基于線性滑?？刂频挠来磐诫姍C(jī)速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于線性-滑?？刂频挠来磐诫姍C(jī)速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師： 學(xué)生 ： 學(xué)號(hào) ：1030301133921班級(jí) ：電氣1339專業(yè) ：電氣自動(dòng)化技術(shù)院系 ：電氣工程系學(xué)校 ：西安航空學(xué)院摘 要 隨著電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、稀土永磁材料和控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)在中小功率的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在伺服傳動(dòng)領(lǐng)域，永磁同步電動(dòng)機(jī)逐步取代直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)成為伺服驅(qū)動(dòng)的發(fā)展方向。因此，研究以永磁同步電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行電機(jī)、以數(shù)字信號(hào)處理器為核心器件、采用矢量控制策略實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式的永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文首先建立了永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，

2、深入研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制理論，并在此基礎(chǔ)上討論了永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制方案，經(jīng)比較矢量控制的四種電流控制方法，確定了基于id =0的矢量控制方案及其電流反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并分析了電流解耦的主要影響因素。最后從滑模變結(jié)構(gòu)理論出發(fā)，針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)與pi的組合速度環(huán)控制器，克服了常規(guī)滑?？刂破?vsc)在滑模面附近的高頻顫動(dòng)，提高了穩(wěn)態(tài)精度。隨后利用matlab軟件建立了基于滑模變結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的仿真研究。同時(shí)結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，介紹了以tms320f2812力控制核心的全數(shù)字化永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)

3、計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)硬件和軟件各部分的結(jié)構(gòu)和功能作了詳細(xì)闡述。此外，還利用所建立的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明本系統(tǒng)具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性以及較高的精度。可以滿足伺服控制的需要。關(guān)鍵詞永磁同步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；滑模變結(jié)構(gòu)組合控制；空間電壓矢量脈寬調(diào)制目 錄摘 要2第1章 緒論41.1設(shè)計(jì)的背景介紹41.2 pmsm及其控制技術(shù)發(fā)展的概況5第2章pmsm的數(shù)學(xué)模型62.1 pmsm的數(shù)學(xué)模型62.1.1靜止坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型62.1.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下pmsm的數(shù)學(xué)模型82.2 pmsm矢量控制的基本原理102.2.1矢量控制電流反饋解耦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析112.2.2坐標(biāo)變換1

4、2第3章 基于滑?？刂频乃俣日{(diào)節(jié)設(shè)計(jì)143.1滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理143.1.1滑動(dòng)模態(tài)的定義及數(shù)學(xué)表達(dá)143.1.2滑模變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)方法153.2滑模變結(jié)構(gòu)速度控制器153.2.1永磁同步常規(guī)滑模速度控制器的設(shè)計(jì)153.2.2滑?？刂婆cpi結(jié)合控制器的設(shè)計(jì)17第4章 系統(tǒng)仿真分析184.1 matlab簡(jiǎn)介184.2 pmsm控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果和波形分析19結(jié)論22參考文獻(xiàn)23 第1章 緒 論1.1 設(shè)計(jì)的背景介紹隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)伺服控制系統(tǒng)提出了更多性能方面的要求，而以永磁同步電動(dòng)機(jī)( pmsm)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服系統(tǒng)由于具有穩(wěn)定性好、精度高和功率大等特點(diǎn)，使其逐漸成為現(xiàn)行

5、伺服系統(tǒng)的主流。目前，pmsm已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的各個(gè)領(lǐng)域。因此，研究和開發(fā)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 對(duì)伺服裝置提出的要求主要是定位精確、跟隨誤差小、響應(yīng)快、無超調(diào)和調(diào)速范圍寬等。由永磁同步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)則比較容易實(shí)現(xiàn)。永磁同步電動(dòng)機(jī)采用永磁體提供轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，因此使得永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)成為高精度、微進(jìn)給系統(tǒng)的最佳執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 綜上所述，選用矢量控制技術(shù)的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)，不僅能夠克服同步電動(dòng)機(jī)標(biāo)量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的缺點(diǎn)，而且使永磁同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍、抗擾特性、啟制動(dòng)特性、穩(wěn)速特

6、性均達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的水平。另外，矢量控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性、快速性要求很高。 由于pmsm自身的特點(diǎn)，使其引起了人們廣泛關(guān)注。而矢量控制技術(shù)一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。近幾年來國(guó)內(nèi)不少高校對(duì)pmsm及pmsm矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，但是國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品在實(shí)用化方面卻存在著較大的差距。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)在pmsm矢量控制系統(tǒng)領(lǐng)域理論研究較多、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較少的現(xiàn)狀，將其側(cè)重點(diǎn)放在系統(tǒng)的基本實(shí)現(xiàn)上，研究設(shè)計(jì)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)矢量控制的完備的軟硬件平臺(tái)，使基于矢量控制技術(shù)的pmsm伺服系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化、商品化，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要而深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 pmsm 及其控制技術(shù)發(fā)展的概況出現(xiàn)于19 世

7、紀(jì)20年代的世界首臺(tái)電機(jī)，其勵(lì)磁磁場(chǎng)就是由永磁體產(chǎn)生的。但由于當(dāng)時(shí)用的永磁材料為天然的磁鐵礦石，不僅磁能密度低，而且用它制成的永磁體電機(jī)體積龐大，使其不久便被電勵(lì)磁電機(jī)所取代。直至上世紀(jì)80年代初，由于永磁材料的日漸發(fā)展，pmsm才因功率密度高、體積小和效率高等顯著特點(diǎn)引起電機(jī)本體設(shè)計(jì)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究人員的高度重視。 從上世紀(jì)90年代以來，隨著永磁材料的性能不斷提高，特別是ndfeb 永磁材料的性能逐步改善，電力電子器件的日漸發(fā)展，使得對(duì)稀土永磁電機(jī)的研究進(jìn)行了全新的階段。在稀土永磁電機(jī)的理論設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)工藝、計(jì)算方法和驅(qū)動(dòng)控制策略等方面的研究出現(xiàn)了很大的突破，形成了以等效磁路解析和電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

8、相結(jié)合的分析方法。 目前永磁電機(jī)不僅覆蓋了微、小以及中型的功率范圍，而且擴(kuò)展至大功率領(lǐng)域。此外，永磁材料的優(yōu)異的磁能特性、輕量化、體積小等特點(diǎn)，給永磁同步電動(dòng)機(jī)帶來如下特點(diǎn)：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、體積小、重量輕、電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、靜態(tài)特性良好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，過載能力強(qiáng)、低損耗、高效率、節(jié)約能源等等。而pmsm控制技術(shù)發(fā)展是從二十世紀(jì)八十年代后期開始，隨著世界上現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，使得其對(duì)工業(yè)設(shè)備的重要驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)提出了更高的要求，研究和制造出高性能永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已成為國(guó)內(nèi)外研究人員的共識(shí)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是一門涵蓋了多種學(xué)科的綜合性技術(shù)，自世界上第一臺(tái)伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)以來，伺

9、服驅(qū)動(dòng)技術(shù)就在一直不斷發(fā)展，尤其是各種現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和廣泛應(yīng)用，一方面為高性能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制提供了理論依據(jù)，另一方面也使高性能伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、智能化和微型化成為可能?？v觀pmsm控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，其控制策略分為矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)。其中矢量控制從模擬直流電機(jī)控制的思想出發(fā)，從而將交流電動(dòng)機(jī)電流矢量解耦。另由于pmsm自身性能比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)更為優(yōu)越，而且pmsm轉(zhuǎn)子磁極的位置易于檢測(cè)，因而使得矢量控制技術(shù)在pmsm的控制得到了更為廣泛的應(yīng)用。 第2章pmsm的數(shù)學(xué)模型2.1 pmsm的數(shù)學(xué)模型 由pmsm的電磁關(guān)系可知其數(shù)學(xué)表達(dá)方程為時(shí)變微分方程，該微分方程的系數(shù)是隨著電

10、機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置變化的時(shí)間函數(shù)。因此，構(gòu)建pmsm數(shù)學(xué)模型的屬于一種非線性的系統(tǒng)，分析和求解這些變常數(shù)的微分方程較為困難，需要借助于數(shù)值計(jì)算方法方可求解。而二十世紀(jì)七十年代建立的park方程將同步電機(jī)定子坐標(biāo)系中所有變量等效地由轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變量來替代，消除了同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型中的時(shí)變系數(shù)，簡(jiǎn)化了同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，成為研究同步電機(jī)的重要方法。接著二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的矢量控制技術(shù)，為高性能交流電機(jī)的控制提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。2.1.1靜止坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 pmsm定子上裝有三相對(duì)稱繞組abc，其轉(zhuǎn)子為永久磁鋼構(gòu)成，定轉(zhuǎn)子之間通過氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行耦合。為了方便對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行分

11、析，建立現(xiàn)實(shí)可行的永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，通常做出如下假設(shè)： 1假設(shè)pmsm的磁路是線性的，并且不考慮電機(jī)磁滯、渦流影響和磁路飽和的影響； 2假設(shè)三相繞組abc是完全對(duì)稱的，且不計(jì)其邊緣效應(yīng)影響； 3假設(shè)忽略齒槽效應(yīng)的影響，電機(jī)定子電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布磁動(dòng)勢(shì)，并且忽略電機(jī)運(yùn)行時(shí)高次諧波； 4假設(shè)不計(jì)鐵心損耗。在三相坐標(biāo)系abc中，將pmsm定子繞組中的a相軸線作為靜止空間坐標(biāo)系中的參考軸線，在確定好電流、磁鏈的正方向后(見圖2-1)，可以得到永磁同步電機(jī)在abc坐標(biāo)系下的定子電壓方程為 圖2-1三相靜止坐標(biāo)系中的電機(jī)模型圖2-1中，為電機(jī)三相定子繞組軸線，為轉(zhuǎn)子軸軸線與a相繞組軸線之間的夾

12、角，為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的穿過定子的磁鏈，為電機(jī)定子三相電流的綜合矢量。在abc三相坐標(biāo)系下的磁鏈方程為 寫成向量形式，上式可表示為，在以上兩式中 式中 ，為三相繞組abc相電流；，為三相繞組abc相電壓；為pmsm轉(zhuǎn)子永磁體磁極的勵(lì)磁磁鏈；，為pmsm定子繞組自感系數(shù)；，為pmsm定子繞組的互感系數(shù)。為pmsm定子相繞組的電阻，為轉(zhuǎn)子軸超前定子參考軸線的電角度。2.1.2旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下pmsm的數(shù)學(xué)模型由于系統(tǒng)在靜止三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，故通過坐標(biāo)變換公式將其轉(zhuǎn)換至旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，因?yàn)榇藭r(shí)pmsm的磁鏈和坐標(biāo)軸都隨電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)，且模型中數(shù)學(xué)方程參數(shù)為定常參數(shù)，因此其不僅用于分析pmsm

13、的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，也常用于分析pmsm的瞬態(tài)性能。 參見圖2-2所示，其軸的方向是永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的軸線方向，系統(tǒng)的軸滯后軸90度電角度，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中pmsm的等效模型如下圖2-3示。圖2-2基于軸坐標(biāo)系圖2-3基于軸坐標(biāo)系中的電機(jī)模型圖2-3中為pmsm直軸與定子三相電流合成空間矢量的夾角。另外為pmsm勵(lì)磁鏈與其a相繞組軸線的夾角，為pmsm轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈。永磁同步電機(jī)在、軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的磁鏈、電壓方程為 （2-1） （2-2）電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程 （2-3）用軸系分量來表示式（2-3）中磁鏈和電流綜合矢量，有 (2-4)將式（2-4）代入（2-3）中電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程變換為 (2-5)將磁鏈

14、方程式（2-1）代入式（2-5），可得永磁同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 (2-6)由圖2-4可知，將其代入式（2-6）中得 (2-7)式（2-1）（2-6）中，為定子電阻，、為磁鏈、定子電流的綜合矢量，、為軸電感，為定子繞組極對(duì)數(shù)， ，為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中軸電流轉(zhuǎn)矩平衡方程式 （2-8）式中，分別是電機(jī)的負(fù)載阻力矩、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電機(jī)機(jī)械角速度， 電機(jī)阻尼系數(shù)。公式（2-1）（2-2）（2-6）（2-7）便是pmsm在軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。2.2 pmsm矢量控制的基本原理 永磁同步電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，定子的三相繞組中通入三相對(duì)稱電流，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)因受定子磁場(chǎng)磁

15、拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理。定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的同步旋轉(zhuǎn)速度為其中，為定子電源頻率，為永磁同步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。pmsm矢量控制的實(shí)現(xiàn)是以坐標(biāo)變換及電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩方程為基礎(chǔ)的，面裝式永磁同步電動(dòng)機(jī)，交直軸電感相等，有 （2-9）即pmsm和直流電機(jī)具有類同的電磁轉(zhuǎn)矩方程。由于由電機(jī)的永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，其值恒定。因此對(duì)pmsm而言，可以考慮用控制直流電機(jī)的方法控制pmsm轉(zhuǎn)矩，從而獲得和直流電動(dòng)機(jī)類似的控制效果。在pmsm中，電機(jī)abc三相繞組分別通入交流電，不僅這三相繞組間互相耦合，而且三相繞組又與轉(zhuǎn)子永磁體勵(lì)磁磁場(chǎng)耦

16、合。2.2.1 矢量控制電流反饋解耦的主要影響因素分析影響電流環(huán)控制性能的因素主要有零點(diǎn)漂移、電流器調(diào)節(jié)參數(shù)和反電勢(shì)干擾等，由于本系統(tǒng)電流環(huán)采用dsp實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電流環(huán)控制、pwm信號(hào)產(chǎn)生，而數(shù)字運(yùn)算則不存在模擬電流環(huán)中給定信號(hào)、pi調(diào)節(jié)器。三角波發(fā)生器等零點(diǎn)漂移。只有電流檢測(cè)部分由于需要才有電流傳感器和運(yùn)算電路處理，仍然存在零點(diǎn)漂移，因此要是系統(tǒng)性能優(yōu)異最好采用高性能、零漂小的電流傳感器和運(yùn)算放大器進(jìn)行反饋電流處理。另外，對(duì)于pmsm，有電壓平衡方程 （2-10）式中：為電機(jī)電樞端口電壓，為電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) 正比于轉(zhuǎn)速，由式(2-10)可以看出，逆變器直流電壓為恒值，當(dāng)隨轉(zhuǎn)速上升而增

17、大時(shí)，將使電機(jī)電樞繞組上的凈電壓減少，定子繞組電流變化率降低，進(jìn)而使對(duì)電流環(huán)的干擾增大，而電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)與諧波無關(guān)，幅值和相角不連續(xù)的電壓信號(hào)，因此它將是影響電流控制環(huán)性能的一個(gè)最主要因素。在低速時(shí)，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)小，通過pi電流調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)可基本抵消反動(dòng)勢(shì)干擾，電流跟隨誤差很小，因而總的電流控制特性良好；但在高速時(shí)，由于電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的干擾使得外加電壓與電動(dòng)勢(shì)的差值減小，實(shí)際電流和給定電流間將出現(xiàn)明顯的幅值、相位偏差，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，實(shí)際電流甚至無法跟隨給定電流。此時(shí)將不能忽略反電勢(shì)，必須抑制反電勢(shì)的影響。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，增大電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，減小積分時(shí)間常數(shù)可以在一

18、定程度上減小反電勢(shì)對(duì)電流環(huán)性能的影響。但是，高比例系數(shù)又會(huì)放大諧波電流使輸出電流的性能變差，而且積分系數(shù)減小也會(huì)使電流穩(wěn)態(tài)誤差變大。2.2.2 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換通常分成“等量”和“等功率”變換兩種。“等量”坐標(biāo)變換是指變換前后通用矢量相等，也稱2/3變換?！暗裙β省弊儞Q在坐標(biāo)變換前后功率相等，或稱2/3變換。實(shí)際情況時(shí)，可根據(jù)具體要求任意選用兩種變換。這里遵循“等功率”原則進(jìn)行坐標(biāo)變換。變換過程的參考坐標(biāo)系如圖2-4示。圖2-4 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系圖中定義軸系的軸與靜止空間坐標(biāo)系中的參考軸線即定子a相繞組重合，軸超前軸90的電角度。由于軸與在a相繞組軸線重合，故稱軸系為電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系。

19、同時(shí)定義系統(tǒng)的軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的軸線重合，且系統(tǒng)軸超前軸90電角度，a相定子繞組與軸之間的夾角為，軸坐標(biāo)系在空間上隨電機(jī)轉(zhuǎn)子以電角度一同旋轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。定子三相靜止坐標(biāo)系abc與兩相靜止坐標(biāo)系 之間的變換為clarke變換即3/2變換，其變換公式為 （2-11）兩相靜止坐標(biāo)系 到定子三相靜止坐標(biāo)系abc的clarke逆變換公式為 （2-12）對(duì)于繞組是y形連接的電機(jī)，存在將此式代入（2-12）得 （2-13）它的逆變公式為 （2-14）兩相靜止坐標(biāo)系 到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 之間的park變換，即2/2變換的變換公式為，其逆變公式為第3章 基于滑?？刂频乃俣日{(diào)節(jié)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特

20、殊的非線性控制，其非線性具體表現(xiàn)為對(duì)系統(tǒng)的控制的不連續(xù)性。該特性可以迫使所控制的系統(tǒng)在規(guī)定的條件下沿一定的軌跡以較高頻、較小振幅上下運(yùn)動(dòng)，此即所謂的滑模運(yùn)動(dòng)。開關(guān)切換使得系統(tǒng)在整個(gè)過程中不斷改變其結(jié)構(gòu)，而開關(guān)的切換動(dòng)作則受“滑動(dòng)模態(tài)”控制，而滑動(dòng)模態(tài)是可以設(shè)計(jì)的?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是不需對(duì)系統(tǒng)精確觀測(cè)、控制律整定的方法簡(jiǎn)單、當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)和調(diào)整速度快，具有很好的魯棒性。因此滑模變結(jié)構(gòu)控制在電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了深入的研究并獲得了許多成功的應(yīng)用。3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理 變結(jié)構(gòu)控制理論，不是一種分析方法，而是一種綜合方法，因此，其重點(diǎn)是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。 設(shè)計(jì)問題包括兩個(gè)方面的內(nèi)容： (1)

21、選擇切換函數(shù)，或者說確定切換面毛； (2)求取控制律。 設(shè)計(jì)的目標(biāo)即變結(jié)構(gòu)控制的三要素為： (1)所有相軌跡于有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面； (2)切換面存在滑動(dòng)模態(tài)區(qū)； (3)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)定并具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 從實(shí)際應(yīng)用的觀點(diǎn)來說，當(dāng)要構(gòu)成一個(gè)滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)時(shí)，往往會(huì)遇到控制學(xué)上昀一些問題，如系統(tǒng)的魯棒性、對(duì)系統(tǒng)外部存在的持續(xù)擾動(dòng)的處理以及滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)固有的“抖動(dòng)”問題。3.1.1滑動(dòng)模態(tài)的定義及數(shù)學(xué)表達(dá)設(shè)有一個(gè)控制系統(tǒng) (3-1)為系統(tǒng)狀態(tài)分量，為系統(tǒng)的控制輸出向量。確定一個(gè)切換矢量函 (3-2)求解控制函數(shù) (3-3)其中，使得切換面以外的相軌跡于有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)入切換面；切換面是滑

22、動(dòng)模態(tài)區(qū)；滑模運(yùn)動(dòng)漸進(jìn)穩(wěn)態(tài)且動(dòng)態(tài)品質(zhì)良好。這樣的控制系統(tǒng)稱為滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，或簡(jiǎn)稱為變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。3.1.2滑模變結(jié)構(gòu)控制的設(shè)計(jì)方法 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)的基本步驟分為以下兩步： (1)設(shè)計(jì)切換函數(shù)，使其所確定的滑動(dòng)模態(tài)漸進(jìn)穩(wěn)定且具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)； (2)設(shè)計(jì)滑動(dòng)模態(tài)控制律，使到達(dá)條件得到滿足，從而在切換面上形成滑動(dòng)模態(tài)區(qū)。一旦獲得切換函數(shù)和滑動(dòng)模態(tài)控制律，滑模控制系統(tǒng)便能完全建立起來。3.2滑模變結(jié)構(gòu)速度控制器 本文采用積分變結(jié)構(gòu)控制策略，在滑模線的設(shè)計(jì)中引入狀態(tài)的積分項(xiàng)，省去實(shí)現(xiàn)pmsm滑模速度環(huán)控制所必需的加速度信號(hào)。3.2.1永磁同步常規(guī)滑模速度控制器的設(shè)計(jì)由永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)

23、坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型公式可得 （3-4）式（3-4）即為永磁同步電動(dòng)機(jī)的線性解耦狀態(tài)方程。選取狀態(tài)變量 作為速度環(huán)滑?？刂普{(diào)節(jié)器的輸入，其輸出定為交軸（轉(zhuǎn)矩）電流環(huán)給定，則根據(jù)（3-4）可得滑模狀態(tài)方程為 （3-5）上式可表示為 （3-6） （3-7）式中，表示相應(yīng)的不確定因素，整理的 （3-8）式中表示總的不確定性 （3-9）1 確定切換函數(shù) 需在滿足滑?？刂坡傻幕緱l件下選擇簡(jiǎn)單、合適的實(shí)系數(shù)單值連續(xù)函數(shù)。為省去滑模速度控制器所需的加速度信號(hào)，在切換函數(shù)中引入的積分項(xiàng)，選取滑模切換函數(shù)為 （3-10）其中為正常數(shù)，知滑模面，可得 （3-11）式中，為系統(tǒng)狀態(tài)的初始值。由上式可知，狀態(tài)變量，以

24、為常數(shù)按指數(shù)規(guī)律趨近于0，因此選擇c越大則可以獲得越快的趨近速度。2確定滑?？刂坡?滑模控制律的設(shè)計(jì)就是要求被控制的狀態(tài)變量能在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)并保持在滑動(dòng)面。在這里選擇函數(shù)切換控制的變結(jié)構(gòu)控制方案。函數(shù)切換控制的切換函數(shù)為 （3-12）其中為滑模等效控制部分，即系統(tǒng)在滿足條件時(shí)所需要的控制量，控制pmsm系統(tǒng)的模型確定部分。根據(jù)條件，由（3-8）（3-10）可推導(dǎo)滑模等效控制部分 （3-13）另外為滑模切換部分，通過高頻切換控制使系統(tǒng)趨向滑模線并穩(wěn)定。取，其中為正實(shí)數(shù)，是滑模切換控制增益。 為符號(hào)函數(shù)由此可得，該滑模變結(jié)構(gòu)控制器控制規(guī)律函數(shù)為 （3-14）3.2.2滑?？刂婆cpi結(jié)合控制器的

25、設(shè)計(jì) 根據(jù)滑模變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，在滑?？刂屏康谋磉_(dá)式中，等效控制將系統(tǒng)狀態(tài)保持在滑模面上，切換控制。補(bǔ)償?shù)刃Э刂频墓烙?jì)誤差，迫使系統(tǒng)狀態(tài)在滑模面上滑動(dòng)。 從式(3-14)可以看出，切換控制增益與估計(jì)誤差成正比，選定的值大小必須足以消除不確定項(xiàng)的影響。但后越大帶來的抖振就越大，因此在此模型中解決抖振實(shí)質(zhì)就是處理滑模切換量大小的問題。 針對(duì)這一問題，我們把不同的控制策略集成起來，在充分發(fā)揮滑模變結(jié)構(gòu)控制強(qiáng)魯棒性、對(duì)擾動(dòng)的系統(tǒng)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用其它控制方法來消除滑模變結(jié)構(gòu)控制本身所固有的抖振，減小靜差，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本文采用滑模變結(jié)構(gòu)與pi的組合速度環(huán)控制器，兩調(diào)節(jié)器互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，在誤差信號(hào)較

26、小時(shí)，將變結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閜i調(diào)節(jié)器控制，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無超調(diào)、無靜差。圖3-1 組合控制器結(jié)構(gòu)示意圖滑模變結(jié)構(gòu)控制與pi組合控制器pmsm矢量控制的原理框圖如下圖示第4章 系統(tǒng)仿真分析 4.1 matlab 簡(jiǎn)介matlab使用方便，且具有簡(jiǎn)便的繪圖功能、強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，人機(jī)界面直觀，輸出結(jié)果可視化。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像處理、信號(hào)分析、系統(tǒng)建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。為了準(zhǔn)確地把一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型輸入給計(jì)算機(jī)并對(duì)之進(jìn)行分析與仿真，mathwork公司提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具-simulink，可視化的仿真環(huán)境simulink可以對(duì)通信系統(tǒng)、非線性控制、電力系統(tǒng)等進(jìn)行深入建

27、模、仿真和研究。用戶進(jìn)行仿真時(shí)很少需要編寫程序，只需要用鼠標(biāo)完成拖拉等簡(jiǎn)單的操作，就可以形象地建立起被研究系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真。 4.2速度環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)組合控制器的仿真分析 為了證明本文轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制器的有效性，現(xiàn)對(duì)交流正弦永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)建立仿真模型其電機(jī)參數(shù)見下表參數(shù)數(shù)值參數(shù) 數(shù)值額定功率kw1.5繞組電感（）(ld/lq)mh0.33/0.48額定轉(zhuǎn)速r/min2500電樞電阻r0.024永磁磁鏈wb0.104轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j(kg/m2)0.25極對(duì)數(shù)4time (10ms/格)torque (1nm/格) time (10ms/格)torque (1nm/格) （a）pi控制下轉(zhuǎn)矩

28、響應(yīng) （b）smc控制下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)time (1ms/格)torque (1nm/格) pismc(c)負(fù)載突變pi與smc 控制下轉(zhuǎn)矩響應(yīng)待添加的隱藏文字內(nèi)容1time (50ms/格)current (5a/格) time (50ms/格)current (5a/格) （d）pi控制下電流響應(yīng) （e）smc 控制下電流響應(yīng)time (0.2ms/格)torque (2nm/格) pismc（f）負(fù)載穩(wěn)定pi與smc控制下電流響應(yīng)圖4-1負(fù)載突變，穩(wěn)定時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形圖4-1為系統(tǒng)分別采用pi和滑?？刂撇呗詫?duì)比仿真波形，根據(jù)負(fù)載突然變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真結(jié)果表明：如圖4-1(a)(b)，pi控

29、制器具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)響應(yīng)能力，但該控制策略下的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)略有超調(diào)，且隨負(fù)載變化率的增大而增大；而采用滑膜控制器的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)具有較強(qiáng)的魯棒性，在負(fù)載突變下，其響應(yīng)略有滯后。如圖4-1(c)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從1 nm增加到3 nm時(shí)，pi控制下電磁轉(zhuǎn)矩輸出達(dá)到負(fù)載轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于0.5ms，滑?？刂扑钑r(shí)間大于約1ms。圖4-1(d)(e)分別為不同控制策略下突變負(fù)載對(duì)應(yīng)的電流響應(yīng)曲線，pi控制輸出電流響應(yīng)快，同時(shí)伴有超調(diào)現(xiàn)象，而滑?？刂戚敵鲭娏黜憫?yīng)滯后時(shí)間長(zhǎng)，但沒有超調(diào)現(xiàn)象。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，滑模控制策略輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相對(duì)小，如圖4-1(f)所示。time (50ms/格)current (5a/格) time

30、(5ms/格)torque (1nm/格) （a）轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線 （b）電流響應(yīng)曲線圖4-2 線性-滑?？刂葡聞?dòng)態(tài)響應(yīng)仿真波形由圖4-1可以看出，這兩種控制策略具有鮮明的特點(diǎn)，即pi控制策略具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，滑模控制具有更強(qiáng)的抗擾動(dòng)特性。因此，綜合pi和滑?？刂撇呗詢?yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)的線性-滑?？刂破鬏敵鲰憫?yīng)曲線如圖4-2(a)(b)所示。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定于1nm時(shí)，控制器表現(xiàn)為滑?？刂撇呗?，其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)特性和較強(qiáng)的抗外界擾動(dòng)能力；負(fù)載突加到2nm時(shí)，通過調(diào)節(jié)控制增益使控制器表現(xiàn)為pi特性，輸出電流及轉(zhuǎn)矩快速跟蹤負(fù)載變化，當(dāng)轉(zhuǎn)矩和磁鏈誤差滿足下式時(shí) 其中 控制器又表現(xiàn)為滑?？刂铺匦?。在暫態(tài)過程中，線性-滑模控制器體現(xiàn)了良好快速跟蹤能力和抗外界擾動(dòng)特性，有效抑制轉(zhuǎn)矩和電流超調(diào)現(xiàn)象，且電流畸變小。結(jié)論本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀作了總結(jié)和概括。 在本設(shè)計(jì)的研究與開發(fā)過程中，主要完成了以下工作： 1首先介紹了永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型；接著深入研究了永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制的工作原理及其電流控制方法，確定電流反饋控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析電流解耦環(huán)節(jié)的主要影響因素