永磁同步電機的SVPWM仿真畢業(yè)設計

1、燕 山 大 學本科畢業(yè)設計（論文）終期報告課題名稱： 永磁同步電機 SVPWM控制及仿真 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 2011級自動化 學生姓名： 指導教師： 完成日期： 2015年3月 摘要永磁同步電機(PMSM)因其體積小、磁密度高、可靠性好以及對環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于工農業(yè)生產和航空航天等領域。而伴隨著這些領域的不斷發(fā)展，更高的調速精度、更大的調速范圍以及更快的響應速度成為永磁同步電機調速系統(tǒng)的迫切要求。本文研究永磁同步電機(PMSM)矢量控制系統(tǒng)。一方面，采用空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）算法，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，通過對坐標系轉換、SV

2、PWM逆變器、速度控制器等功能模塊的建立與組合，構建了PMSM控制系統(tǒng)的速度和電流雙閉環(huán)仿真模型及自適應模糊控制仿真模型。仿真結果證明了該系統(tǒng)模型具有很好的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。另一方面，提出了一種自適應模糊PI控制器,將模糊控制器與PI控制器結合在一起，利用模糊邏輯控制，并把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK有機結合起來，實現了PI控制器的在線自調整。進一步完善了PI控制器的性能，提高了系統(tǒng)的控制精度。仿真結果表明：該控制器達到了滿意的控制效果。關鍵詞：永磁同步電機；空間矢量脈寬調制；PI控制；模糊控制ABSTRACTPermanent Magnet Synchronou

3、s Motors (PMSM) are widely used in industrial and agricultural production and the field of Aeronautics and Astronautics for their advantages, such as compactness ,high efficiency, reliability and adaptability to the environment. Along with the continuous development of these areas, wider speed-regul

4、ating range and faster response.Vector control of PMSM was studied in the paper. For one thing, a novel method for modeling and simulation of PMSM system in MATLAB had been proposed. In MATLAB/SIMULINK, the independent functional blocks and such as vector controller blocks, hysteresis current contro

5、ller blocks and speed controller , etc., had been modeled. By the organic combination of these blocks, the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results. For another thing, in this paper a kind of

6、self-adaptive fuzzy PI control system is discussed, it uses fuzzy logic controller which is combined with PI controller and the organic combination of Fuzzy Toolbox and SIMULINK that makes the self-adaptive of PI controller possible. It perfects the properties of PI controller and improves the preci

7、sion of control system. The result of simulation indicated that the controller gives a good control performance.Key words: PMSM;SVPWM;PI controller;fuzzy control 第一章 緒論1.1本課題的研究意義及目的1.1.1本課題的研究意義 永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor）是指采用永磁磁鐵為轉子的同步電動機。永磁同步電機具有結構簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、

8、功率因數高等優(yōu)點，在工農業(yè)生產中，有大量的生產機械要求連續(xù)的以大致不變的速度運行，例如風機、泵、壓縮機、普通車床等。這類機械設備大量采用普通三相感應電動機驅動，但感應電動機的效率和功率因數較低，能源浪費厲害。隨著社會對節(jié)能的重視和國家對高效電機和永磁電機的推廣力度的加大，這些節(jié)能潛力大的設備都有被永磁電機和普通高效電機代替的需求。而這些機械采用永磁電機則可獲得比普通電機高得多的效率和功率因數。 在某些場合，負載率低，若采用普通電機，輕載時功率因數和效率低，經濟運行范圍窄，造成大量的電能浪費。若采用永磁電機，部分設備可適當的降低電機容量，可以實現高效、高功率因數和寬廣的經濟運行范圍，節(jié)約大量的電

9、能。在一些生產機械中，要求多臺電動機同步運行。普通電機的轉速和電源頻率之間沒有嚴格的固定關系，隨著負載的變化而變化，即使是同一廠家生產相同規(guī)格的感應電動機，其轉速也有一定的差別，難以保證多臺電動機以相同的轉速運行。永磁同步電動機的轉速與電源頻率之間有嚴格的固定關系，只要多臺電動機的供電電源頻率和電動機極對數相同，就可以方便的實現同步運行。這在某些紡織設備上已得到很好的推廣。既節(jié)約了能源，又能很方便的實現電動機同步運行。這對于國家提出的節(jié)能減排政策和國家社會主義現代化建設具有最要意義。1.1.2 課題目的 本課題以永磁同步電機為被控對象，設計了兩種控制器，即傳統(tǒng)的線性PI控制器和自適應的模糊控制

10、策略。永磁同步電動機的矢量控制可以獲得很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設計對系統(tǒng)的性能起主要作用。線性PI控制器的主要組成部分為比例積分環(huán)節(jié)，積分控制器的輸出與輸入偏差對時間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關，而且還與偏差存在的時間有關。只要偏差存在，輸出就會不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。恢钡狡顬榱?，累積才會停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無差控制規(guī)律。在串聯校正時，PI控制器相當于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于s左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的

11、穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負實零點則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能產生的不利影響。只要積分時間常數足夠大，PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱，在控制工程中，PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。永磁同步電機本身的參數(如電機的轉子電流和拖動負載的參數）可能在某些應用場合會隨工作情況而變化;同時，交流電機本身實質上是一個非線性的被控對象。控制對象的參數變化與非線性特性，使得線性的常參數的PID調節(jié)器常常顧此失彼，為了使永磁同步電機能夠在更惡劣的環(huán)境下運行，本課題又在完成課題任務的基礎上增加了模糊控制。 模糊控制具有如下優(yōu)點： (1)使用語

12、言方法, 可不需要過程的精確數學模型; (2)魯棒性強, 適于解決過程控制中的非線性、強耦合時變、滯后等問題;  (3)有較強的容錯能力。具有適應受控對象動力學特征變化、環(huán)境特征變化和動行條件變化的能力; (4)操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯系, 這些模糊條件語句容易加到過程的控制環(huán)節(jié)上。1.2 永磁同步電機及電機調速概述同步電機的特點是其轉速與電源頻率保持嚴格的同步關系，只要電源頻率不變，同步電動機的轉速就保持不變，與負載大小無關。此外，通過改變勵磁電流就可以調節(jié)同步電機的功率因數，若使其工作在容性狀態(tài)下向電網輸送超前無

13、功，則可改善電網的功率因數。但是，同步電機也存在啟動困難和重載時失步的缺點，這一問題在很大程度上限制了它的應用領域。由于電力電子技術的迅速發(fā)展，各種容量和形式的變頻電源、整流裝置的研制成功以及計算機技術、控制理論的發(fā)展，使同步電機調速系統(tǒng)的發(fā)展呈現了嶄新的局面。變頻裝置作為同步電動機的軟啟動設備解決了同步電動機啟動困難的問題；以微處理器為核心的轉速和頻率的閉環(huán)控制，又解決了同步電動機的失步問題。這兩個問題的解決從根本上改變了同步電動機在調速系統(tǒng)這一領域的地位。小功率的永磁同步電機，由于變頻電源供電，從而組成了新一代的交流伺服系統(tǒng)。在機器人和數控機床等領域也越來越顯示出它的優(yōu)越性。因而永磁同步電

14、機的控制系統(tǒng)也逐步成為該領域的研究熱點。1.2.1 永磁同步電機的發(fā)展概述永磁同步電機是交流驅動系統(tǒng)以永磁同步電機為驅動電機的設備，它以永磁體替代電勵磁電機的勵磁繞組。永磁同步電機出現于20世紀50年代，它的運行原理與普通電激磁同步電機相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機結構簡單。永磁同步電機省略了普通同步電機所特有的集電環(huán)和電刷，提高了電機運行的可靠性。由永磁體激磁，無須激磁電流，因而提高了電機的效率和功率因數。20世紀60到80年代，稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁的相繼問世，把永磁同步電機的發(fā)展推入了一個新的歷史時代。尤其是近年來高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開發(fā)以及電力電子元件的進

15、一步發(fā)展和改進，稀土永磁同步電機的研究開發(fā)在國內外又進入了一個新的時期，在理論研究和應用領域都將產生質的飛躍。它與電力電子技術和微電子控制技術相結合，可以制造出許多新型的、性能優(yōu)異的機電一體化產品和裝備，代表了21世紀電機發(fā)展方向。目前，永磁同步電機朝著高效節(jié)能、機電一體化、高性能、專用電機和輕型化方向發(fā)展。1.2.2 電機調速系統(tǒng)電氣傳動系統(tǒng)是由控制部分、功率部分和電動機三大要素組成的一個有機整體。各部分可以相互組合而構成多種電氣傳動系統(tǒng)。雖然調速系統(tǒng)在電流形式分為直流調速和交流調速兩類，但在交流調速系統(tǒng)中，異步電動機調速系統(tǒng)和同步電動機調速系統(tǒng)已發(fā)展為兩類主要的調速系統(tǒng)。目前已形成直流電動

16、機、異步電動機和永磁同步電動機三大類的調速系統(tǒng)。異步電動機調速系統(tǒng)包括轉差功率消耗型、轉差功率饋送型和轉差功率不變型；而同步電機轉差恒等于零即無轉差功率，所以只有無轉差不變型的變壓變頻調速系統(tǒng)。直流電動機具有調速優(yōu)良，數學模型簡單，轉矩易于控制的優(yōu)點。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。也正是由于這個特點使得直流電動機存在著不可避免的缺陷：機械換向器和電刷造價偏高；維護困難；使用環(huán)境受限；壽命短；在容量發(fā)展上受限制。直到1960年，晶閘管研制成功，開創(chuàng)了電力電子技術發(fā)展的新時代。隨著電力電子技術的發(fā)展，使得采用半導體開關器件的交流調速系統(tǒng)得以實現。交流電動機的調速系統(tǒng)不但調速性

17、能可以與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美，而且和直流電動機相比還具有結構簡單、堅固耐用、體積小、轉動慣量小、價格低廉、重量輕、動態(tài)響應好、維護費用低，可靠性高的優(yōu)點。新型電力電子技術器件和脈寬調制（PWM）技術等科學技術的發(fā)展推動了永磁同步電機的廣泛應用。現代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術是主要使用的變換器控制技術，常用的PWM控制技術有：基于正弦波對三角波脈寬調制SPWM控制；基于消除指定次數諧波的HEPWM控制；基于電流環(huán)跟蹤的CHPWM控制；電壓空間矢量控制SVPWM控制。在以上的4種PWM變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標，第4種則以

18、被控電機的算法簡單，因此目前應用最廣。永磁同步電機有以下幾種控制方式： (1)控制。定子電流中只有交流分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體空間矢量正交，電機的輸出轉矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機，控制系統(tǒng)簡單，轉矩性能好，可以獲得很寬的調速范圍，適用于高性能的數控機床和機器人等場合。電機運行功率因數低，電機和逆變器不能夠充分利用。 (2)控制?？刂平恢陛S電流分量，保持永磁同步電機的功率因數為1，的條件下，電機的電磁轉矩隨電流的增加呈現先增加后減小的趨勢。這種方法可以充分利用逆變器的容量，不足之處在于輸出的電磁轉矩小。 (3)最大轉矩/電流比控制，也成為單位電流輸出最大轉矩控制（最優(yōu)轉矩

19、控制）。它是凸極永磁同步電機用的較多一種電流控制策略。當輸出轉矩一定時，逆變器的輸出電流最小，可以減小電機的銅耗。永磁同步電機本身具有非線性、強耦合和時變性，加上系統(tǒng)運行時還會受到不同程度的干擾，使得常規(guī)的控制策略很難滿足高性能永磁同步電機伺服系統(tǒng)的控制要求。隨著控制理論的不斷發(fā)展，特別是智能控制的不斷發(fā)展和成熟，如基于人工智能的專家系統(tǒng)（ExpertSystem）；基于模糊集合理論（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經網絡（Artificia1NeuraNetwork）的神經控制等，使控制系統(tǒng)在模型和參數變化時保護良好的控制性能，大大提高了調速系統(tǒng)的性能。1.3 本課題的主要工作

20、本文主要的研究工作是根據電壓空間矢量脈寬調制原理以及坐標變換模塊、SVPWM模塊以及整個PMSM閉環(huán)矢量控制仿真模型，使用MATLAB軟件建立仿真模型結構圖和觀測仿真結果，永磁同步電機的仿真模型采用電流環(huán)和轉速環(huán)的雙閉環(huán)控制。仿真模型分別采用兩種控制器，即線性PI控制器和自適應的模糊控制。線性PI控制器主要是根據永磁同步電機的參數，利用相關算法設計出模型中P和I的數值，以使系統(tǒng)穩(wěn)定。自適應的模糊控制主要是對其速度環(huán)進行智能設計。在分別研究永磁同步電動機模糊自整定PID控制的基礎上，最終設計永磁同步電機的自適應模糊控制方法。研究的過程主要是根據相關文獻資料和學術論文，利用MATLAB中的SIMU

21、LINK建立仿真模型進行仿真。論文的主要研究內容如下：(1) 在研究永磁同步電機數學模型和矢量控制原理的基礎上，根據電壓空間矢量脈寬調制原理以及坐標變換模塊、SVPWM模塊制定的矢量控制方案，采用仿真軟件MATLAB中的SIMULINK搭建系統(tǒng)仿真模型(2) 研究線性PI控制在永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中的應用。其中，最主要的是設計PI控制器，線性PI控制器的主要設計步驟為: 將設計好的PI控制器作為已搭建好的系統(tǒng)仿真模型中的速度調節(jié)器和電流調節(jié)器對整個系統(tǒng)進行仿真，驗證線性PI控制在永磁同步電機矢量控制中的可行性。(3) 研究自適應模糊控制在永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中的應用，設計自適

22、應模糊控制，將研究的主要內容是設計模糊控制器，該控制器利用模糊控制規(guī)則，相當于一個模糊關系存貯器。最后通過仿真實驗證實這種方法的可行性。第二章 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng) 由于稀土永磁材料具有很高的剩磁密度和很大的矯頑力，由此做成的永磁轉子在電動機內所需空間小，且它的導磁系數與空氣導磁系數相近，對于徑向結構的電動機交軸和直軸磁路磁阻均較大，可大大減少電樞反應。因此，永久磁鐵勵磁的同步電機具有體積小、重量輕、效率高、轉子無發(fā)熱問題、控制系統(tǒng)較異步電動機簡單等特點。本章首先簡要敘述了永磁同步電動機的基本結構和主要分類，然后對其數學模型進行了分析，給出了永磁同步電機的運動方程等，從而為對其進行矢量控制

23、奠定了理論基礎。2.1 永磁同步電機的結構和分類 和普通同步電動機一樣，永磁同步電動機也是由定子和轉子兩大部分組成。電機定子由定子鐵心(由沖有槽孔的硅鋼片壓疊而成)、定子繞組(在鐵心槽中嵌放三相電樞繞組)。轉子通常由軸、永久磁鋼及磁扼等部分組成，其主要作用是在電動機的氣隙內產生足夠的磁感應強度，與通電后的定子繞組互相作用產生轉矩以驅動自身運轉。 永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波。這樣就造成兩種同步電動機在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成

24、的永磁同步電動機交流調速系統(tǒng)，習慣上又把正弦波永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機（PMSM）調速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機組成的調速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機（BLDCM）調速系統(tǒng)。  永磁同步電動機轉子磁路結構不同，則電動機的運行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據永磁體在轉子上的位置的不同，永磁同步電動機主要可分為：表面式和內置式。在表面式永磁同步電動機中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，這種電機的重要特點是直、交軸的主電感相等；而內置式永磁同步電機的永磁體位于轉子內部，永磁體外表面與定

25、子鐵心內圓之間有鐵磁物質制成的極靴，可以保護永磁體。這種永磁電機的重要特點是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機的性能有所不同。2.2 永磁同步電機的數學模型永磁同步電機在不同坐標系上數學模型的表達式是不同的。在研究永磁同步電機數學模型前，先對其作如下假設：(1) 電動機三相繞組完全對稱；(2) 電動機氣隙磁通在空間按正弦分布；(3) 不計渦流、磁飽和等因素的影響；(4) 轉子上無阻尼繞組。 在這些假設的基礎上，我們建立d-q軸數學模型，它不僅可以用于分析PMSM的穩(wěn)態(tài)運行性能，也可用于分析永磁同步電動機的瞬態(tài)性能。d-q同步旋轉坐標系是一個二相旋轉直角坐標系，它的d軸可按不同方向定向，其

26、q軸逆時針超前d軸空間電角度，該坐標系在空間以定子磁場的同步角速度(也就是轉子磁場的同步角速度)旋轉，站在d-q同步旋轉坐標系上再來看交流電動機各量，這些交流物理量就為直流量了。由于轉子磁通恒定，永磁同步電機調速系統(tǒng)常采用轉子磁場定向的矢量控制技術，即將兩相旋轉坐標系的d軸在轉子磁鏈方向上，其矢量圖如圖2-1所示 q d 圖2-1永磁同步電機時的矢量圖在轉子d-q坐標系下，永磁同步電機的定子電壓方程為 式中、為定子電壓矢量的d、q軸分量，為轉子角頻率，p為微分算子。永磁同步電機定子磁鏈方程為 式中，、為永磁同步電機的直軸、交軸主電感，、為定子電流矢量的直軸、交軸分量。轉矩方程為 在基速以下恒轉

27、矩運行區(qū)中，常采用定子電流矢量位于q軸且全部用于產生轉矩的控制方式，即，。此時轉矩方程變?yōu)?由于轉子為永磁結構，為常數，轉矩僅與定子電流的幅值成正比，類似于直流電動機，實現了解耦控制。只要控制好定子電流的幅值，就會得到滿意的轉矩控制特性。2.3 坐標系與坐標變換 由于是空間矢量來描述永磁同步電機的坐標系，因此坐標變換稱為矢量坐標變換。永磁同步電機的變換主要有三種，即三相靜止坐標系變換到二相靜止坐標系，或二相靜止坐標系變換到三相靜止坐標系；由二相靜止坐標系變到二相旋轉坐標系，或者由二相旋轉坐標系變換到二相靜止坐標系；由直角坐標系到極坐標系的相互變換。確定電流變換矩陣時，應遵守變換前后所產生的旋轉

28、磁場等效的原則。電動機是機電能量轉換裝置，氣隙磁場是機電能量轉換的樞紐。氣隙磁場是由電動機氣隙合成磁勢決定的，而合成磁勢是由各繞組中的電流產生的，只有遵守變換前后氣隙中旋轉磁場相同的原則，所確定的電流變換矩陣才是確定的。確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣，應遵守變換前后電機功率不變的原則。在確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時，只要遵守變換前后電機的功率不變原則，則電流變換矩陣與電壓變換矩陣、阻抗變換矩陣之間必存在著確定的關系。這樣就可以從已知的電流變換矩陣來確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣。所謂相變換就是三相軸系到二相軸系或二相軸系到三相軸系的變換，表示為3S/2S變換或2S/3S變換。相變換的作用是

29、用一個對稱的二相電機代替一個對稱的三相電機或用一個對稱的三相電機代替一個對稱的二相電機。所謂對稱是指定、轉子各繞組分別具有相同的匝數以及相同的阻抗。三相電流變換為二相電流(3S/2S)的關系為 二相電流變換為三相電流(2S/3S)的關系為 當定子三相繞組為星形接法時，有 則有寫成矩陣形式得到三相/二相變換公式為 將上式逆變換可得二相/三相變換公式為 將上述兩式表示成變換器模型結構圖為3S/2S圖2-2 3S/2S變換器符號表示所謂矢量旋轉變換就是交流二相、繞組和直流二相M、T繞組之間電流的變換，它是一種靜止的直角坐標系與旋轉的直角坐標系之間的變換。二相旋轉坐標系到二相靜止坐標系的矩陣形式為 二

30、相靜止坐標系到二相旋轉坐標系的逆變換關系為 同理，電壓和磁鏈的旋轉變換也與電流旋轉變換相同。2.4 永磁同步電機矢量控制2.4.1 永磁同步電機矢量控制原理 任何電力拖動系統(tǒng)都服從于基本運動方程式 式中，為電動機的電磁轉矩，為負載轉矩，為轉動慣量，n為電動機的轉速。由此知道，如果能快速準確地控制電磁轉矩，那么調速系統(tǒng)就具有較高的動態(tài)性能，因此，調速系統(tǒng)能好壞的關鍵是對電磁轉矩的有效控制。晶閘管供電的轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電機的電磁轉矩就可以靈活地進行控制，因為直流電動機電磁轉矩中的兩個控制量磁通和電樞電流在空間位置上相互正交，

31、和相互獨立無耦合，可分別進行控制。交流電動機的電磁轉矩與磁通、轉子電流、轉子功率因數有關；磁通由定、轉子磁勢共同產生；另外磁通、轉子電流等相互耦合，互不獨立。1971年德國學者Blaschke等人提出的矢量變換控制原理實現了交流電機模仿直流電動機的轉矩控制。目前對永磁同步電動機的控制技術主要有磁場定向矢量控制技術(Field Orientation Control,FOC)與直接轉矩控制技術(Direct Torque Control,DTC)。經典的直接轉矩控制是在定子靜止坐標系中針對電動機定子磁鏈和電動機轉矩實施獨立控制通過在適當的時刻選擇適合的電壓空間矢量來實現兩者近似解耦的控制效果。為

32、配合該控制方法，定子磁鏈與電動機轉矩的兩個調節(jié)器不再選用PI調節(jié)器而是采用具有繼電器特性的砰砰調節(jié)器?？刂葡到y(tǒng)具有較強的非線性特征，但是系統(tǒng)的響應非?？焖伲梢猿浞职l(fā)揮電壓型逆變器的開關能力。砰砰調節(jié)器意味著必須有脈動才可以進行閉環(huán)調節(jié)，所以在相近的開關頻率下，直接轉矩控制系統(tǒng)的被控量呈現出較大的脈動分量，并且在某些工況下會出現一些低頻轉矩分量。磁場定向矢量控制技術的核心是在轉子磁場旋轉坐標系中針對激磁電流和轉矩電流分別進行控制，并且采用的是經典的PI線性調節(jié)器，系統(tǒng)呈現出良好的線性特性，可以按照經典的線性控制理論進行控制系統(tǒng)的設計，逆變器的控制采用了較成熟的SPWM、SVPWM等技術。磁場定

33、向矢量控制技術較成熟，動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較佳，PMSM矢量控制系統(tǒng)結構框圖如圖2-3所示。圖2-3 永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)框圖 永磁同步電動機在轉子坐標系中的轉矩公式為 從中可以看出電動機轉矩分為兩個部分：其一為永磁體產生的磁鏈與定子電流轉矩分量作用后產生的永磁轉矩；其二為轉子的凸極結構使得定子電流勵磁分量與轉矩分量產生的磁阻轉矩。這兩部分轉矩都與定子電流轉矩分量成正比，也就是說，可以通過控制定子電流轉矩分量的大小來控制電動機的轉矩，這一電流與直流電動機的電樞電流對應，因此永磁同步電動機的轉矩控制可以轉化為定子電流轉矩分量的控制。另一方面，定子電流的勵磁分量會影響電動機定子磁鏈的大小，可以通過

34、它產生弱磁升速的效果，這一點與直流電動機的勵磁電流類似。所以永磁同步電動機與直流電動機存在著很大的相似性?？刂葡到y(tǒng)中兩個電流閉環(huán)分別控制和，讓它們跟蹤給定的，這樣就可以實現電動機的磁場和轉矩的獨立控制，可以實現與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美的調速性能。根據轉矩公式可以看出，永磁同步電動機輸出同一個轉矩時存在不同的轉矩電流與勵磁電流的組合，這樣就存在不同的電流控制策略。本課題采用的是=0控制。=0時，從電動機端口看，永磁同步電動機相當于一臺他勵的直流電機，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁動勢空間分量正交，電動機轉矩中只有永磁轉矩分量，其大小為。因為電磁轉矩僅僅依賴于交軸電流，從

35、而實現了轉矩表達式中的交、直軸電流解耦。這種控制方法最為簡單，但其缺點在于隨著輸出轉矩的增大，漏感壓降增大，功率因數降低；由于未有弱磁電流，所以電動機的調速范圍有限。 在=0的控制方式下電動機轉矩中只有永磁轉矩分量，其磁鏈和轉矩都可以簡化為： 在=0的矢量控制方式下，則可得到狀態(tài)方程可寫為： 式中為電機極對數，為轉子永磁體產生的磁鏈，為電動機轉動慣量，為定子電阻，為dq0坐標系下的自感，為負載轉矩。上式即為永磁同步電動機的解耦方程，在輸入電壓為和輸出轉子轉速為的情況下，可以得到永磁同步電動機的等效框圖。圖2-4 永磁同步電動機等效框圖2.4.2 空間矢量脈寬調制(SVPWM)SVPW

36、M是空間電壓矢量 PWM波產生，它具有電壓利用率高、低諧波成分、開關次數少和功率管功耗小等特點。同時，SVPWM 還能很好的結合矢量控制算法，為矢量控制得實現提供很好的途徑，以最大限度的發(fā)揮設備的性能。SVPWM主要是使電機獲得幅值恒定的圓形磁場，當電機通以三相對稱的正弦電壓時，交流電機內產生圓形磁場并以此磁場為基準，通過逆變器功率器件的不同開關模式產生有效矢量來逼近基準園，并產生三相互差120電角度的接近正弦波的電流來驅動電機。本文主要用的是三相空間電壓矢量控制：基于固定開關頻率的電流控制，即使同步旋轉坐標系軸系中的電流調節(jié)器輸出空間電壓矢量指令，再用SVPWM策略使電壓型整流器跟蹤電壓矢量

37、指令，從而達到控制電流的目的。第三章 永磁同步電動機的雙閉環(huán)PI調速系統(tǒng)及參數設計在閉環(huán)負反饋系統(tǒng)中，當以調節(jié)器為核心的閉環(huán)多于一個時，我們稱其為多環(huán)系統(tǒng)。常見的多環(huán)系統(tǒng)有轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)、帶電流變化率內環(huán)和帶電壓內環(huán)的三環(huán)調速系統(tǒng)。尤其以轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)最為典型。本課題采用的是轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級聯接。這就是說，把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內環(huán)；轉速調節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣

38、就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。3.1 PI調節(jié)器PI控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的，其原理圖如圖3-1。 圖3-1 PI控制系統(tǒng)原理圖PI控制器傳遞函數常見的表達式有以下兩種：(1) ，；(2) ，為比例增益，為積分時間常數。這兩種表達式并無本質區(qū)別，在不同的仿真軟件和硬件電路中也都被廣泛采用。比例（P，Proportion）控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，能及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，調節(jié)器立即產生控制作用，以減少偏差。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state 

39、error）。在積分（I，Integral）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti

40、，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。3.2 PI調節(jié)器的參數設計永磁同步電機電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種多環(huán)系統(tǒng),設計多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是:從內環(huán)開始逐步向外擴大,一環(huán)一環(huán)地進行設計。先從電流環(huán)入手,設計好電流調節(jié)器,然后把電流環(huán)看作是速度調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設計速度環(huán),因此首先考慮進行電流環(huán)的設計實現。電流環(huán)的作用是:提高系統(tǒng)的快速性,抑制電流環(huán)內部干擾,限制最大電流以保障系統(tǒng)安全運行。速度環(huán)的作用是:增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力,抑制速度波動。下面分別論述電流環(huán)和速度環(huán)調節(jié)器的設計。3.2.1 電流環(huán)調節(jié)器的參數設計相對速度環(huán)而言,電流內環(huán)一般只與PWM逆變器和電機參數有關,不受外部負

41、載變化的影響,所以電流環(huán)有固定的結構,如圖3-2所示,電流環(huán)的參數可以按一定方法計算。圖3-2 電流環(huán)的傳遞函數 上圖中，是電流PI調節(jié)器的傳遞函數,是電流PI調節(jié)器比例系數,是調節(jié)器積分時間常數,通常在數字實現中寫成比例和積分分開的形式： 式中，為積分系數，。在圖3-2中,電流環(huán)的控制對象為:PWM逆變器和電機的電樞回路。PWM逆變器一般可以看成具有時間常數(=1/,為逆變器開關管的工作頻率)的一階慣性環(huán)節(jié)。電機的電樞回路有電阻R、電感L,也可以看成一階慣性環(huán)節(jié)。是電感時間常數(等于L/R,此處L,R為電機的電感和電阻,對永磁同步電機來說是電機定子電感和電阻,對異步電機來說是定子漏感和定子電

42、阻),=1/R,反映了穩(wěn)態(tài)時坐標下電機電壓和電流的比例關系。表示逆變器的放大倍數,而是開關周期,代表逆變器的延時。是電流反饋通道的濾波時間常數,為電流反饋的放大倍數。圖3-2中的開環(huán)傳遞函數寫成傳遞函數形式為： 式中,一般而言,電感時間常數遠大于濾波時間常數和開關周期。逆變器的放大倍數定義為實際輸出電壓和與給定電壓的比值,在數字控制中,采用SVPWM控制時,逆變器輸出電壓與給定電壓相等,因此=1。電流反饋值采用數字AD采樣值,反饋值代表了電流的實際值,因此放大倍數=1。按照調節(jié)器的工程設計方法,選擇電流調節(jié)器的零點對消被控對象的大時間常數極點,即: 所以上式可以寫為： 由于和都是小時間常數,可

43、用一個時間常數為的一階環(huán)節(jié)代替這兩個慣性環(huán)節(jié),等于和之和,于是電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數可簡化為一個典型型系統(tǒng)： 式中，。這時,對應的電流閉環(huán)傳遞函數為一個典型二階系統(tǒng)： 式中，。按照二階系統(tǒng)最優(yōu)的指標,令=0.707,則可算出相應的環(huán)路增益K=1/(2),再根據各環(huán)節(jié)的放大倍數,即可確定增益。又因為等于,所以電流控制器的參數就確定了,即： 3.2.2 速度環(huán)調節(jié)器的設計在系統(tǒng)中交軸電流控制環(huán)是速度環(huán)的內環(huán),因此設計速度環(huán)首先要得到控制環(huán)的閉環(huán)傳遞函數,然后將其作為轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)再進行速度環(huán)的設計。由于轉速環(huán)的截止頻率一般較低,因此電流環(huán)傳遞函數可去掉高次項降階近似為 是轉速反饋濾波環(huán)節(jié),在轉速

44、給定路徑上也加上這樣一個環(huán)節(jié),移到環(huán)內得到速度環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖,如圖3-3所示。圖3-3 速度環(huán)結構圖 速度環(huán)一般校正成典型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數為以下形式: 速度環(huán)的前向通道已經有兩個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié),因此速度調節(jié)器也采用PI調節(jié)器,即: 式中:為速度調節(jié)器比例系數;為調節(jié)器積分時間常數?？紤]到和2都很小,因此可將兩個小慣性環(huán)節(jié)合成一個慣性環(huán)節(jié),即用替代,其時間常數為 將轉速環(huán)校正成典型型系統(tǒng),系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 按照典型型系統(tǒng)設計,根據典型型系統(tǒng)設計參數公式: 式中,為中頻帶寬,它的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能指標有關,越大,超調量越小,但調節(jié)時間并不是單調的,由于當=5時調節(jié)時間最短,動

45、態(tài)響應最快,因此選擇=5為好。為轉矩常數,定義為額定轉矩與額定電流的比值,即。帶入數據可以求得和數值。 至此,通過典型系統(tǒng)的工程設計法,系統(tǒng)的電流環(huán)和轉速環(huán)的調節(jié)器都設計出來了。按照上述方法對控制系統(tǒng)進行校正后可以使電動機的實際電流跟蹤定子電流給定信號。第四章 自適應模糊控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)的自動控制，包括經典理論和現代控制理論中有一個共同點，即控制器的綜合設計都要建立在被控對象準確的數學模型的基礎上，但是在實際工業(yè)生產中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復雜，建立精確的數學模型特別困難，甚至是不可能的。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制不用建立數學模型，根據實際系統(tǒng)的輸入輸出結果數

46、據，參考現場操作人員的經驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制。模糊控制實際是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制有以下突出特點：1 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它直接采用語言型控制規(guī)則，其依據是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受，設計簡單，便于應用。2 由工業(yè)過程的定性認識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握的對象非常適用。3 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設計方法，由于出發(fā)點和性能指標的不同，容易導致較大差異；但一個系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對的獨立性，利用這些控制規(guī)律間的

47、模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。4 模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統(tǒng)的適應能力，使之具有一定的智能水平。5 模糊控制系統(tǒng)的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時變及純滯后系統(tǒng)的控制。4.1 模糊控制的基本概念設U為某些對象的集合，稱為論域，可以是離散的或連續(xù)的；u表示U的元素，記作。定義4.1 模糊集合(fuzzy sets) 論域U到區(qū)間的任一映射，即：，都確定U的一個模糊子集F；稱為F的隸屬函數(membership function)或隸屬度(grade of membe

48、rship)。也就是說，屬于模糊子集F的程度或等級。在論域U中，也可把模糊子集表示為元素u與其隸屬函數的序偶集合，記為： 若U為連續(xù)，則模糊集F可記作： 若U為離散，則模糊集F可記為： 定義4.2 模糊支集、交叉點及模糊單點 如果模糊集是論域U中所有滿足的元素u構成的集合，則稱為該集合為模糊集F的支集。當元素u滿足=0.5時，稱為交叉點。當u滿足時，則稱為此模糊集為模糊單點。定義4.3 模糊集的運算 設A和B為論域U中的兩個模糊集，其隸屬函數分別為,則對于所有，存在下列運算：(1) A與B的并記為，其函數定義為： (2) A與B的交記為, 其函數定義為： (3)A的補記為，其隸屬函數定義為：

49、定義4.4 直積(笛卡爾乘積，代數積) 若分別為論域中的模糊集合，則這些集合的直積是乘積空間中的一個模糊集合，其隸屬函數為： 定義4.5 模糊關系 若是兩個非空模糊集合，則其直積中的一個模糊子集R稱為從U到V的模糊關系，可表示為： 定義4.6 復合關系 若R和S分別為和中的模糊關系，則R和S的復合是一個從U到W的模糊關系，記為： 其隸屬函數為： 式中的*號可為三角范式內的任意一種算子，包括模糊交、代數積、有界積和直積等。定義4.7 語言變量 一個語言變量可定義為多元組。其中，為變量名；為的詞集，即語言值名稱的集合；U為論域；G為產生語言值名稱的語法規(guī)則；M為與各語言值含義有關的語法規(guī)則。語言變

50、量的每個語言值對應一個定義在論域U中的模糊數。語言變量基本詞集把模糊概念與精確值聯系起來，實現對定性概念的定量化以及定量數據的定性模糊化。例如，某工業(yè)窯爐模糊控制系統(tǒng)，把溫度作為一個語言變量，其詞集(溫度)可為：4.2 基本的模糊控制在理論上，模糊控制器由N維關系R表示。關系R可視為受約于區(qū)間的N個變量的函數。是幾個N維關系的組合，每個代表一條規(guī)則：?？刂破鞯妮斎氡荒：癁橐魂P系X，對于多輸入單輸出(MISO)控制時X為(N-1)維。模糊輸出Y可應用合成推理規(guī)則進行計算。對模糊輸出Y進行模糊判決(解模糊)，可得精確的數值輸出y。圖4-1表示具有輸入和輸出的理論模糊控制器原理示意圖。由于采用多維

51、函數來描述X、Y和R，所以，該控制方法需要許多存儲器，用于實現離散逼近。圖4-1 模糊控制原理示意圖 圖4-2給出模糊邏輯控制器的一般原理框圖，它由輸入定標、輸出定標、模糊化、模糊決策和解模糊等部分組成。比例系數(標度因子)實現控制器輸入和輸出與模糊推理所用標準時間間隔之間的映射。模糊化(量化)使所測控制器輸入在量綱上與左側信號(LHS)一致。這一步不損失任何信息。模糊決策過程由推理機來實現；該推理機使所有LHS與輸入匹配，檢查每條規(guī)則的匹配度，并聚集各規(guī)則的加權輸出，產生一個輸出空間的概率分布值。模糊判決把這一概率分布歸納于一點，供驅動器定標后使用。 圖4-2 模糊邏輯控制器的一般原理框圖

52、模糊控制系統(tǒng)的原理結構如圖4-3所示。其中，模糊控制器由模糊化接口、知識庫、推理機和模糊判決接口四個基本單元組成。它們的作用說明如下。圖4-3 模糊控制系統(tǒng)的工作原理 (1)模糊化接口。測量輸入變量(給定輸入)和受控系統(tǒng)的輸出變量，并把它們映射到一個合適的響應論域的量程，然后，精確的輸入數據被變換為適當的語言值或模糊集合的標識符。本單元可視為模糊集合的標記。(2)知識庫。涉及應用領域和控制目標的相關知識，它由數據庫和語言控制規(guī)則庫組成。數據庫為語言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數提供必要的定義。語言控制規(guī)則標記控制目標和領域專家的控制策略。(3)推理機。這是模糊控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎，

53、模糊控制信息可通過模糊蘊含和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實現擬人決策過程。根據模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關系方程，獲得模糊輸出。(4)模糊判決接口。起到模糊控制的推斷作用，并產生一個精確的或非模糊的控制作用。此精確控制作用必須進行逆定標，這一作用是在對受控過程進行控制之前通過量程變換實現的。4.3 模糊控制器的結構在確定性自動控制系統(tǒng)中，通常將具有一個輸入變量和一個輸出變量(即一個控制量和一個被控量)的系統(tǒng)稱為單變量系統(tǒng)(Single Input Single Output,簡稱為SISO)，而將多余一個輸入/輸出變量的系統(tǒng)稱為多變量控制系統(tǒng)(Multiple Input Mu

54、ltiple Output,簡稱MIMO)。在模糊控制系統(tǒng)中，也可以類似的分別定義“單變量模糊控制系統(tǒng)”和“多變量模糊控制系統(tǒng)”。所不同的是模糊控制系統(tǒng)往往把一個控制量(通常是系統(tǒng)輸出量)的偏差、偏差變化以及偏差變化率作為模糊控制器的輸入。因此，從形式上看，這時輸入量應該是3個，但是人們也習慣稱為單變量模糊控制系統(tǒng)。下面以單輸入單輸出模糊控制器為例，給出幾種結構形式的模糊控制器，如圖4-4。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對象，由于這種控制器輸入變量只選取一個誤差，它的動態(tài)控制性能不佳。所以，目前廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。 圖4-4模糊控制器的結構 4.4 自適應模糊控制 70年代以來，由于空間技術、機器人控制和過程控制的需要，尤其是微計算機技術的迅猛發(fā)展，自適應控制理論和設計方法獲得了迅速的發(fā)展，它已經成為現代控制理論中的一個重要研究領域。自適應控制器必須同時具備兩個功能：(1) 根據被控過程的運行狀態(tài)給出合適的控制量，即控制功能；(2) 根據給出的