永磁同步電機(jī)的SVPWM仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）終期報(bào)告課題名稱： 永磁同步電機(jī) SVPWM控制及仿真 學(xué)院（系）： 電氣工程學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 2011級(jí)自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2015年3月 摘要永磁同步電機(jī)(PMSM)因其體積小、磁密度高、可靠性好以及對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空航天等領(lǐng)域。而伴隨著這些領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更高的調(diào)速精度、更大的調(diào)速范圍以及更快的響應(yīng)速度成為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的迫切要求。本文研究永磁同步電機(jī)(PMSM)矢量控制系統(tǒng)。一方面，采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，通過對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、SV

2、PWM逆變器、速度控制器等功能模塊的建立與組合，構(gòu)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(yīng)模糊控制仿真模型。仿真結(jié)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(yīng)模糊PI控制器,將模糊控制器與PI控制器結(jié)合在一起，利用模糊邏輯控制，并把MATLAB中的Fuzzy Toolbox和SIMULINK有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了PI控制器的在線自調(diào)整。進(jìn)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(jié)果表明：該控制器達(dá)到了滿意的控制效果。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；空間矢量脈寬調(diào)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(jī)（permanent magnet synchronous motor）是指采用永磁磁鐵為轉(zhuǎn)子的同步電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、

8、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)的以大致不變的速度運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通車床等。這類機(jī)械設(shè)備大量采用普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，能源浪費(fèi)厲害。隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能的重視和國家對(duì)高效電機(jī)和永磁電機(jī)的推廣力度的加大，這些節(jié)能潛力大的設(shè)備都有被永磁電機(jī)和普通高效電機(jī)代替的需求。而這些機(jī)械采用永磁電機(jī)則可獲得比普通電機(jī)高得多的效率和功率因數(shù)。 在某些場(chǎng)合，負(fù)載率低，若采用普通電機(jī)，輕載時(shí)功率因數(shù)和效率低，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍窄，造成大量的電能浪費(fèi)。若采用永磁電機(jī)，部分設(shè)備可適當(dāng)?shù)慕档碗姍C(jī)容量，可以實(shí)現(xiàn)高效、高功率因數(shù)和寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，節(jié)約大量的電

9、能。在一些生產(chǎn)機(jī)械中，要求多臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源頻率之間沒有嚴(yán)格的固定關(guān)系，隨著負(fù)載的變化而變化，即使是同一廠家生產(chǎn)相同規(guī)格的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)速也有一定的差別，難以保證多臺(tái)電動(dòng)機(jī)以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間有嚴(yán)格的固定關(guān)系，只要多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率和電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)相同，就可以方便的實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。這在某些紡織設(shè)備上已得到很好的推廣。既節(jié)約了能源，又能很方便的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)同步運(yùn)行。這對(duì)于國家提出的節(jié)能減排政策和國家社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)具有最要意義。1.1.2 課題目的 本課題以永磁同步電機(jī)為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)了兩種控制器，即傳統(tǒng)的線性PI控制器和自適應(yīng)的模糊控制

10、策略。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制可以獲得很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)時(shí)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(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來越大或越來越?。?，一直到偏差為零，累積才會(huì)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(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)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(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)足夠大，PI控制器對(duì)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(jī)本身的參數(shù)(如電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和拖動(dòng)負(fù)載的參數(shù)）可能在某些應(yīng)用場(chǎng)合會(huì)隨工作情況而變化;同時(shí)，交流電機(jī)本身實(shí)質(zhì)上是一個(gè)非線性的被控對(duì)象?？刂茖?duì)象的參數(shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的PID調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，為了使永磁同步電機(jī)能夠在更惡劣的環(huán)境下運(yùn)行，本課題又在完成課題任務(wù)的基礎(chǔ)上增加了模糊控制。 模糊控制具有如下優(yōu)點(diǎn)： (1)使用語

12、言方法, 可不需要過程的精確數(shù)學(xué)模型; (2)魯棒性強(qiáng), 適于解決過程控制中的非線性、強(qiáng)耦合時(shí)變、滯后等問題;  (3)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力; (4)操作人員易于通過人的自然語言進(jìn)行人機(jī)界面聯(lián)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(jī)及電機(jī)調(diào)速概述同步電機(jī)的特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)速與電源頻率保持嚴(yán)格的同步關(guān)系，只要電源頻率不變，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就保持不變，與負(fù)載大小無關(guān)。此外，通過改變勵(lì)磁電流就可以調(diào)節(jié)同步電機(jī)的功率因數(shù)，若使其工作在容性狀態(tài)下向電網(wǎng)輸送超前無

13、功，則可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。但是，同步電機(jī)也存在啟動(dòng)困難和重載時(shí)失步的缺點(diǎn)，這一問題在很大程度上限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。由于電力電子技術(shù)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(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論的發(fā)展，使同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)了嶄新的局面。變頻裝置作為同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)設(shè)備解決了同步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難的問題；以微處理器為核心的轉(zhuǎn)速和頻率的閉環(huán)控制，又解決了同步電動(dòng)機(jī)的失步問題。這兩個(gè)問題的解決從根本上改變了同步電動(dòng)機(jī)在調(diào)速系統(tǒng)這一領(lǐng)域的地位。小功率的永磁同步電機(jī)，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(jī)器人和數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域也越來越顯示出它的優(yōu)越性。因而永磁同步電

14、機(jī)的控制系統(tǒng)也逐步成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1.2.1 永磁同步電機(jī)的發(fā)展概述永磁同步電機(jī)是交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以永磁同步電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)備，它以永磁體替代電勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁繞組。永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。永磁同步電機(jī)省略了普通同步電機(jī)所特有的集電環(huán)和電刷，提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。由永磁體激磁，無須激磁電流，因而提高了電機(jī)的效率和功率因數(shù)。20世紀(jì)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(jī)的發(fā)展推入了一個(gè)新的歷史時(shí)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(jìn)

15、一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開發(fā)在國內(nèi)外又進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。它與電力電子技術(shù)和微電子控制技術(shù)相結(jié)合，可以制造出許多新型的、性能優(yōu)異的機(jī)電一體化產(chǎn)品和裝備，代表了21世紀(jì)電機(jī)發(fā)展方向。目前，永磁同步電機(jī)朝著高效節(jié)能、機(jī)電一體化、高性能、專用電機(jī)和輕型化方向發(fā)展。1.2.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是由控制部分、功率部分和電動(dòng)機(jī)三大要素組成的一個(gè)有機(jī)整體。各部分可以相互組合而構(gòu)成多種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然調(diào)速系統(tǒng)在電流形式分為直流調(diào)速和交流調(diào)速兩類，但在交流調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展為兩類主要的調(diào)速系統(tǒng)。目前已形成直流電動(dòng)

16、機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)三大類的調(diào)速系統(tǒng)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)差功率消耗型、轉(zhuǎn)差功率饋送型和轉(zhuǎn)差功率不變型；而同步電機(jī)轉(zhuǎn)差恒等于零即無轉(zhuǎn)差功率，所以只有無轉(zhuǎn)差不變型的變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速優(yōu)良，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制的優(yōu)點(diǎn)。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦。也正是由于這個(gè)特點(diǎn)使得直流電動(dòng)機(jī)存在著不可避免的缺陷：機(jī)械換向器和電刷造價(jià)偏高；維護(hù)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(shù)發(fā)展的新時(shí)代。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體開關(guān)器件的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但調(diào)速性

17、能可以與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且和直流電動(dòng)機(jī)相比還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、價(jià)格低廉、重量輕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、維護(hù)費(fèi)用低，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。新型電力電子技術(shù)器件和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了永磁同步電機(jī)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代的電力電子變換裝置中，PWM變壓變頻技術(shù)是主要使用的變換器控制技術(shù)，常用的PWM控制技術(shù)有：基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制SPWM控制；基于消除指定次數(shù)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(biāo)的，第3種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第4種則以

18、被控電機(jī)的算法簡(jiǎn)單，因此目前應(yīng)用最廣。永磁同步電機(jī)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(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體空間矢量正交，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與定子電流成正比。其性能類似于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩性能好，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，適用于高性能的數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等場(chǎng)合。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)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(jī)的功率因數(shù)為1，的條件下，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨電流的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。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(zhuǎn)矩小。 (3)最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，也成為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩

19、控制）。它是凸極永磁同步電機(jī)用的較多一種電流控制策略。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，逆變器的輸出電流最小，可以減小電機(jī)的銅耗。永磁同步電機(jī)本身具有非線性、強(qiáng)耦合和時(shí)變性，加上系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)還會(huì)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(jī)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificia1NeuraNetwork）的神經(jīng)控制等，使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保護(hù)良好的控制性能，大大提高了調(diào)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(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理以及坐標(biāo)變換模塊、SVPWM模塊以及整個(gè)PMSM閉環(huán)矢量控制仿真模型，使用MATLAB軟件建立仿真模型結(jié)構(gòu)圖和觀測(cè)仿真結(jié)果，永磁同步電機(jī)的仿真模型采用電流環(huán)和轉(zhuǎn)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(yīng)的模糊控制。線性PI控制器主要是根據(jù)永磁同步電機(jī)的參數(shù)，利用相關(guān)算法設(shè)計(jì)出模型中P和I的數(shù)值，以使系統(tǒng)穩(wěn)定。自適應(yīng)的模糊控制主要是對(duì)其速度環(huán)進(jìn)行智能設(shè)計(jì)。在分別研究永磁同步電動(dòng)機(jī)模糊自整定PID控制的基礎(chǔ)上，最終設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的自適應(yīng)模糊控制方法。研究的過程主要是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料和學(xué)術(shù)論文，利用MATLAB中的SIMU

21、LINK建立仿真模型進(jìn)行仿真。論文的主要研究內(nèi)容如下：(1) 在研究永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理的基礎(chǔ)上，根據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制原理以及坐標(biāo)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(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。其中，最主要的是設(shè)計(jì)PI控制器，線性PI控制器的主要設(shè)計(jì)步驟為: 將設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證線性PI控制在永磁同步電機(jī)矢量控制中的可行性。(3) 研究自適應(yīng)模糊控制在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)自適

22、應(yīng)模糊控制，將研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)模糊控制器，該控制器利用模糊控制規(guī)則，相當(dāng)于一個(gè)模糊關(guān)系存貯器。最后通過仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法的可行性。第二章 永磁同步電機(jī)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(zhuǎn)子在電動(dòng)機(jī)內(nèi)所需空間小，且它的導(dǎo)磁系數(shù)與空氣導(dǎo)磁系數(shù)相近，對(duì)于徑向結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)交軸和直軸磁路磁阻均較大，可大大減少電樞反應(yīng)。因此，永久磁鐵勵(lì)磁的同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題、控制系統(tǒng)較異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。本章首先簡(jiǎn)要敘述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和主要分類，然后對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，給出了永磁同步電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程等，從而為對(duì)其進(jìn)行矢量控制

23、奠定了理論基礎(chǔ)。2.1 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)和分類 和普通同步電動(dòng)機(jī)一樣，永磁同步電動(dòng)機(jī)也是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。電機(jī)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(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度，與通電后的定子繞組互相作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)。 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。  永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。在表面式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，這種電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感相等；而內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定

25、子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，可以保護(hù)永磁體。這種永磁電機(jī)的重要特點(diǎn)是直、交軸的主電感不相等。因此，這兩種電機(jī)的性能有所不同。2.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系上數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式是不同的。在研究永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型前，先對(duì)其作如下假設(shè)：(1) 電動(dòng)機(jī)三相繞組完全對(duì)稱；(2) 電動(dòng)機(jī)氣隙磁通在空間按正弦分布；(3) 不計(jì)渦流、磁飽和等因素的影響；(4) 轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組。 在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們建立d-q軸數(shù)學(xué)模型，它不僅可以用于分析PMSM的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行性能，也可用于分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能。d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系是一個(gè)二相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系，它的d軸可按不同方向定向，其

26、q軸逆時(shí)針超前d軸空間電角度，該坐標(biāo)系在空間以定子磁場(chǎng)的同步角速度(也就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步角速度)旋轉(zhuǎn)，站在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上再來看交流電動(dòng)機(jī)各量，這些交流物理量就為直流量了。由于轉(zhuǎn)子磁通恒定，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)，即將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸在轉(zhuǎn)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(jī)時(shí)的矢量圖在轉(zhuǎn)子d-q坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)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(zhuǎn)子角頻率，p為微分算子。永磁同步電機(jī)定子磁鏈方程為 式中，、為永磁同步電機(jī)的直軸、交軸主電感，、為定子電流矢量的直軸、交軸分量。轉(zhuǎn)矩方程為 在基速以下恒轉(zhuǎn)

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

28、磁場(chǎng)等效的原則。電動(dòng)機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，氣隙磁場(chǎng)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。氣隙磁場(chǎng)是由電動(dòng)機(jī)氣隙合成磁勢(shì)決定的，而合成磁勢(shì)是由各繞組中的電流產(chǎn)生的，只有遵守變換前后氣隙中旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(yīng)遵守變換前后電機(jī)功率不變的原則。在確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時(shí)，只要遵守變換前后電機(jī)的功率不變?cè)瓌t，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(guān)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(gè)對(duì)稱的二相電機(jī)代替一個(gè)對(duì)稱的三相電機(jī)或用一個(gè)對(duì)稱的三相電機(jī)代替一個(gè)對(duì)稱的二相電機(jī)。所謂對(duì)稱是指定、轉(zhuǎn)子各繞組分別具有相同的匝數(shù)以及相同的阻抗。三相電流變換為二相電流(3S/2S)的關(guān)系為 二相電流變換為三相電流(2S/3S)的關(guān)系為 當(dāng)定子三相繞組為星形接法時(shí)，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(jié)構(gòu)圖為3S/2S圖2-2 3S/2S變換器符號(hào)表示所謂矢量旋轉(zhuǎn)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(biāo)系與旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的變換。二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到二相靜止坐標(biāo)系的矩陣形式為 二

30、相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的逆變換關(guān)系為 同理，電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換也與電流旋轉(zhuǎn)變換相同。2.4 永磁同步電機(jī)矢量控制2.4.1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理 任何電力拖動(dòng)系統(tǒng)都服從于基本運(yùn)動(dòng)方程式 式中，為電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此知道，如果能快速準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩，那么調(diào)速系統(tǒng)就具有較高的動(dòng)態(tài)性能，因此，調(diào)速系統(tǒng)能好壞的關(guān)鍵是對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。晶閘管供電的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對(duì)象的他勵(lì)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就可以靈活地進(jìn)行控制，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)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(dú)立無耦合，可分別進(jìn)行控制。交流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與磁通、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子功率因數(shù)有關(guān)；磁通由定、轉(zhuǎn)子磁勢(shì)共同產(chǎn)生；另外磁通、轉(zhuǎn)子電流等相互耦合，互不獨(dú)立。1971年德國學(xué)者Blaschke等人提出的矢量變換控制原理實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)模仿直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。目前對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)主要有磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)(Field Orientation Control,FOC)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)(Direct Torque Control,DTC)。經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系中針對(duì)電動(dòng)機(jī)定子磁鏈和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)施獨(dú)立控制通過在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻選擇適合的電壓空間矢量來實(shí)現(xiàn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)調(diào)節(jié)器不再選用PI調(diào)節(jié)器而是采用具有繼電器特性的砰砰調(diào)節(jié)器?？刂葡到y(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特征，但是系統(tǒng)的響應(yīng)非常快速，可以充分發(fā)揮電壓型逆變器的開關(guān)能力。砰砰調(diào)節(jié)器意味著必須有脈動(dòng)才可以進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，所以在相近的開關(guān)頻率下，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的被控量呈現(xiàn)出較大的脈動(dòng)分量，并且在某些工況下會(huì)出現(xiàn)一些低頻轉(zhuǎn)矩分量。磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)的核心是在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中針對(duì)激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，并且采用的是經(jīng)典的PI線性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性特性，可以按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逆變器的控制采用了較成熟的SPWM、SVPWM等技術(shù)。磁場(chǎng)定

33、向矢量控制技術(shù)較成熟，動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能較佳，PMSM矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示。圖2-3 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 永磁同步電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)矩公式為 從中可以看出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分為兩個(gè)部分：其一為永磁體產(chǎn)生的磁鏈與定子電流轉(zhuǎn)矩分量作用后產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩；其二為轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)使得定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。這兩部分轉(zhuǎn)矩都與定子電流轉(zhuǎn)矩分量成正比，也就是說，可以通過控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量的大小來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這一電流與直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流對(duì)應(yīng)，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可以轉(zhuǎn)化為定子電流轉(zhuǎn)矩分量的控制。另一方面，定子電流的勵(lì)磁分量會(huì)影響電動(dòng)機(jī)定子磁鏈的大小，可以通過

34、它產(chǎn)生弱磁升速的效果，這一點(diǎn)與直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流類似。所以永磁同步電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)存在著很大的相似性?？刂葡到y(tǒng)中兩個(gè)電流閉環(huán)分別控制和，讓它們跟蹤給定的，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，可以實(shí)現(xiàn)與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出同一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)存在不同的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)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(shí)，從電動(dòng)機(jī)端口看，永磁同步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)他勵(lì)的直流電機(jī)，定子電流中只有交軸分量，且定子磁動(dòng)勢(shì)空間矢量與永磁體磁動(dòng)勢(shì)空間分量正交，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其大小為。因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩僅僅依賴于交軸電流，從

35、而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中的交、直軸電流解耦。這種控制方法最為簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)在于隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，漏感壓降增大，功率因數(shù)降低；由于未有弱磁電流，所以電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍有限。 在=0的控制方式下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩中只有永磁轉(zhuǎn)矩分量，其磁鏈和轉(zhuǎn)矩都可以簡(jiǎn)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(jī)極對(duì)數(shù)，為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈，為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為定子電阻，為dq0坐標(biāo)系下的自感，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。上式即為永磁同步電動(dòng)機(jī)的解耦方程，在輸入電壓為和輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為的情況下，可以得到永磁同步電動(dòng)機(jī)的等效框圖。圖2-4 永磁同步電動(dòng)機(jī)等效框圖2.4.2 空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)SVPW

36、M是空間電壓矢量 PWM波產(chǎn)生，它具有電壓利用率高、低諧波成分、開關(guān)次數(shù)少和功率管功耗小等特點(diǎn)。同時(shí)，SVPWM 還能很好的結(jié)合矢量控制算法，為矢量控制得實(shí)現(xiàn)提供很好的途徑，以最大限度的發(fā)揮設(shè)備的性能。SVPWM主要是使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)通以三相對(duì)稱的正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)并以此磁場(chǎng)為基準(zhǔn)，通過逆變器功率器件的不同開關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來逼近基準(zhǔn)園，并產(chǎn)生三相互差120電角度的接近正弦波的電流來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本文主要用的是三相空間電壓矢量控制：基于固定開關(guān)頻率的電流控制，即使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸系中的電流調(diào)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(dá)到控制電流的目的。第三章 永磁同步電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)PI調(diào)速系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)在閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)中，當(dāng)以調(diào)節(jié)器為核心的閉環(huán)多于一個(gè)時(shí)，我們稱其為多環(huán)系統(tǒng)。常見的多環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、帶電流變化率內(nèi)環(huán)和帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。尤其以轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)最為典型。本課題采用的是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣

38、就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.1 PI調(diào)節(jié)器PI控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)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(shù)常見的表達(dá)式有以下兩種：(1) ，；(2) ，為比例增益，為積分時(shí)間常數(shù)。這兩種表達(dá)式并無本質(zhì)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(jiǎn)單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。當(dāng)僅有比例控制時(shí)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(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)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(jiǎn)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(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)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(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti

40、，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。3.2 PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種多環(huán)系統(tǒng),設(shè)計(jì)多環(huán)系統(tǒng)的一般方法是:從內(nèi)環(huán)開始逐步向外擴(kuò)大,一環(huán)一環(huán)地進(jìn)行設(shè)計(jì)。先從電流環(huán)入手,設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器,然后把電流環(huán)看作是速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)速度環(huán),因此首先考慮進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。電流環(huán)的作用是:提高系統(tǒng)的快速性,抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾,限制最大電流以保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。速度環(huán)的作用是:增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)的能力,抑制速度波動(dòng)。下面分別論述電流環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。3.2.1 電流環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)相對(duì)速度環(huán)而言,電流內(nèi)環(huán)一般只與PWM逆變器和電機(jī)參數(shù)有關(guān),不受外部負(fù)

41、載變化的影響,所以電流環(huán)有固定的結(jié)構(gòu),如圖3-2所示,電流環(huán)的參數(shù)可以按一定方法計(jì)算。圖3-2 電流環(huán)的傳遞函數(shù) 上圖中，是電流PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),是電流PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù),是調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù),通常在數(shù)字實(shí)現(xiàn)中寫成比例和積分分開的形式： 式中，為積分系數(shù)，。在圖3-2中,電流環(huán)的控制對(duì)象為:PWM逆變器和電機(jī)的電樞回路。PWM逆變器一般可以看成具有時(shí)間常數(shù)(=1/,為逆變器開關(guān)管的工作頻率)的一階慣性環(huán)節(jié)。電機(jī)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(shí)間常數(shù)(等于L/R,此處L,R為電機(jī)的電感和電阻,對(duì)永磁同步電機(jī)來說是電機(jī)定子電感和電阻,對(duì)異步電機(jī)來說是定子漏感和定子電

42、阻),=1/R,反映了穩(wěn)態(tài)時(shí)坐標(biāo)下電機(jī)電壓和電流的比例關(guān)系。表示逆變器的放大倍數(shù),而是開關(guān)周期,代表逆變器的延時(shí)。是電流反饋通道的濾波時(shí)間常數(shù),為電流反饋的放大倍數(shù)。圖3-2中的開環(huán)傳遞函數(shù)寫成傳遞函數(shù)形式為： 式中,一般而言,電感時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于濾波時(shí)間常數(shù)和開關(guān)周期。逆變器的放大倍數(shù)定義為實(shí)際輸出電壓和與給定電壓的比值,在數(shù)字控制中,采用SVPWM控制時(shí),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(shù)字AD采樣值,反饋值代表了電流的實(shí)際值,因此放大倍數(shù)=1。按照調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法,選擇電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)對(duì)消被控對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn),即: 所以上式可以寫為： 由于和都是小時(shí)間常數(shù),可

43、用一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的一階環(huán)節(jié)代替這兩個(gè)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(shù)可簡(jiǎn)化為一個(gè)典型型系統(tǒng)： 式中，。這時(shí),對(duì)應(yīng)的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為一個(gè)典型二階系統(tǒng)： 式中，。按照二階系統(tǒng)最優(yōu)的指標(biāo),令=0.707,則可算出相應(yīng)的環(huán)路增益K=1/(2),再根據(jù)各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù),即可確定增益。又因?yàn)榈扔?所以電流控制器的參數(shù)就確定了,即： 3.2.2 速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中交軸電流控制環(huán)是速度環(huán)的內(nèi)環(huán),因此設(shè)計(jì)速度環(huán)首先要得到控制環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù),然后將其作為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)再進(jìn)行速度環(huán)的設(shè)計(jì)。由于轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般較低,因此電流環(huán)傳遞函數(shù)可去掉高次項(xiàng)降階近似為 是轉(zhuǎn)速反饋濾波環(huán)節(jié),在轉(zhuǎn)速

44、給定路徑上也加上這樣一個(gè)環(huán)節(jié),移到環(huán)內(nèi)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(jié)構(gòu)圖 速度環(huán)一般校正成典型系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)為以下形式: 速度環(huán)的前向通道已經(jīng)有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此速度調(diào)節(jié)器也采用PI調(diào)節(jié)器,即: 式中:為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù);為調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)?？紤]到和2都很小,因此可將兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合成一個(gè)慣性環(huán)節(jié),即用替代,其時(shí)間常數(shù)為 將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型型系統(tǒng),系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 按照典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì),根據(jù)典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)公式: 式中,為中頻帶寬,它的選擇和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有關(guān),越大,超調(diào)量越小,但調(diào)節(jié)時(shí)間并不是單調(diào)的,由于當(dāng)=5時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間最短,動(dòng)

45、態(tài)響應(yīng)最快,因此選擇=5為好。為轉(zhuǎn)矩常數(shù),定義為額定轉(zhuǎn)矩與額定電流的比值,即。帶入數(shù)據(jù)可以求得和數(shù)值。 至此,通過典型系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)法,系統(tǒng)的電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的調(diào)節(jié)器都設(shè)計(jì)出來了。按照上述方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行校正后可以使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電流跟蹤定子電流給定信號(hào)。第四章 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制，包括經(jīng)典理論和現(xiàn)代控制理論中有一個(gè)共同點(diǎn)，即控制器的綜合設(shè)計(jì)都要建立在被控對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，但是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，很多系統(tǒng)的影響因素很多，十分復(fù)雜，建立精確的數(shù)學(xué)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?yàn)槟：刂撇挥媒?shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出結(jié)果數(shù)

46、據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。模糊控制實(shí)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(diǎn)：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(jù)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。2 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握的對(duì)象非常適用。3 基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異；但一個(gè)系統(tǒng)語言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)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(shí)及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)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(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。4.1 模糊控制的基本概念設(shè)U為某些對(duì)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(gè)模糊子集F；稱為F的隸屬函數(shù)(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(jí)。在論域U中，也可把模糊子集表示為元素u與其隸屬函數(shù)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(diǎn)及模糊單點(diǎn) 如果模糊集是論域U中所有滿足的元素u構(gòu)成的集合，則稱為該集合為模糊集F的支集。當(dāng)元素u滿足=0.5時(shí)，稱為交叉點(diǎn)。當(dāng)u滿足時(shí)，則稱為此模糊集為模糊單點(diǎn)。定義4.3 模糊集的運(yùn)算 設(shè)A和B為論域U中的兩個(gè)模糊集，其隸屬函數(shù)分別為,則對(duì)于所有，存在下列運(yùn)算：(1) A與B的并記為，其函數(shù)定義為： (2) A與B的交記為, 其函數(shù)定義為： (3)A的補(bǔ)記為，其隸屬函數(shù)定義為：

49、定義4.4 直積(笛卡爾乘積，代數(shù)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(gè)模糊集合，其隸屬函數(shù)為： 定義4.5 模糊關(guān)系 若是兩個(gè)非空模糊集合，則其直積中的一個(gè)模糊子集R稱為從U到V的模糊關(guān)系，可表示為： 定義4.6 復(fù)合關(guān)系 若R和S分別為和中的模糊關(guān)系，則R和S的復(fù)合是一個(gè)從U到W的模糊關(guān)系，記為： 其隸屬函數(shù)為： 式中的*號(hào)可為三角范式內(nèi)的任意一種算子，包括模糊交、代數(shù)積、有界積和直積等。定義4.7 語言變量 一個(gè)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(chǎn)生語言值名稱的語法規(guī)則；M為與各語言值含義有關(guān)的語法規(guī)則。語言變

50、量的每個(gè)語言值對(duì)應(yīng)一個(gè)定義在論域U中的模糊數(shù)。語言變量基本詞集把模糊概念與精確值聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)定性概念的定量化以及定量數(shù)據(jù)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(gè)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(guān)系R表示。關(guān)系R可視為受約于區(qū)間的N個(gè)變量的函數(shù)。是幾個(gè)N維關(guān)系的組合，每個(gè)代表一條規(guī)則：?？刂破鞯妮斎氡荒：癁橐魂P(guān)系X，對(duì)于多輸入單輸出(MISO)控制時(shí)X為(N-1)維。模糊輸出Y可應(yīng)用合成推理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。對(duì)模糊輸出Y進(jìn)行模糊判決(解模糊)，可得精確的數(shù)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(shù)來描述X、Y和R，所以，該控制方法需要許多存儲(chǔ)器，用于實(shí)現(xiàn)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(biāo)、輸出定標(biāo)、模糊化、模糊決策和解模糊等部分組成。比例系數(shù)(標(biāo)度因子)實(shí)現(xiàn)控制器輸入和輸出與模糊推理所用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔之間的映射。模糊化(量化)使所測(cè)控制器輸入在量綱上與左側(cè)信號(hào)(LHS)一致。這一步不損失任何信息。模糊決策過程由推理機(jī)來實(shí)現(xiàn)；該推理機(jī)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(quán)輸出，產(chǎn)生一個(gè)輸出空間的概率分布值。模糊判決把這一概率分布?xì)w納于一點(diǎn)，供驅(qū)動(dòng)器定標(biāo)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(jié)構(gòu)如圖4-3所示。其中，模糊控制器由模糊化接口、知識(shí)庫、推理機(jī)和模糊判決接口四個(gè)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(cè)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(gè)合適的響應(yīng)論域的量程，然后，精確的輸入數(shù)據(jù)被變換為適當(dāng)?shù)恼Z言值或模糊集合的標(biāo)識(shí)符。本單元可視為模糊集合的標(biāo)記。(2)知識(shí)庫。涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)的相關(guān)知識(shí)，它由數(shù)據(jù)庫和語言控制規(guī)則庫組成。數(shù)據(jù)庫為語言控制規(guī)則的論域離散化和隸屬函數(shù)提供必要的定義。語言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗浴?3)推理機(jī)。這是模糊控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，

53、模糊控制信息可通過模糊蘊(yùn)含和模糊邏輯的推理規(guī)則來獲取，并可實(shí)現(xiàn)擬人決策過程。根據(jù)模糊輸入和模糊控制規(guī)則，模糊推理求解模糊關(guān)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(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制作用。此精確控制作用必須進(jìn)行逆定標(biāo)，這一作用是在對(duì)受控過程進(jìn)行控制之前通過量程變換實(shí)現(xiàn)的。4.3 模糊控制器的結(jié)構(gòu)在確定性自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通常將具有一個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量(即一個(gè)控制量和一個(gè)被控量)的系統(tǒng)稱為單變量系統(tǒng)(Single Input Single Output,簡(jiǎn)稱為SISO)，而將多余一個(gè)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(jiǎn)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(gè)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(shí)輸入量應(yīng)該是3個(gè)，但是人們也習(xí)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(jié)構(gòu)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(duì)象，由于這種控制器輸入變量只選取一個(gè)誤差，它的動(dòng)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(jié)構(gòu) 4.4 自適應(yīng)模糊控制 70年代以來，由于空間技術(shù)、機(jī)器人控制和過程控制的需要，尤其是微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自適應(yīng)控制理論和設(shè)計(jì)方法獲得了迅速的發(fā)展，它已經(jīng)成為現(xiàn)代控制理論中的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。自適應(yīng)控制器必須同時(shí)具備兩個(gè)功能：(1) 根據(jù)被控過程的運(yùn)行狀態(tài)給出合適的控制量，即控制功能；(2) 根據(jù)給出的