的 MATLAB/simulink 仿 真
（ MATLAB/simulink Simulation of Direct Torque Control Based on
Nonlinear Control）............................................20
3.3.1 仿真建模.........................................20
3.3.2 仿真结果分析.....................................22
3.4 本章小结（Summary of This Chapter）....................24
4 控制性能测试 ................................................25
4 Control Performance Testing ....................................25
4.1 负载转矩突变（Load torque mutation）...................25
4.2 给定转速突变（Given speed mutation）...................26
4.3 本章小结（Summary of This Chapter）....................27
5.总结与展望 ...................................................29
5 Conclusions and Prospect .......................................29
5.1 总结（Conclusions） .....................................29
5.2 展望（Prospect） ........................................29
参考文献 ......................................................31
翻译部分 ......................................................33
1 绪论
1
1 绪论
1 Introduction
1.1 课题研究的背景和意义（Background and Significance of the
Subject Research）
电机是将电能转化为机械能的常规设备，凡是有工业的地方几乎都有电机的
存在，而在电动机中，永磁同步电动机同时具备结构和体积两方面优势，同时能
够满足功率因数高、易于控制等优点，占据了工业机械驱动的主要位置，一般来
说矿井牵引提升机使用异步电机作为主要电机，但随着近十几年的不断发展，结
构简单并且满足高频率启停情况下的永磁同步逐步代替异步电机，成为矿山大负
载牵引的主力设备，因此，永磁同步电机更加适合矿山机械，永磁电机一般使用
直接转矩控制方法来进行调速”，传统的永磁电机转矩控制方法是使用滞环比较
器，这种方结构简单，工程易于实现，但存在较大的转矩波动，较大的转矩波动
将使得矿车在行驶中产生较大的运行震动，这将对矿工的乘车安全造成较大的影
响，为了保障矿工出入井时的生命安全，加强矿工的乘车舒适度，通过控制算法
对永磁同步电机进行转矩脉动抑制就势在必行。
但永磁同步机内部存在强耦合，并且为高阶系统，因此在高动态调速系统控
制过程中，使用传统滞环方法就存在明显的不足，国内外很多学者就此进行研究
与实验，并在永磁同步电动机转矩控制系统的实践中引入了非线性控制理论，最
终证明了它的效性。为了获得坐标变换以及动态反馈的最终效果，借助于李导数
的形式对输出变量进行处理，最终保证永磁同步电机转矩控制过程中输入量到输
出量的线性变化，系统状态变量解耦也得以实现。在众多控制方法中，反馈线性
化控制方法主要体现出精准这一优势，并且在整个变换中，有定义的区域中都可
以使用，传统方法中的复杂坐标变换等问题在这一-方法中都被简化。在使用反
馈线性化方法后发现，相比于滞环比较直接转矩控制，系统的转矩脉动降低明显，
同时转速可以很好的跟踪给定转速。
1.2 课题研究的国内外发展现状（The Current Situation of
Domestic and Foreign Development in the Study）
本节内容由三部分组成，主要介绍滑模控制理论的发展现状，永磁同步电机
的发展现状，及将滑模控制理论应用于永磁同步电机的方法理论。
