石油鉆機(jī)用永磁同步電機(jī)魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計

前言隨著社會發(fā)展，生活、工作上消耗的各類能源越來越大，而在這之中,石油占據(jù)了所用能源之首，雖然現(xiàn)在有很多新興能源，單頁無法撼動石油的地位。石油鉆機(jī)則是用來對石油進(jìn)行先前勘探以及后續(xù)開發(fā)的設(shè)備。石油鉆機(jī)是一個成套的設(shè)備，共有八大系統(tǒng)，它主要由各大系統(tǒng)和配套的設(shè)備所組成。本文則是對石油鉆機(jī)的驅(qū)動電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計.根據(jù)鉆井機(jī)械工藝對驅(qū)動電機(jī)的要求，系統(tǒng)達(dá)到期望轉(zhuǎn)速并且能夠穩(wěn)定運行，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載干擾或外部未知擾動時系統(tǒng)仍能保持轉(zhuǎn)速不變，因此將作為石油鉆機(jī)的驅(qū)動設(shè)備。21世紀(jì)是一個被科學(xué)占領(lǐng)的世紀(jì)，人們對系統(tǒng)性能要求越來越高，并且更偏向于好的系統(tǒng)，也不會因為價格望而卻步，像手機(jī)、汽車等等。例如說控制系統(tǒng)，它的魯棒性就要要求嚴(yán)格，但是傳統(tǒng)的控制已經(jīng)不能夠滿足各界的要求。所以對控制器加以替換希望得到比控制還要好的系統(tǒng)。而將作為控制器是目前較為普遍的方法。因為的算法更容易理解快速性，靜差率等一系列特點。但系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定對系統(tǒng)有很大影響，主要體現(xiàn)在快速性和穩(wěn)定性上，當(dāng)速度足夠快時，系統(tǒng)的超調(diào)相應(yīng)的也會變大，相應(yīng)的當(dāng)超調(diào)足夠小，將近為零時，快速性又太小，二者存在很大的矛盾性。同時，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速改變時，參數(shù)并不能適應(yīng)，也要做出相應(yīng)的改變。然而，在本文中應(yīng)用的電機(jī)為，而在結(jié)構(gòu)，調(diào)速，和強(qiáng)耦合上比其他電機(jī)具有優(yōu)勢。并且是較強(qiáng)耦合性的非線性系統(tǒng)，會工作在干擾較大的惡劣環(huán)境中，所以綜上所述，對的控制，如果要提高系統(tǒng)性能，則需要設(shè)計一個先進(jìn)的算法來提高性能。在本文中則采用和來代替控制，提高系統(tǒng)魯棒性?；诘奶攸c，越來越多的控制方法應(yīng)用到了的控制中，文獻(xiàn)[3]就提出了一種改進(jìn)型轉(zhuǎn)矩模型預(yù)測控制方法，通過無差拍預(yù)測原理實現(xiàn)在線預(yù)測，構(gòu)建電壓代價函數(shù)，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡化。文獻(xiàn)則是針對內(nèi)置式的，是將自適應(yīng)控制、矢量控制和反步控制三者相結(jié)合，選擇適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)針對設(shè)計的分?jǐn)?shù)槽集中繞組，根據(jù)容錯控制提出在斷路故障時，保證系統(tǒng)輸出光滑的轉(zhuǎn)矩，并且降低磁動勢諧波的策略，實驗表明該策略的可靠性。文獻(xiàn)針對三電平驅(qū)動的提出了無速度傳感器的有限級預(yù)測，和傳統(tǒng)的控制相比，有限級預(yù)測的方法可以在降低定子電流中諧波含量的同時，實現(xiàn)了對電機(jī)的無傳感器控制，且仿真結(jié)果顯示這種方法有更好的魯棒性。文獻(xiàn)針對在情況復(fù)雜的系統(tǒng)驅(qū)動時，對系統(tǒng)的快速響應(yīng)以及強(qiáng)魯棒性的要求，文獻(xiàn)中是將廣義預(yù)測算法與相結(jié)合，提出了一種電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤控制策略，這種方法能夠具有較好的動態(tài)性能，且在運行時會有良好的抗干擾性能。本文是在矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對控制器進(jìn)行設(shè)計，選用和的原因都是對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的精準(zhǔn)度要求不高，能夠改進(jìn)傳統(tǒng)的控制的缺陷，并且這兩個控制器在控制系統(tǒng)應(yīng)用市場中占有比例逐漸提高。算法易實現(xiàn)、抗擾動能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，在應(yīng)用中克服了非線性強(qiáng)耦合等復(fù)雜因素的影響，系統(tǒng)的魯棒性會提高。然而在實際應(yīng)用中常常會出現(xiàn)空間滯后和時間延遲等不可測干擾，導(dǎo)致滑模線兩側(cè)相互交叉，出現(xiàn)了高頻運動即抖振現(xiàn)象。解決抖振問題也成為了中急需解決的問題。而正好可以利用擴(kuò)張觀測器()不僅可以實現(xiàn)對擾動的實時觀測，還能對其進(jìn)行補(bǔ)償。使整個能有效的提高抗擾動能力，提高系統(tǒng)的魯棒性。矢量控制最早出現(xiàn)在70年代，它能使電動機(jī)能夠明顯的提高并改善動態(tài)性能。矢量控制技術(shù)利用虛擬軸產(chǎn)生一個與原系統(tǒng)垂直的物理量，這樣可以合成矢量，進(jìn)而采用傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器實現(xiàn)對交流信號的無靜差跟蹤控制。矢量控制有多種控制策略，在本文中應(yīng)用控制策略，這種控制策略就是在控制的過程中將軸的定子電流設(shè)為零，那么在這種情況下兩個坐標(biāo)軸的電流就不再相關(guān)聯(lián)，只需對軸分量進(jìn)行控制，就可以完成對永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的控制。在實際應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)受負(fù)載變化及電機(jī)參數(shù)變化的影響較大，因此，控制性能會受到很大影響。近年來在控制領(lǐng)域上有較多的研究。一些學(xué)者進(jìn)行了分段滑?？刂圃诙〞r控制上的研究，滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測控制、內(nèi)?？刂频痊F(xiàn)代控制策略在交流電機(jī)變頻控制研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。本身就存在高頻抖振的缺點，所以目前更多的將其他控制與相結(jié)合，以增強(qiáng)他的控制性能。和其他方法相比，更重視低階系統(tǒng)的研究，已在我國機(jī)電系統(tǒng)、化學(xué)工藝、飛行控制、武器精確控制系統(tǒng)等領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。隨著時代發(fā)展，被應(yīng)用到更多地方，例如年的聚丙烯廠自控實驗，聚丙烯的產(chǎn)量和質(zhì)量都有所提高；在年對進(jìn)行了在運動控制上的工業(yè)評估，結(jié)果表明其在工業(yè)上的應(yīng)用有很好的潛能；在年德州儀器生產(chǎn)的芯片則做到了以為主要是核心對象，并且在世界各地發(fā)售?，F(xiàn)在更是被應(yīng)用于全國各大高校如。將策略融入控制系統(tǒng)將成為近年來控制領(lǐng)域的研究熱點。本文研究的以作為速度外環(huán)控制器，以作為電流內(nèi)環(huán)的控制器作用于雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)中，其目的主要為解決控制的系統(tǒng)的不穩(wěn)定性能，發(fā)揮和各自的特點，使所針對系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的動態(tài)性能。本設(shè)計系統(tǒng)意義在于，去改善傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點，利用新的控制方法，在符合時代發(fā)展的情況下，得到更加優(yōu)良的魯棒性。1永磁同步電機(jī)的控制理論及數(shù)學(xué)模型1.1永磁同步電機(jī)1.1.1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)是由轉(zhuǎn)子、定子和氣隙三部分組成。它是一種用永磁體代替勵磁繞組作為轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)，其定子結(jié)構(gòu)與其它同步電機(jī)基本相同，也是由三相對稱分布的電樞繞組構(gòu)成。如圖1所示。圖1-1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1-1structurediagramofpermanentmagnetsynchronousmotor1.1.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型本文對表貼式永磁同步電機(jī)(SPMSM)建模，直軸電感交軸電感相同。電壓方程：（1-1）（1-2）磁鏈方程：（1-3）（1-4）得到：（1-5）其中：（1-6）（1-7）得到電磁轉(zhuǎn)矩方程為：（1-8）機(jī)械運動方程：（1-9）其中，定子電壓；定子電流；定子磁鏈；定子繞組；：定子電阻；：轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；：負(fù)載轉(zhuǎn)矩；：轉(zhuǎn)動慣量；：摩擦系數(shù)；：轉(zhuǎn)子電角速度；：電機(jī)轉(zhuǎn)子極對數(shù)。1.2矢量控制基本原理矢量控制系統(tǒng)的基本思路就是將異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁動勢經(jīng)過空間矢量坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電流，以獲得像直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。圖1-2矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1-2schematicdiagramofvectorcontrolsystem1.2.1永磁同步電機(jī)的空間矢量坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換是指空間矢量分別在三相靜止坐標(biāo)系()、兩相靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系下的等效分解。1）變換及其逆變換圖1-3park變換坐標(biāo)關(guān)系Fig.1-3coordinaterelationshipofparktransformation變換公式:（1-10）其逆變換公式:（1-11）2）變換及其逆變換圖1-4Clarke變換坐標(biāo)關(guān)系Fig.1-4Clarketransformationcoordinaterelationship在等量坐標(biāo)交換條件下的變換（1-12）逆變換為（1-13）等功率坐標(biāo)變換條件下的變換（1-14）逆變換為（1-15）1.2.2空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)原理技術(shù)是對施加在定子繞組的基本電壓矢量加以合成，共有6個開關(guān)器件組成，6個開關(guān)器件能有8種組合方式，其中有兩種，即：，在電機(jī)驅(qū)動中都不會產(chǎn)生有效的電流。稱其為零矢量。另外6種則稱之為有效矢量。它們將的電壓空間分成6個扇區(qū)，利用這六個基本有效矢量和兩個零矢量，可以合成內(nèi)的任何矢量。SVPWM的特點：開關(guān)損耗小。每次切換開關(guān)狀態(tài)時只涉及一個器件，計算簡單。直接生成三相PWM波，但要注意波形的對稱性。每一個小區(qū)間都以000開始和結(jié)束。采用控制時，逆變器輸出線電壓基波最大值為直流側(cè)電壓，這比一般的逆變器輸出電壓提高了15%。圖1-5電壓空間矢量的放射形式和6個扇區(qū)Fig.1-5radiationformofvoltagespacevectorand6sectors1.3本章小結(jié)本章首先是對在結(jié)構(gòu)上和數(shù)學(xué)模型上的介紹，第二是對矢量控制的原理進(jìn)行了基本的了解，另外還對坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換建立軸的數(shù)學(xué)模型。最后是對的原理介紹，對扇區(qū)進(jìn)行描述并繪制了圖片。本章是對之后章節(jié)涉及電機(jī)控制的理論奠定基礎(chǔ)。2控制器的理論研究及設(shè)計2.1積分滑模速度控制2.1.1基本原理是滑模變結(jié)構(gòu)控制的一種。它自身能夠具有對外界干擾的滑模不變性與運動的魯棒性。但是，傳統(tǒng)的不具備全局魯棒性。但可以解決這一問題，使得系統(tǒng)能夠在初始給定條件下就在滑模面上運行，以至于保證了整個動態(tài)響應(yīng)過程都具有魯棒性。2.1.2積分滑模速度控制器數(shù)學(xué)模型的設(shè)計1)滑模面的設(shè)計a.滑模面的基本原理滑模面的設(shè)計不僅會對控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)產(chǎn)生影響而且也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以要根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的一般條件，進(jìn)而來確定滑模面的系數(shù)調(diào)節(jié)的范圍。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了消減系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差同時也要改善系統(tǒng)的抖振，可以在傳統(tǒng)的滑模面的基礎(chǔ)上，引入能夠控制系統(tǒng)變量的積分項。b.滑模面的數(shù)學(xué)模型由式得：（2-1）將式變?yōu)椋?-2）為的輸出。令擾動為（2-3）則式（2-2）為（2-4）定義速度誤差為:（2-5）為系統(tǒng)速度已知值，為正常數(shù)，這樣對式求導(dǎo)得到如下式：（2-6）的輸入為，輸出為。為了能夠獲得較理想的動態(tài)控制性能并且提高快速性，選擇積分滑模面，如下式：（2-7）在式（22）中，是一個正常數(shù)，根據(jù)取值的不同，系統(tǒng)也會獲得不同的動態(tài)控制性能，誤差會收斂于滑模上，以實現(xiàn)系統(tǒng)有效控制。(2)數(shù)學(xué)模型傳統(tǒng)的屬于切換控制，但是，傳統(tǒng)的存在抖振，為使系統(tǒng)抖振減弱而加入等效控制，這樣綜合兩個控制就可以使當(dāng)系統(tǒng)輸入遠(yuǎn)離滑模面時不起作用，而其作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)滑模面時，不起作用，而起作用。所以說的控制率為“等效控制+切換控制”，即：（2-8）其中為系統(tǒng)的等效控制，是針對已經(jīng)確定了的系統(tǒng)在沒有外加干擾的情況下進(jìn)行設(shè)計的，其是為了使得系統(tǒng)的初始條件就在滑模面上，則根據(jù)和可以求出（2-9）即：（2-10）則（2-11）表示切換控制，是對不確定性和外加干擾的魯棒控制，保證系統(tǒng)的狀態(tài)不離開滑模面。設(shè)為：式中的是正實數(shù)，是符號函數(shù)。因此，控制律為：（2-12）得出式（2-13）即為數(shù)學(xué)模型。2.2自抗擾控制電流調(diào)節(jié)器2.2.1基本原理是一種不確定系統(tǒng)的控制器由、和三部分組成，的作用是過渡過程，能夠解決系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能和超調(diào)量兩者間的問題。是用一個擴(kuò)展的狀態(tài)量來跟蹤系統(tǒng)自身和外部的一些未知擾動。然后系統(tǒng)再給出控制量來補(bǔ)償。則給出被控對象的控制策略。圖2-1典型結(jié)構(gòu)圖Fig.2-1typicalStructurediagram2.2.2自抗擾控制電流調(diào)節(jié)器的一般模型例如式的未知系統(tǒng)（2-14）其中，為未知函數(shù)，是擾動，為系統(tǒng)狀態(tài)量，為系統(tǒng)控制量，為系統(tǒng)控制增益，其的一般形式為：1）（2-15）式中，為信號的跟蹤信號，，，，為的各階廣義微分，為跟蹤微分器輸入信號的界，是一個非線性函數(shù)。2）階（2-16）式中，為系統(tǒng)的跟蹤信號，，，，為的各階廣義微分，是對總擾動的實時估計，非線性函數(shù)一般去為如式（2-17）的形式。（2-17）式中，為非線性因子，為濾波系數(shù)。3）（2-18）式中，，，，分別為增益系數(shù)。2.2.3自抗擾控制電流調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型設(shè)計從式（1-1）、（1-2）中可以得到在軸下電流與電壓的關(guān)系如式所示（2-19）對于電流環(huán)動態(tài)方程（2-20）令（2-21）（2-22）由電機(jī)參數(shù)及反饋電流通過計算得到，為系統(tǒng)未知擾動，為系統(tǒng)總擾動，對進(jìn)行估計可以獲得系統(tǒng)總擾動，并進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高系統(tǒng)魯棒性。因此，軸電流狀態(tài)方程可以表示為（2-23）令，，，則有（2-24）根據(jù)以上分析設(shè)計電流環(huán)一階為：1）（2-25）式中，為軸電流參考值的微分信號，為速度因子，越大，跟蹤速度越快。一階TD一般忽略。在本設(shè)計中就忽略了TD。存在fal函數(shù)（2-26）式中，為非線性因子，為濾波系數(shù)。2）（2-27）式中，為系統(tǒng)輸出，為的跟蹤信號，為系統(tǒng)總擾動的觀測信號，為誤差信號，、為輸出誤差的校正增益。3）設(shè)置模塊為線性（2-28）其中，為電流環(huán)補(bǔ)償系數(shù)，為軸電壓參考值。2.3系統(tǒng)仿真模型及分析2.3.1電機(jī)參數(shù)表1永磁同步電機(jī)參數(shù)Table1parametersof參數(shù)數(shù)值磁鏈/（)0.51825粘性阻尼/（）0.005相電阻/（）0.346電感相/（H）7.8e-3極對數(shù)2相數(shù)3初始角30轉(zhuǎn)子慣量/（）0.0892.3.2基于矢量控制的系統(tǒng)框圖本文主要設(shè)計軸控制器，所以軸控制設(shè)為控制，且。圖2-2系統(tǒng)原理框圖Fig.2-2schematicdiagramofthesystem基于控制器的矢量控制仿真模型表2參數(shù)設(shè)定Tab.2parametersetting電流環(huán)速度環(huán)3010500200圖2-3基于控制器的用永磁同步電機(jī)矢量控制仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2-3SimulationstructureDiagramofVectorControlofforcontrollerbasedon2.3.3積分滑模速度控制器仿真模型表3參數(shù)設(shè)定Tab.3parametersetting參數(shù)數(shù)值0.00010.18960圖2-4仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2-4Simulationstructurediagram2.3.4自抗擾控制電流調(diào)節(jié)器仿真模型（1）整體仿真結(jié)構(gòu)一般對于一階可以省略，所以在整體仿真結(jié)構(gòu)圖中沒有模塊。表4參數(shù)設(shè)定Tab.4parametersetting參數(shù)數(shù)值101/0.0078-9000-900000.50.01圖2-5整體仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2-5overallsimulationstructurediagram結(jié)構(gòu)圖圖2-6仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2-6Simulationstructurediagram函數(shù)仿真結(jié)構(gòu)圖圖2-7函數(shù)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.2-7functionsimulationstructurediagram所以整個仿真模型為：圖2-8基于和的永磁同步電機(jī)矢量控制仿真模型Fig.2-8Vectorcontrolsimulationmodelofbasedonand2.4仿真分析對于石油鉆機(jī)來說需要最高鉆速為350—250r/min，最低轉(zhuǎn)速為60—50r/min。所需最大功率在開鉆時，目前世界最大型轉(zhuǎn)盤功率為551KW。（1）將圖5與圖10在加減速，加減載，正反轉(zhuǎn)上進(jìn)行對比。1）加減速（實線為控制）初始速度為，在0.4s時速度上升到，在0.8s時速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-9轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-9Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-10q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-10qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：觀察圖2-9，在控制下的系統(tǒng)的超調(diào)量比基于和控制的系統(tǒng)超調(diào)大，且穩(wěn)定的快速性在控制下的系統(tǒng)也沒有和控制系統(tǒng)效果好，在加減速的過程中還可以看出和控制的系統(tǒng)能夠快速的收斂于輸入值。觀察圖2-10，在0和0.4時，系統(tǒng)都在加速，反映到q軸電流上為正方向，而在0.8時，系統(tǒng)設(shè)置減速，所以q軸電流變?yōu)樨?fù)方向，并且還可以看出軸電流和控制系統(tǒng)也比控制系統(tǒng)效果好，系統(tǒng)能夠更快的趨近于穩(wěn)定。加減載（實線為控制）在給定的轉(zhuǎn)速下，在0.5s處加10N的負(fù)載，在1s處減掉負(fù)載到0。①轉(zhuǎn)速圖2-11轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-11Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-12q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-12qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：從圖2-11可以看出在控制下系統(tǒng)的超調(diào)量比基于和控制的系統(tǒng)超調(diào)量大，在和控制下的系統(tǒng)能夠更快的趨近于穩(wěn)定，而在0.5加入負(fù)載時，和控制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速會有很小的波動，但是能很快回到穩(wěn)定狀態(tài)，而在控制下的系統(tǒng)會有很大的波動，讓它趨于平衡狀態(tài)也需要比較長的時間。從圖2-12可以看出，在加入負(fù)載后，電流會上升后平穩(wěn)，在這中間亦可以看出虛線比實線更快的趨于穩(wěn)定，即在和控制下的系統(tǒng)比控制系統(tǒng)更快穩(wěn)定。正反轉(zhuǎn)（實線為控制）在起始輸入，在0.5s處輸入。①轉(zhuǎn)速圖2-13轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-13Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-14q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-14qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：觀察圖2-13，在控制下的系統(tǒng)超調(diào)量比在和控制下的系統(tǒng)的超調(diào)量大，并且在和控制下的系統(tǒng)的穩(wěn)定和快速性都比在控制下的系統(tǒng)要好。不管是在電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)的前提下，仿真結(jié)果都表明了這樣的現(xiàn)象。觀察圖2-14，在控制下的系統(tǒng)的快速性也比較差。在0.5時發(fā)生反轉(zhuǎn)，使電流方向改變。和在和控制下的系統(tǒng)相比，存在靜差。在回到穩(wěn)定狀態(tài)下的時間也相對較長。兩個仿真結(jié)果圖都表明了在和控制下的系統(tǒng)魯棒性比在控制下的系統(tǒng)更好。（2）將圖5中速度環(huán)的控制器換成與圖10進(jìn)行對比。1）加減速（實線為只有的情況）初始速度為，在0.4s時速度上升到，在0.8s時速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-15轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-15Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-16q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-16qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：從圖2-15可以看出在0.4s加速時轉(zhuǎn)速在兩種控制方法作用下沒有明顯是變化，而在0.8s減速時，看圖能夠看出虛線明顯比實線趨近穩(wěn)定的速度快，即在只有的情況下的速度不如在和同時作用下控制的系統(tǒng)。在電流上的差別在圖2-16中可以看出，在和控制的系統(tǒng)更易平穩(wěn)，特別是在0.8減速的過程中。在只有的情況下的系統(tǒng)出現(xiàn)尖峰，可以知道在0.8s系統(tǒng)是十分不穩(wěn)定的。加減載（實線為只有的情況）在給定的轉(zhuǎn)速下，在處加的負(fù)載，在處減掉負(fù)載到0。①轉(zhuǎn)速圖2-17轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-17Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-18q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-18qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：從圖2-17中可以看出整體差別不大，但都存在小幅的抖振，但相比較而言，在只有的情況下曲線的抖振更加明顯且存在更多的抖振，從上面兩張圖上都可以明顯看出，在加減載的0.5和1的兩個時間點上乃至之后的延續(xù)里抖振更大，但最終也會趨近于平衡。從電流曲線上可以看出在只有的情況下不能完全消除抖振，只能微弱減小抖振。正反轉(zhuǎn)（實線為只有的情況）在起始輸入，在處輸入。①轉(zhuǎn)速圖2-19轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-19Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-20q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-20qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：在正反轉(zhuǎn)中還是能看出存在抖振的問題，圖2-19中看，快速性在兩種控制方法下沒有明顯的變化，在圖2-20里電流的快速性也是如此，但在0.5s反轉(zhuǎn)時，PI控制條件下的曲線有超調(diào)量，說明PI控制的系統(tǒng)靜差率更大，這兩幅圖的結(jié)果可以更進(jìn)一步說明在只有的情況下抖振不能完全去除只有減弱的效果，但能夠保證系統(tǒng)的快速性，可見可以有效的去除抖振。（3）將圖5中電流環(huán)的控制器換成與圖10進(jìn)行對比。1）加減速（實線為只有的情況）初始速度為，在時速度上升到，在時速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-21轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-21Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-22q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-22qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：從圖2-21可以很明顯的看出在只有的情況下，系統(tǒng)存在很大超調(diào)，但已無明顯抖振狀態(tài)，且趨于平衡的時間很長，但是快速性弱，特別是在0.4s和0.8s速度發(fā)生改變的時間點上快速性比較明顯更小，從圖2-22中可以看出在加速和減速的過程中，實線的系統(tǒng)響應(yīng)速度更慢，即只有的情況下快速性更差，在減速過程中只有的情況下的系統(tǒng)電流穩(wěn)定相對來說慢一些，且超調(diào)量比較大。但在加速過程中仿真結(jié)果卻完全相反。加減載（實線為只有的情況）在給定的轉(zhuǎn)速下，在處加的負(fù)載，在處減掉負(fù)載到0。①轉(zhuǎn)速圖2-23轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-23Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-24q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-24qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：在加減載中的圖2-23轉(zhuǎn)速曲線圖中，在只有的情況下的系統(tǒng)曲線具有超調(diào)量，但實線比虛線更加明顯，但兩種控制作用下的快速性在轉(zhuǎn)速上區(qū)別不是很明顯，但也能了看出虛線在實線前，在和同時作用的系統(tǒng)里快速性更好，在圖2-24中能看出q軸電流的穩(wěn)定狀態(tài)虛線比實線更快，且超調(diào)還小。不管是在加載還是減載的時間點上，虛線的效果都比實線要好。正反轉(zhuǎn)（實線為只有的情況）在起始輸入，在處輸入。①轉(zhuǎn)速圖2-25轉(zhuǎn)速對比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-25Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-26q軸電流曲線對比仿真結(jié)果圖Fig.2-26qaxiscurrentcurvecomparisonsimulationresultdiagram分析：在正轉(zhuǎn)的條件下，在趨于穩(wěn)定之前兩種控制方法的快速性基本一致，但在反轉(zhuǎn)條件下實線的快速性比虛線的快速性要好，可是不加模塊卻明顯有超調(diào)，并且在到達(dá)穩(wěn)定平衡狀態(tài)時需要更多的時間，在圖2-26中，電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)虛線在快速性和超調(diào)量上都明顯優(yōu)于實線，且在電機(jī)反轉(zhuǎn)時含模塊的系統(tǒng)電流要回到原來平衡狀態(tài)的時間更快。且兩種控制的抖振都變小了，在仿真結(jié)果圖上幾乎看不見。2.5本章小結(jié)本章是在控制策略為的情況下，在的矢量控制的基礎(chǔ)上，對所設(shè)計的雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)下的速度環(huán)的和電流環(huán)的在理論、建模、仿真搭建及最后的仿真結(jié)果驗證上都加以描述，并且與控制進(jìn)行了對比，仿真結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具有更好的魯棒性，還將控制系統(tǒng)分別和單獨的控制器相比較，得出仿真結(jié)果清晰的表明了控制器的優(yōu)缺點。3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計本文設(shè)計電路部分主要有主電路、驅(qū)動電路、采樣電路，檢測電路等組成。其中，主電路主要有逆變電路和整流電路；驅(qū)動電路是將生成的六路信號經(jīng)過光耦進(jìn)行相關(guān)的隔離，然后送入到驅(qū)動芯片來產(chǎn)生所要驅(qū)動的信號；采樣電路主要包括電流采樣電路、母線電壓采集電路及其信號調(diào)理電路，以此來實現(xiàn)的雙閉環(huán)控制；控制電路的核心芯片主要是以公司生產(chǎn)的信號處理器為主，以此為基礎(chǔ)來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換、矢量控制技術(shù)以及核心控制算法等。圖3-1為系統(tǒng)的整體框圖。圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.3-1overallstructurediagramofthesystem3.1芯片選型和單片機(jī)相比有更高的運算能力，所以，本系統(tǒng)硬件芯片選用。芯片選擇主推的高性能系列，是32位浮點，它的主頻為，有2路增強(qiáng)總線通訊模塊的，有數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊，2路增強(qiáng)型正交編碼器通道,以及2個模塊等等。能夠適用于各種控制類工業(yè)設(shè)備；圖3-2為F2812控制框圖。圖3-2F2812控制框圖Fig.3-2F2812physicaldiagram3.2各個電路的設(shè)計3.2.1主電路系統(tǒng)主電路如圖3-3所示，主電路由其他三個電路組成，電網(wǎng)側(cè)為整流電路，電機(jī)側(cè)為逆變電路，在整流電路和逆變電路之間存在濾波電路，圖為簡單的濾波，用電解電容之間并聯(lián)使直流母線電壓穩(wěn)定。整流電路為三相橋式的，由6個二極管構(gòu)成，逆變電路由6個構(gòu)成,提供6路信號。圖3-3主電路硬件連接圖Fig.3-3hardwareconnectiondiagramofmaincircuit3.2.2檢測電路兩相電流檢測電路對的，兩路電流信號進(jìn)行檢測，經(jīng)過濾波電路后，再通過電壓跟隨和偏置轉(zhuǎn)換，最后輸入芯片的引腳。原理圖3-4給出了相電流檢測電路。圖3-4a相電流檢測電路Fig.3-4aphasecurrentdetectingcircuit直流母線電壓檢測電路輸入信號來自霍爾電壓傳感器對整流之后的母線電壓信號的檢測，在經(jīng)過電壓跟隨和偏置電路后，最后輸入芯片的引腳。如圖3-5所示。圖3-5母線電壓檢測電路Fig.3-5DCbusvoltagedetectingcircuit3.2.4全橋驅(qū)動電路信號從DSP芯片經(jīng)電壓放大器作用從驅(qū)動板輸出，電路圖如3-6所示。圖3-6全橋驅(qū)動電路Fig.3-6Drivingcircuit3.2.5其它外圍電路故障信號處理電路系統(tǒng)出現(xiàn)過溫情況或者驅(qū)動板故障時，電路能夠先自行處理，原理如圖3-8所示。圖3-8故障信號處理電路Fig.3-8Faultdetectingandprotectingcircuit3.3軟件流程圖3.3.1主程序圖3-10主程序軟件流程圖Fig.3-10mainprogramsoftwareflowchart主程序主要是先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)計，能夠運行響應(yīng)CPU的中斷子程序，使系統(tǒng)能夠在設(shè)置的運行時間內(nèi)連續(xù)不間斷的運行。3.3.2中斷子程序圖3-11中斷子程序軟件流程圖Fig.3-11interruptsubroutinesoftwareflowchart先對電壓電流采樣，判斷是否過壓過流，之后測速，對測速，后經(jīng)過空間矢量變換到電流環(huán)的控制器，最后完成生成功能，為下一步做準(zhǔn)備。3.3.3SVPWM根據(jù)前面的知識及其SVPWM的相關(guān)仿真模型可以知道，在己知系統(tǒng)的、的情況下，按照SVPWM的調(diào)制程序可以得到空間電壓矢量所在的扇區(qū)N、作用時間X，Y，Z以及切換的時間最后產(chǎn)生六路互補(bǔ)的PWM信號，如圖3-12所示SVPWM流程圖:圖3-12SVPWM軟件流程圖Fig.3-12SVPWMsoftwareflowchart