（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）電梯專用永磁同步電機(jī)變頻器的設(shè)計(jì)研究.pdf

a b s t r a c t e l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e ro c c u r sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s e so fb u i l d i n g i ts a t i s f i e s t h ed e m a n do fe l e c t r i cp o w e rd r a gs y s t e mu s e di nh i g hp e r f o r m a n c ee l e v a t o r s a tt h e s a m et i m e ，p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) b e c o m e st h em a i n s t r e a m o fn e we l e v a t o rd r a gs y s t e mf o ri t sa d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l yt o r q u ec o n t r o l ，s m a l l b u l ka n dh i g he f f i c i e n c y as u i to fe l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e re x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s d e s i g n e db a s e do nl u c u b r a t i n gi nc o r r e s p o n d i n gt h e o r i e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo f p m s mi sa n a l y z e dw i t l lv e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l eo f m o t o r , a n dt h e nt h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o rc o n t r o ls y s t e mm o d c li sb u i l ti nm a n a b b a s e do ns p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) i sa p p l i e di nc u r r e n tc i r c u i tt of o r m p r e d i c t i v e - p i ( p p i ) a d j u s t e r g p ch a st h ec h a r a c t e r so f r o l lo p t i m i z a t i o na n df e e d b a c k r e v i s e , s oi tc a 丑o v e r c o m et h ee f f e c to fl a gt i m ea r o s ef r o ms e n s o rm e a f i a l r e n e n t a r i t h m e t i cr u n n i n ga n ds oo n p p ic o m b i n e st h em e r i t so fg p ca n dp i i ti se a s yt o b u i l ds i m u l a t i o nm o d e lw i t hs i m p l ya r i t h m e t i ca n dh i g hr e l i a b i l i t y s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo f p p ii sb e t t e rt h a np 1w i t ha p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s s e u s o r l e s sc o n t r o ls t r a t e g yi ss t u d i e do nt h eb a s i so fs l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r e ( s m v s ) o b s e r v e r f i r s tm e a s u r et h ep h a s ec u r r e n t sw h i c ha r et r a n s f o r m e d u n d e rt h eu bc o o r d i n a t e s ，t h e nd e s i g nt h es m v so b s e r v e rb a s e do nt h em o t o r s e l e c t r o m a g n e t i ce q u a t i o n st oe s t i m a t et h er o t o r sv e l o c i t ya n dp o s i t i o n t h e o r e t i c a l a n a l y s e sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h em e t h o dh a sb e t t e rf o l l o w i n gq u a l i t y d u r i n gt h es t a r t a p ，f a s t e rc o n s t r i n g e n c yo fv e l o c i t ye s t i m a t i o na n db e t t e ra b i l i t yo n r e s i s t i n gt h ed i s t u r b a n c e so f l o a d ，s oi tc a ni m p r o v et h er o b u s t n e s so f t h es y s t e m d e a d - t i m ei sc o m p e n s a t e da c c o r d i n gt ot h eo u t p u tr e f e r e n c ev o l t a g ev e c ? t o ra n d p h a s e c u r r e n t s f i r s ta c q u i r ed e a d - b a n dv o l t a g eb yj u d g i n gt h ec u r r e n t s d i r e c t i o n , a n d t h e nc o n f l l n lt h ep h a s et ob ec o m p e n s a t e dd u et ot h eg i v e nr e f e r e n c ev o l t a g ev e c t o r s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a ti tc a nc o m p e n s a t et o r q u ea n dc u r r e n te x c e l l e n t l y t h ee l e v a t o rs p e c i a li n v e r t e ri sd e s i g n e dw i t ht h ec o r eo fm o t o rc o n t r o ld s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a c o m b i n i n gr e l a t e dh a r d w a r e k e yw o r d s ：e l e v a t o r , i n v e r t e r , d e a d - t i m e c o m p e n s a t i o n , s l i d i n gm o d ev a r i a b l es r a c t u r e ；p r e d i c t i v e p i d s p 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得鑫鲞盤堂或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 一躲卻老許咿。6 年月易日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解鑫鲞叁莖有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)鑫注盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文名：辱林 簽字日期：力影年月8 日 導(dǎo)師簽名： 州7 日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 變頻器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻器作為當(dāng)代高科技產(chǎn)品，具有高效、節(jié)能和智能自動(dòng)化的特點(diǎn)，長期以 來一直受到國內(nèi)外科技界、產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注，已得到高速發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各 行各業(yè)。變頻器之所以受人矚目，是因?yàn)樗芨鶕?jù)負(fù)載的變化使電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、 平滑的增速或減速，同時(shí)具有效率高、范圍寬、精度高及無級調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)，是交 流電機(jī)最理想的調(diào)速方法【l 】。 從2 0 世紀(jì)6 0 年代后期開始，電力電子器件從s c r ( 晶閘管) 、g t o ( 門極可 關(guān)斷晶閘管) 、b j t ( 雙極型功率晶體管) 、m o s f e t ( 金屬氧化物場效應(yīng)管) 、 s i t ( 靜電感應(yīng)晶體管) 、s i t h ( 靜電感應(yīng)晶閘管) 、m g t ( m o s 控制晶體管) 、 m c t ( m o s 控制晶閘管) 發(fā)展到今天的i g b t ( 絕緣柵雙極型晶體管) 、h v i g b t ( 耐高壓絕緣柵雙極型晶體管) 、i g c t ( 集成門極換流晶閘管) ，器件的更新 換代促使電力電子技術(shù)不斷發(fā)展剮。從發(fā)展趨勢來看【5 】，g t o 將逐漸過時(shí)，較 低功率被i g b t 取代，較大功率被i g c t 取代。i g b t 自1 9 8 3 年問世以后發(fā)展的非常 快，目前市場化器件已高達(dá)3 5 0 0 v ，1 2 0 0 a ，以i g b t 為核心的智能功率模塊( i p m ) 內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，其容量達(dá)至u 1 2 0 0 v ，8 0 0 a 。i g b t 能夠高速開關(guān)，載 波頻率最大可達(dá)2 0 k h z ，降低了輸出電流脈動(dòng)，可近似于正弦波平滑調(diào)速；導(dǎo)通 關(guān)斷時(shí)間縮短，使得死區(qū)時(shí)間減少，提高了電流控制性能；飽和電壓和損耗減小， 因而可以大幅度縮小變頻器的體積。 從2 0 世紀(jì)7 0 年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻( p w m - v v v f ) 調(diào)速研究引起了 人們的高度重視。該方法將不可控整流和p w m 逆變技術(shù)結(jié)合，組成交直交變頻 裝置【刪：不可控整流器使電網(wǎng)功率因數(shù)與逆變器輸出電壓無關(guān)而接近1 ；逆變器 同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)頻，與中間直流環(huán)節(jié)無關(guān)，能夠抑制或消除低次諧波、降低電機(jī) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、擴(kuò)展調(diào)速范圍、提高系統(tǒng)性能。2 0 世紀(jì)8 0 年代后期，美、日、德等發(fā) 達(dá)國家的v v v f 變頻器已經(jīng)開始投入市場并廣泛應(yīng)用。但這種控制方式是從交流 電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩公式推導(dǎo)出的穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律，完全不考慮過渡過 程，做出很多假設(shè)，忽略較多因素，這就使得理論分析和實(shí)際效果相差很大。例 如在低頻時(shí)，由于輸出電壓較小，受定子電阻壓降的影響比較顯著，故造成輸出 轉(zhuǎn)矩減小；另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速 性能都還不盡如人意。因此，許多專家學(xué)者致力于新的交流調(diào)速方案的研究。矢 量控制是1 9 7 1 年由德國b l a s c h k e 等人提出的1 9 1 ，該理論從異步電機(jī)多變量、強(qiáng)耦 第一章緒論 合、非線性的實(shí)際特點(diǎn)出發(fā)，以轉(zhuǎn)子磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)系，利 用坐標(biāo)變化把電機(jī)定予電流分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。通過這種方法 建立的交流電機(jī)模型可以等效為直流電機(jī)進(jìn)行快速的轉(zhuǎn)矩和磁通控制。隨后，德 國西門子公司、日本安川及三菱公司、美國羅克韋爾公司紛紛推出了矢量控制變 頻器。國外變頻器之所以能高速發(fā)展，主要有如下因素：( 1 ) 市場需求；( 2 ) 功率 器件的發(fā)展；( 3 ) 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展：包括矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn) 矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ)；同時(shí)，數(shù) 字信號處理器( d s p ) 和特定專用集成電路( a s i c ) 技術(shù)的高速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn) 變頻器高精度和多功能化提供了可靠硬件，并進(jìn)一步擴(kuò)大了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域； ( 4 ) 基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高度發(fā)達(dá)，變頻器各相關(guān)配套部件的社會化、專業(yè) 化生產(chǎn)，為變頻器的整體性能和質(zhì)量提供了保證。 9 0 年代，隨著中國國內(nèi)各行業(yè)節(jié)能環(huán)保意識的加強(qiáng)，變頻器的應(yīng)用越來越普 及，在空調(diào)、電梯、冶金、機(jī)械、電子、石化、造紙、紡織等行業(yè)有十分廣闊的 應(yīng)用空間。近幾年來國內(nèi)變頻器市場每年增長都在1 5 以上。就功率來區(qū)分變頻 器市場，大致可分為大、中、小三個(gè)領(lǐng)域，從產(chǎn)品容量來看，大功率占市場份額 的5 1 0 ，中小功率占9 0 9 5 。其中2 2 0 k w 以上的變頻器基本由德國西 門子，法國施耐德，美國a b 、g e 、羅克韋爾，瑞典a b b 等企業(yè)壟斷；而中小容 量的8 5 為日本產(chǎn)品占領(lǐng)，如富士、安川、三墾、日立、東芝、三菱、松下等產(chǎn) 品。國內(nèi)生產(chǎn)廠家發(fā)展速度也比較快，通過幾年的努力，在國內(nèi)交頻器市場逐漸 占有了一席之地，較知名的有深圳艾默生( 原華為安圣) 、普傳、安邦信、四川 佳靈、森蘭、煙臺惠豐、南京耐特等。雖然國內(nèi)變頻器廠家在產(chǎn)品的科研開發(fā)、 工藝設(shè)計(jì)、加工制造能力等方面有了長足進(jìn)步，但與國外大公司比，還有較大差 距。目前國產(chǎn)變頻器主要是低壓( 4 0 0 v ) 小容量( 3 1 5 k w 以內(nèi)) 產(chǎn)品，而對功 能先進(jìn)( 含矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制) 、高電壓( 3 0 0 0 v 以上) 、大容量( 1 0 0 0 k w 以上) 變頻器，尚處于研制階段。而且，變頻器核心部件半導(dǎo)體功率器件的 生產(chǎn)幾乎是空白，不得不依靠進(jìn)口。 隨著控制理論和制造工藝的進(jìn)一步發(fā)展，變頻器的應(yīng)用將朝著以下方向發(fā) 展： 一矩陣式變頻器 矩陣式交一交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解 電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l ，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密 度大，并能實(shí)現(xiàn)輕量化和長壽命運(yùn)行。矩陣變頻器也可以有效地進(jìn)行輸入電源電 流控制與輸出電壓控制。另外在再生制動(dòng)方式的工作中，矩陣變頻器不需要制動(dòng) 電阻或特殊的變換器。 第一章緒論 二網(wǎng)絡(luò)化配置變頻器 網(wǎng)絡(luò)化配置的變頻器具有以下顯著特點(diǎn)：( 1 ) 高精度的頻率設(shè)定；( 2 ) 遠(yuǎn)程控 制與工廠信息化的基本要素；( 3 ) 遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)定頻率是一種高精 度的頻率設(shè)定，具有通訊速率高，穩(wěn)定可靠，接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，不需要轉(zhuǎn)換，沒 有誤差。變頻器經(jīng)常被用于系統(tǒng)復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、高負(fù)荷、長時(shí)間運(yùn)行的工 況中，有必要對其實(shí)現(xiàn)在線工作狀態(tài)的監(jiān)測以及常規(guī)故障機(jī)理的綜合分析研究， 以便對其故障事先診斷分析。采用通訊方式，可以通過p c 機(jī)來方便地進(jìn)行組態(tài) 和系統(tǒng)維護(hù)。 三無速度傳感器矢量控制變頻器【i o 】 在矢量控制變頻器中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制環(huán)節(jié)必不可少，通常是采用光電編碼器 等速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測，但因此給調(diào)速系統(tǒng)帶來一些缺陷：系統(tǒng)硬件成本大 大增加；光電編碼器與電機(jī)軸之間存在同心度問題，安裝不當(dāng)影響精度；增加轉(zhuǎn) 子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加大電機(jī)體積，給電機(jī)維護(hù)帶來困難，降低系統(tǒng)魯棒性；環(huán) 境適應(yīng)性不強(qiáng)。因此無速度傳感器變頻器的研究成為熱點(diǎn)。1 9 8 3 年j o e t t e n 首次將 無速度傳感器理論應(yīng)用于矢量控制，其后國內(nèi)外掀起了一股研究熱潮，提出了很 多方法：基于電機(jī)電磁關(guān)系的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速估計(jì)器、基于電機(jī)特殊特性分析的凸極跟 蹤法、各種觀測器估計(jì)法、基于智能控制的估算法。 四永磁同步電動(dòng)機(jī)變頻器 同步電動(dòng)機(jī)已成為交流可調(diào)傳動(dòng)中的一顆新星，特別是正弦波永磁同步電動(dòng) 機(jī)( p m s m ) 。采用同步電機(jī)可以大大降低電機(jī)尺寸，輸出高效率轉(zhuǎn)矩。由于p m s m 轉(zhuǎn)子磁場的方向與轉(zhuǎn)子位置一致，所以按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制實(shí)現(xiàn)比異步電機(jī) 簡單，適合矢量控制變頻器。 1 2 交流電機(jī)的發(fā)展 隨著矢量變頻技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)也不斷更新變化。先進(jìn)的c a d 技術(shù)和 電機(jī)材料的改進(jìn)使電機(jī)具有更低的成本、更高的效率，同時(shí)可靠性和功率密度得 以提高。 鼠籠式感應(yīng)電機(jī)將在很寬的功率范圍內(nèi)保持其主力電機(jī)的地位。因?yàn)楦袘?yīng)電 機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)工作量小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但也存在如下一些缺點(diǎn)： 異步電機(jī)需要從定子側(cè)勵(lì)磁，功率因數(shù)低，以致變頻裝置輸入的功率因數(shù)也低； 轉(zhuǎn)子參數(shù)受溫度影響較大，降低了控制精度；為提高其功率因數(shù)需盡量減小定轉(zhuǎn) 子間氣隙，使得制造困難。由于三相異步電機(jī)的大量使用，交流電網(wǎng)的功率因素 普遍偏低，所以同步電機(jī)誕生并開始發(fā)展【l l 】。 第一章緒論 同步電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速由定子電流頻率和極對數(shù)決定，只要電源頻率不變， 電機(jī)轉(zhuǎn)速就不變，但是存在起動(dòng)困難和重載失步的缺點(diǎn)。電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī) 技術(shù)的發(fā)展使得同步電機(jī)能夠廣泛應(yīng)用于調(diào)速領(lǐng)域。變頻器可以解決起動(dòng)困難的 問題，以d s p 為核心的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制解決了失步問題。其中，永磁同步電機(jī)在小 功率運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到重視和廣泛應(yīng)用。p m s m 不需要?jiǎng)?lì)磁電流，逆變器 供電情況下，無需阻尼繞組，效率和功率因數(shù)都比較高，定轉(zhuǎn)子氣隙大，而且體 積較之同容量的異步電機(jī)小【1 2 1 。p m s m 的矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動(dòng)態(tài) 性能、大范圍的速度和位置控制，非常適合電梯驅(qū)動(dòng)。 1 3 電梯控制技術(shù) 隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，高層建筑不斷增多，電梯在人們的日常生活中的應(yīng) 用越來越廣泛。電梯是機(jī)電一體用于高層建筑的復(fù)雜運(yùn)輸設(shè)備，在垂直升降運(yùn)行 過程中，需要頻繁的起動(dòng)和制動(dòng)，運(yùn)行區(qū)間短，經(jīng)常處于過渡過程運(yùn)行狀態(tài)。電 梯負(fù)載經(jīng)常在空載和滿載之間隨機(jī)變化，考慮到乘客乘坐電梯的舒適感以及平層 精度，必須限制最大運(yùn)行加速度和加速度變化率。 從1 9 世紀(jì)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)問世，直至2 0 世紀(jì)前半葉，高性能電梯都采用直流 電動(dòng)杌拖動(dòng)【l ”。因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速范圍寬且控制方便、靈活、快捷。 但同時(shí)也存在體積、重量、能耗大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、可靠性差等缺點(diǎn)。隨 著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展和完善，交流調(diào)速技術(shù)日趨成熟；加之電梯 用戶對電梯的平穩(wěn)性、平層精度、節(jié)約能源以及減小機(jī)房面積的要求日趨強(qiáng)烈， 電梯控制技術(shù)逐漸轉(zhuǎn)向交流調(diào)速【1 4 】。 交流調(diào)速電梯先后經(jīng)歷了異步電機(jī)交流調(diào)壓電梯、異步電機(jī)交流變壓變頻電 梯、同步電機(jī)變頻電梯三個(gè)階段。交流變頻調(diào)速電梯和其他控制方式電梯相比具 有如下特點(diǎn)【l 習(xí)：( 1 ) 能源消耗低。交流電機(jī)的速度與供電頻率有關(guān)，電機(jī)起動(dòng) 電流隨頻率和速度的增加逐漸升高，產(chǎn)生熱量相當(dāng)小，無需在機(jī)房內(nèi)安裝通風(fēng)降 溫系統(tǒng)；( 2 ) 電路負(fù)載低，所需緊急供電裝置小。加速階段起動(dòng)電流小于2 5 倍 的額定電流，峰值時(shí)間短，故功耗減小，相應(yīng)緊急供電裝置也較??；( 3 ) 可靠 性高，使用壽命長。交一直交變頻器所用元器件性能可靠、經(jīng)久耐用，電機(jī)轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)不會增加電機(jī)發(fā)熱，使電梯運(yùn)行性能非?？煽?；( 4 ) 舒適感好。運(yùn)行過程 中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)性能，跟隨最佳給定的速度曲線運(yùn)行；( 5 ) 平層精 度高。采用d s p 控制系統(tǒng)和現(xiàn)代傳感技術(shù)，在整個(gè)運(yùn)行期間準(zhǔn)確地給出位置信號 并且精確的按樓層距離直接?？?；( 6 ) 運(yùn)行平穩(wěn)噪聲小。因?yàn)樽冾l器輸出始終 為一個(gè)失真小的正弦波供電電流，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，從而降低了振動(dòng)和噪聲。 第一章緒論 1 9 9 6 年，交流永磁同步無齒輪曳引機(jī)驅(qū)動(dòng)的無機(jī)房電梯出現(xiàn)，電梯技術(shù)又一 次革新。永磁同步無齒輪曳引機(jī)沒有異步電機(jī)所需非常占地方的定子線圈，而永 磁同步電機(jī)的主要材料是高能量密度、高剩磁感應(yīng)和高矯頑力的釹鐵硼，其氣隙 磁密一般達(dá)n o 7 5 t 以上，故可做到體積小和重量輕。因此，以永磁同步電機(jī)作 為被控電機(jī)的電梯專用變頻器成為研究熱點(diǎn)。 1 4 本課題意義及研究內(nèi)容 能源的有效利用關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，具有非常重要的戰(zhàn)略意義。 中國經(jīng)濟(jì)目前正處于高速發(fā)展時(shí)期，對能源的需求量非常大，但是能源利用率很 低。國家正大力推廣變頻調(diào)速技術(shù)，改造現(xiàn)有落后設(shè)備，提高生產(chǎn)、加工過程的 效率，降低能源損耗【1 6 】。因此，變頻器市場存在廣闊的前景，然而國內(nèi)變頻器 行業(yè)的發(fā)展水平還比較低，市場占有率更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如國外同類產(chǎn)業(yè)。因而本課題 的研究能夠有力的促進(jìn)國產(chǎn)變頻器的大力發(fā)展，提高市場競爭力。同時(shí)，電梯行 業(yè)的迅速發(fā)展促使交流調(diào)速領(lǐng)域發(fā)生了日新月異的變化。電梯專用變頻器在世界 范圍內(nèi)尚處于初始階段，國內(nèi)幾乎是一片空白【l7 1 。目前，電梯專用變頻器完全 被國外公司所壟斷，價(jià)格相當(dāng)昂貴，如：艾默生t d 3 1 0 0 ，安川6 7 6 g l 5 一l r 。將 永磁同步電機(jī)引入電梯交頻器，可以真正實(shí)現(xiàn)無機(jī)房電梯，成為國內(nèi)外共同研究 的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該課題研究不僅具有實(shí)際的市場需求，而且具有較高的理論研究 水平，涉及交流調(diào)速理論、電梯運(yùn)行原理以及電機(jī)控制技術(shù)。 本課題針對電梯運(yùn)行要求，重點(diǎn)研究永磁同步電機(jī)模型建立及變頻器的原理 分析和軟、硬件設(shè)計(jì)。具體包括下列內(nèi)容： 1 閱讀大量文獻(xiàn)資料，深入研究永磁同步電機(jī)模型、變頻器原理及電梯運(yùn) 行特性等相關(guān)知識。 2 。建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電機(jī)矢量控制原理建立易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型。需要 建立一個(gè)與永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的d - q 坐標(biāo)系，讓d 軸與轉(zhuǎn)子磁極重合， 把p m s m 定子的各參量都轉(zhuǎn)化到該旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。定子電流矢量始終控制在q 軸上，使其無d 軸分量。這樣，p m s m 的電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值i ，成正比， 這和直流電動(dòng)機(jī)的控制原理相似，能得到很好的控制性能。 3 搭建實(shí)驗(yàn)平臺。以1 1 公司的d s p l m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 為控制核心，以不可控 功率二極管組成三相整流橋，以智能功率模塊( 口m ) 為功率變換裝置，被控對 象為永磁同步電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，用電流傳感器構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，用光電碼盤構(gòu)成 速度外環(huán)，以實(shí)現(xiàn)自控式永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量變頻雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 4 電機(jī)起動(dòng)和轉(zhuǎn)子初始定位分析。起動(dòng)階段p m s m 還未達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，定 第一章緒論 子合成旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子磁極有相對運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩的平均值為零， 即無平均電磁轉(zhuǎn)矩，不會使轉(zhuǎn)子加速，電機(jī)無法自行起動(dòng)。所以轉(zhuǎn)子的初始定位 顯得尤為重要。通過比較各種起動(dòng)控制策略，提出一種簡單有效的轉(zhuǎn)子定位方案。 5 仿真和實(shí)驗(yàn)。用m a t l a b 對所建模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制策略并確定 實(shí)驗(yàn)參數(shù)；根據(jù)理論分析，用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)s v p w m 算法。分別進(jìn)行軟、 硬件調(diào)試，最終進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，不斷改善變頻器的運(yùn)行性能。 第二章p m s m 控制策略 2 1p m s m 模型 第二章p m s m 控制策略 正弦波永磁同步電機(jī)具有定子三相分布繞組和永磁轉(zhuǎn)子，定子繞組通三相交 流電，與永磁轉(zhuǎn)子的磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。與異步電機(jī)不同 的是，當(dāng)定子電流頻率固定時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與其保持嚴(yán)格同步【1 l l ： 、 擰：6 0 f ( 2 1 ) p 。 其中，f 為定子電流頻率，p 。為電機(jī)極對數(shù)，n 為同步轉(zhuǎn)速。 電梯屬位能負(fù)載，即使在沒有轉(zhuǎn)速時(shí)也處于全載狀態(tài)，起制動(dòng)時(shí)要求快速的 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，因此矢量控制比恒壓頻比方式更適合。正弦波永磁同步電機(jī)一般沒有 阻尼繞組，轉(zhuǎn)子磁通由永久磁鋼決定，恒定不變，故可以采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量 控制。選用兩相旋轉(zhuǎn)d - q 坐標(biāo)系，d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈重合，q 軸超前d 軸9 0 0 ，把 p m s m 各參數(shù)都轉(zhuǎn)化到d - q 坐標(biāo)系，得到定子電壓、定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程： “j = r ，i d + p d 一留礦。 ( 2 2 ) u 口= r ，i q + p + 彩d ( 2 - 3 ) i ，d = l d l d + vr = 厶 = 三p 。( y 。一y 。) = i 3 p 。砂，+ ( 上。一，) 屯】 式中 、“。定子電壓矢量的d 、q 軸分量： 、定子電流矢量的d 、q 軸分量； d 、定子磁鏈的d 、q 軸分量； 厶、厶定子繞組d 、q 軸電感： ”轉(zhuǎn)子永磁體在定子上的耦合磁鏈； e 定子電阻； ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 第二章p m s m 控制策略 出轉(zhuǎn)子角頻率； p d d t ，微分算子。 在基頻以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)中，控制定子電流矢量位于q 軸上，即令h = o ， i a = i | ，則定子電流全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，此時(shí)的電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椤? 1 】【1 8 】： = 一越。 ( 2 - 7 ) 2 4 9 = e + 三日p i ，+ r a g ， ( 2 - 8 ) = 炸( 2 - 9 ) = ：q , 氣 瓦= 三以， 這種控制方式最簡單，因?yàn)椤焙愣ǎ?( 2 - l o ) ( 2 1 1 ) 電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的幅值成正比，即控 制定子電流的幅值，就能很好的控制電磁轉(zhuǎn)矩，和直流電機(jī)的原理類似。圖2 1 a 繪出按轉(zhuǎn)子磁鏈定向并使i d = 0 的p m s m 矢量圖。這種情況下，只要能準(zhǔn)確地檢 測出轉(zhuǎn)子d 軸的空間位置，控制逆變器使得三相定予合成電流( 磁動(dòng)勢) 矢量處 于q 軸即可。 如果需要在基頻以上調(diào)速，則最簡單的辦法就是利用電樞反應(yīng)削弱勵(lì)磁，使 i d 方向和妒，相反，起去磁作用，此時(shí)的矢量圖如2 1 b 所示。但是，由于稀土永 磁材料的磁導(dǎo)率和空氣相近，磁阻大，定轉(zhuǎn)子之間有效空隙大，需要較大的定子 電流直軸分量，因此運(yùn)行效果很差，只可短期運(yùn)行。 h ji l l 飛 掣r o 迥j 。j t t i f - j1 1 q 入 ：一 l ，r i a o： 圖2 - 1 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向p m s m 矢量圖 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向弗使驢= o 的p m s m 矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖2 2 所 第二章p m s m 控制策略 示。因?yàn)槎ㄗ与娏髋c轉(zhuǎn)子永磁磁通相互獨(dú)立，故該控制系統(tǒng)簡單，轉(zhuǎn)矩恒定性好， 脈動(dòng)范圍小，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于對舒適感和平層精度要求高的電 梯應(yīng)用。但是當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，定子電流隨之升高，使得氣隙磁鏈和定子反電動(dòng)勢 都加大，迫使定子電壓上升。為了保證足夠的電源電壓，變頻器要求有足夠容量。 同時(shí)，負(fù)載增加也會導(dǎo)致定子電壓和電流矢量的夾角增大，造成功率因數(shù)下降， 降低了p m s m 的利用率。因此，該調(diào)速方法只能應(yīng)用于中小容量系統(tǒng)。 圖2 - 2h = o 的p m s m 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖 2 2 預(yù)測p l 電流控制器 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行性能好壞，是本文研究重點(diǎn)之一。如圖2 2 所 示，速度給定信號與速度反饋值比較后，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器a s r 產(chǎn)生電流給定信號， 該信號與電流反饋值比較之后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器a c r 和坐標(biāo)變換產(chǎn)生控制p w m 脈沖的電壓信號，從而控制逆變器功率器件的通斷實(shí)現(xiàn)對定子電流的控制。 在p m s m 調(diào)速系統(tǒng)中，電流控制主要采用四種策吲1 9 】：滯環(huán)比較、固定開 關(guān)頻率控制、p i 調(diào)節(jié)器以及預(yù)測控制。前兩種方法為固定結(jié)構(gòu)，后兩種為同步 結(jié)構(gòu)。滯環(huán)比較控制具有快速暫態(tài)響應(yīng)和原理簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是用于變頻控制系 統(tǒng)時(shí)，功率器件開關(guān)頻率高且不斷變化。固定開關(guān)頻率控制能夠限制最大開關(guān)頻 率，但該法具有低通濾波器的特點(diǎn)，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)向量的幅值和相位均有明顯滯后。 為克服這類滯后誤差，通常采用p i 電流調(diào)節(jié)器。電流控制是在d q 同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系上進(jìn)行的，輸入和輸出都是直流量。同時(shí)補(bǔ)償反電動(dòng)勢和實(shí)現(xiàn)解耦控制，以 加快暫態(tài)響應(yīng)和降低穩(wěn)態(tài)誤差。預(yù)測控制不需要被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，利用 數(shù)字計(jì)算能力實(shí)行在線滾動(dòng)優(yōu)化，開關(guān)頻率由參考輸出電壓決定，電機(jī)相電流跟 第二章p m s m 控制策略 隨參考電壓變化。該方法暫態(tài)響應(yīng)快，無穩(wěn)態(tài)誤差。 在電梯控制中，快速性是主要指標(biāo)，當(dāng)電機(jī)定子電流產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，必須迅速 進(jìn)行調(diào)節(jié)，以降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；同時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)要達(dá)到電流無靜差，故目前電流調(diào)節(jié)器 均采用p i 控制。但在變頻控制過程中，由于傳感器檢測、s v p w m 算法運(yùn)行等 因素的影響，不可避免地會產(chǎn)生一定滯后，當(dāng)滯后時(shí)間相對調(diào)制周期不可忽略時(shí)， 就會影響控制性能；同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電機(jī)參數(shù)會產(chǎn)生變化，導(dǎo)致模型失 配。所以，本文將預(yù)測控制和傳統(tǒng)p i 控制相結(jié)合，通過預(yù)測控制不斷地在線辨 識克服建模誤差和超前預(yù)測補(bǔ)償滯后時(shí)間的影響，構(gòu)成預(yù)測p i 電流調(diào)節(jié)器1 2 們。 2 2 1 預(yù)測p l 控制器設(shè)計(jì) 預(yù)測控制以計(jì)算機(jī)為實(shí)現(xiàn)手段，是一種基于模型、滾動(dòng)優(yōu)化并結(jié)合反饋校正 的優(yōu)化控制算法。常用的控制算法包括：動(dòng)態(tài)矩陣控制( d m c ) 、模型算法控制 ( m a c ) 、廣義預(yù)測控制( g p c ) 。g p c 與d m c 、m a c 不同，采用最小化參數(shù) 模型，描述系統(tǒng)的參數(shù)數(shù)日少，計(jì)算量較小，易于在線實(shí)現(xiàn)。因此，在調(diào)節(jié)器的 設(shè)計(jì)中，我們采用廣義預(yù)測控制。 廣義預(yù)測控制( g p c ) 基于傳統(tǒng)參數(shù)模型，以廣義最小方差為基礎(chǔ)，引入多 步預(yù)測思想，保留了自適應(yīng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)、隨機(jī)噪聲 和時(shí)延變化的能力以及更好的魯棒性。在g p c 中，采用最小方差控制中的受控 自回歸積分滑動(dòng)平均( c a r i m a ) 模型描述對象口1 】閻： a ( z 1 ) y ( f ) = 8 ( z - 1 ) 甜( f - 1 ) + 善o ) ( 2 - 1 2 ) 其中：a ( z - 1 產(chǎn)l + a l z 1 + + a i l 一；b ( z - 1 ) - b o 岫1 2 1 + + b m z 葉n ；a = i z - 1 。 y ( t ) 、u ( t ) 和；( t ) 分別是被控對象的輸出、輸入和擾動(dòng)，z 1 表示前一個(gè)采樣周期的 相應(yīng)量，為差分算子。假定電流環(huán)的滯后時(shí)間常數(shù)為l ，且l l m ，因此可以 把b ( z 1 ) 式中的b o 、b l b l - l 設(shè)置為零。不考慮擾動(dòng)的影響，即；( t ) = 0 ，并令 e ( 0 = y ，( t ) - y ( t ) ，y ，( t ) 為調(diào)節(jié)器的參考輸出給定。 為了利用( 2 1 2 ) 式得到最優(yōu)預(yù)測值，引入d i o p h a n f i n e 方程】幽嘲： 1 = e ，0 - 1 ) a a + g - j f 0 - 1 )( 2 - 1 3 ) e ，( ：一1 ) b = g j ( z 一) + z o h ，( z 一1 ) ( 2 - 1 4 ) 其中：e j ( z - 1 ) = l + 口t z - 1 + + p h z 一川；乃0 一) = 乃，o + 乃，i z - 1 + + 一z 一； q ( z - i ) = g 川一；q ( z 。) = h ，z ，一l 一i 第二章p m s m 控制策略 對于預(yù)測長度j 的輸出： ) ，( f + ，) = g j a u ( t + j 一1 ) + e y ( t ) + 日，甜( f 一1 ) 為了將g p c 與p i 相結(jié)合，需要在性能指標(biāo)中引入輸出增量預(yù)測變量， 性能指標(biāo)函數(shù)： n 2 “ ，= 【砸+ j ；) - y ，+ 糾+ 五【甜( f + - ，一1 ) 】2 ( 2 - 1 5 ) 則t 時(shí)刻 ( 2 - 1 6 ) 其中n 為預(yù)測域長度，n c 為控制域長度，k 為控制加權(quán)系數(shù)。將上式用矢量形 式表示： ，= 【】砸+ 1 ) 一i ( f + 1 ) r 【】，( f + 1 ) 一r a t + 1 ) 】+ l a w ( t ) 7 a a u ( t ) 】( 2 - 1 7 ) 其中：r a t + 1 ) = 【y ，( f + 工) ，y ，o + 工+ 1 ) ，y ，o + ) 】r ；y o + 1 ) = g a u ( t ) + y o ( t ) ； k ( d = h ( z 1 ) a u ( t - 1 ) + f ( z - 1 ) y ( ，) ；a = d i a g ( 3 a ，如，- 一，旯一) 。 將( 2 1 7 ) 式對a u ( 0 求導(dǎo)，得到使性能指標(biāo)j 最小的控制律： a u ( t ) = ( g 7 g + 人) 1 g r 【耳( f + 1 ) 一y o ( t ) 】( 2 - 1 8 ) 在每一個(gè)時(shí)間間隔，控制向量u 向后推出控制時(shí)域n 步的值，所以在這種遞推時(shí) 域的實(shí)現(xiàn)中，只有控制向量u 的第一個(gè)元素才是當(dāng)前時(shí)刻值。這種實(shí)現(xiàn)可以表示 成線性的形式，( g 7 g + 人) - 1 g 7 的第一行記為 s l ，s n ，所以： “p ) = 甜p 1 ) + 工j ，y ，( f ) 一s ， _ a u ( t - 1 ) + f i , o ) ，( f ) 】 ( 2 - 1 9 ) = l，= l 又常規(guī)p i 控s u 器a u ( t ) = k v ( f ) - e ( t - 1 ) + k i e ( t ) ，與( 2 1 9 ) 式相比較可得到比 例、積分系數(shù)的表妣耳= 籬蕓_ ，蜀= 耆j 。 2 2 2 仿真分析 根據(jù)上面的推導(dǎo)，用m a t l a b 對設(shè)計(jì)的預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。建立 的動(dòng)態(tài)仿真模型如圖2 3 所示。仿真用到的永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：定子相 繞組電阻心= 1 8 7 5 1 2 ，定子d 軸電感l(wèi) d = 8 5 e 3 h ，q 軸電感l(wèi) q = 8 5 e 3 h ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j = 0 8 e 3 k g m 2 ，極對數(shù)p = 4 ，轉(zhuǎn)子磁通、l ，f = 0 1 7 5 w b ，粘摩系數(shù)b 。= 0 3 6 8 e 3 n m r a d s 。 其他仿真參數(shù)如下：n = 1 0 ，n o = 3 ，k p - 5 0 ，k i _ 2 3 ，k 和l 是可調(diào)變量。同時(shí)還設(shè) 計(jì)了傳統(tǒng)p i 調(diào)節(jié)器，即將圖2 3 中的p p i 模塊用p i 代替，對兩種模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn) 第二章p m s m 控制策略 行比較分析。 圖2 - 3p m s m 預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器仿真模型 ( a ) p i 調(diào)節(jié)器 ( a ) p i 調(diào)節(jié)器 圖2 - 4 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 圖2 5 電機(jī)相電流波形 ( b ) 預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器 ( ”預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器 圖2 4 為給定轉(zhuǎn)速1 0 0 r p m 時(shí)的速度響應(yīng)曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩初始為i n m ，0 1 s 時(shí) - 1 2 第二章p m s m 控制策略 突變?yōu)? n m 。由圖可見，預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器起動(dòng)速度更快更平滑，抗負(fù)載擾動(dòng)的能力 大大增強(qiáng)，在擾動(dòng)發(fā)生后迅速做出反應(yīng)，使速度得到較快的調(diào)節(jié)，避免產(chǎn)生大幅 度的超調(diào)和振蕩，而且速度曲線更加平滑。圖2 - 5 為相應(yīng)的電流波形，采用預(yù)測 p i 控制不僅減小了電流的超調(diào)量，而且?guī)缀鯖]有什么振蕩，尤其是起動(dòng)階段的效 果更加明顯。 仿真中，對預(yù)測步數(shù)n 的影響進(jìn)行了研究。當(dāng)其他參數(shù)不變，僅調(diào)節(jié)n 時(shí)發(fā) 現(xiàn)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與n 成正比，超調(diào)量與之成反比，a o n 越大，快速性越差，但 超調(diào)量較小。通過反復(fù)仿真試驗(yàn)，選擇n = 1 0 時(shí)系統(tǒng)綜合性能最佳?？刂萍訖?quán)系 數(shù)k 對電流波形有較大影響，k 越大，電流波形越平滑，理論上說其值越大越好。 但是仿真中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)響應(yīng)速度與k 成反比，所以其取值應(yīng)該綜合考慮，根據(jù)實(shí) 際效果進(jìn)行調(diào)節(jié)。過程的滯后時(shí)間l 對預(yù)測p i 調(diào)節(jié)器的效果有重要影響。當(dāng)l 和 積分時(shí)間常數(shù)t i 相近時(shí)，預(yù)測p i 控制器的控制性能和傳統(tǒng)的p i 控制器相似；當(dāng)l 大于t 肘，預(yù)n p l 控制器的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的p i 控制器。 2 3 無傳感器控制策略 在p m s m 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制中，精確的轉(zhuǎn)子位置檢測是關(guān)鍵。通常在 電機(jī)軸上安裝光電編碼器等傳感器測量轉(zhuǎn)予位置和轉(zhuǎn)速，但隨之帶來環(huán)境適應(yīng)性 不強(qiáng)、系統(tǒng)魯棒性降低、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大等問題。為此，很多學(xué)者致力于無位 置傳感器控制策略的研究。其中基于狀態(tài)觀測器控制方法，由于動(dòng)態(tài)性能好、穩(wěn) 定性高、參數(shù)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)倍受關(guān)注。這種方法算法復(fù)雜，對計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)算 速度和存儲容量要求較高，d s p 控制技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了該類方法的實(shí)現(xiàn)【i o 】。本 文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制觀測器，對轉(zhuǎn)子位置和速度進(jìn)行預(yù)估，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī) 無位置傳感器滑模變結(jié)構(gòu)控制。 2 3 1 滑模變結(jié)構(gòu)控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種特殊的開關(guān)控制2 刪，該控制特性可以迫使系統(tǒng)在 一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即“滑?！边\(yùn)動(dòng)。 這種滑模與控制對象的參數(shù)變化及擾動(dòng)無關(guān)，故系統(tǒng)具有很好的魯棒性。定義狀 態(tài)軌跡j ( 力= 0 為切換面，將s = s l ：功稱為滑模切換函數(shù)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制原理圖 如圖2 - 6 所示。 第二章p m s m 控制策略 圖2 - 6 滑模變結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)圖2 - 6 可得系統(tǒng)狀態(tài)方程表達(dá)式為： r = ，( x ，“，f ) + g ( x ) 甜x r “e r ”t r ( 2 - 2 0 ) 變結(jié)構(gòu)控制與普通控制的區(qū)別在于控制量u ( x ) 在整個(gè)過程中是變化的，即： 坼c x ，= 荽 三； 暑：其中：酊o ，“i c x ，o = ，塒， g 2 t ， u ( x ) 隨著s ( x ) 取值不同而變化，要實(shí)現(xiàn)滑模變結(jié)構(gòu)控制，其滑模切換函數(shù)s ( ) 【) 的選取須滿足下列三個(gè)條件： 滑模存在：t i m 李o 及l(fā) i m 皇三o ，等效為l i n l 竺0 ； j ud t s - o - d t i - * o d t 滿足可達(dá)性條件：在s ，o ) = 0 以外的狀態(tài)點(diǎn)都在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面； 滑模運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。 2 3 2 滑模變結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì) 為討論方便，假設(shè)p m s m 磁路不飽和是線性的，參數(shù)不隨溫度變化，忽略 渦流損耗，且空間磁場呈正弦波形分布3 0 】【3 “。 2 3 2 1 觀測器狀態(tài)方程 由假設(shè)條件，根據(jù)電機(jī)的電磁方程式，以弘b 坐標(biāo)系下定子電流站和定子電 壓1 l s 作為輸入變量，以所要估算的轉(zhuǎn)子位置角0 和轉(zhuǎn)速n f 為輸出變量，狀態(tài)變 量則選取兩相靜止坐標(biāo)系下定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈的估計(jì)值、 ，可得到觀測 器狀態(tài)方程 3 2 - - 3 5 ： 第二章p m s m 控制策略 二 o i l # 中r 8 = 匕 k b 印t 8 + l e l , o o 0 o 1 鷗 o o 洲一：麟：翻 其中：k = 醢三 ，上= ；：乏 ，為滑模切換函數(shù)參數(shù)矩陣； 4 ，= 一生。 鳴 。一生 吐 ， 4 2 =t 壺 。 。 一篇，。擊 ，鏟p 一小 如= 陵一 ；為電樞等效帆k 為等效定子馘t 為估計(jì)轉(zhuǎn)速，盯為 叫矧 s ， 將小b 坐標(biāo)系下定子電流的實(shí)際值和估算值進(jìn)行比較，滑模成分起負(fù)反饋?zhàn)?用，使估計(jì)值趨近于實(shí)際值；= 為滑模變結(jié)構(gòu)控制的切換面，即滿足滑?？?達(dá)性條件?；４嬖诘某湟獥l件l i m ! 0 ，等價(jià)為j j 0 ，將其展開得： s - + 0 講 西西= 一1 1 4 。9 砰+ q q o。( 2 2 4 ) 屯是= - 1 1 4 。8 + c 2 c 2 0 時(shí)，巧 0 ，v 負(fù)定，即v 0 ，則轉(zhuǎn)速估計(jì)值為： 二“ 怫= z ，【島s i g n ( i , 一幺) 一l q s i g n ( g 一0 ) ?！?( 2 - 3 2 ) 輸出變量轉(zhuǎn)子位置角由轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)值得到： 各：a r c t a n 孥( 2 - 3 3 ) 膻 第二章p m s m 控制策略 由( 2 3 2 ) 、( 2 3 3 ) 兩式可見，該滑模變結(jié)構(gòu)觀測器表達(dá)式簡單，易于理解， 其估算準(zhǔn)確性依賴于參數(shù)隊(duì)丫、k l 的調(diào)節(jié)。舢丫與電機(jī)參數(shù)相關(guān)，調(diào)節(jié)相對簡 單；而k 1 則是隨機(jī)參數(shù)，選取原則是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡量降低滑模 抖動(dòng)現(xiàn)象。 2 3 3 仿真實(shí)驗(yàn)分析 圖2 7 給出永磁同步電機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)圖，利用m a f l a b6 5 對其進(jìn)行 仿真分析。仿真參數(shù)設(shè)定如下：電機(jī)極對數(shù)為2 ，電機(jī)功率p = i 5 k w ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j = 2 7 4 6 8 e - 2 n i n 2 ，電樞電阻風(fēng)= o 6 7 q ，定子電感l(wèi) s = 0 0 6 1 8 h ，轉(zhuǎn)子磁勢t r - o 1 w b ， 漏磁系數(shù)6 - - 0 0 5 2 3 。 圖2 7p m s m 滑模變結(jié)構(gòu)控制結(jié)構(gòu)圖 矩陣k 中參數(shù)值k l 的選取對調(diào)速性能有重要影響。k 1 取值大，滑模成分作 用大，但抖振現(xiàn)象嚴(yán)重；k i 取值小則相反。仿真實(shí)驗(yàn)中通過反復(fù)調(diào)試，參數(shù)k 1 的取值范圍為：o 0 5 k i 一0 0 0 0 3 。當(dāng)k l 取值在- 0 0 5 附近時(shí)抖振現(xiàn)象明顯，k l 在0 0 0 0 3 附近時(shí)速度失控，電機(jī)無法正常工作。k t 值應(yīng)根