滑?？刂朴来磐诫姍C(jī)調(diào)速系統(tǒng)

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)指導(dǎo)教師：韓春曉教授2013年6月天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師：韓春曉教授對其仿真和實驗研究，該方案設(shè)計的SMC控制器表達(dá)式和PI控制一樣簡單，結(jié)permanentmagnetrotorifreplacedtheDCwindingcorrespondingbpermanentmagnetsynchronousmI 1.1永磁同步電動機(jī)的發(fā)展概況和發(fā)展前景 11.2永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程 11.3滑?？刂朴来磐诫妱訖C(jī)的概述 2 2.1永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)方程 42.2永磁同步電動機(jī)的雙反應(yīng)理論 52.3永磁同步電動機(jī)的等效電路 62.4永磁同步電動機(jī)的損耗和效率 72.5永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 8 3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本定義 3.2滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法 3.3滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點 3.4SMC控制器的設(shè)計 3.5穩(wěn)定性分析 3.6SMC控制器與PI控制器的比較 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)論文11.1永磁同步電動機(jī)的發(fā)展概況和發(fā)展前景近年來，隨著電力電子技術(shù)的新型電機(jī)控制理論和稀土永磁材料，永磁同步電傳統(tǒng)的PI控制器難以滿足高性能控制的要求，它是難以得到滿意與州長性能的定1.2永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)應(yīng)用的逐漸成熟，如SVPWMSVM-DTC,DTC,MRAS方法在實在1971年，德國學(xué)者交流電機(jī)矢量控制的新思路，新理論 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)論文2永磁同步電機(jī)矢量控制的低功耗和高精度的場合。隨后，在1985年，由德國魯爾大20世紀(jì)90年代，隨著微電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，高速，高集成度，1.3模控制永磁同步電動機(jī)的概述滑模變結(jié)構(gòu)控制在20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov變結(jié)構(gòu)控制的概念，研究對象：二階線性系統(tǒng)。在20世紀(jì)60年代，研究對象：高階線性單輸入控制下。1977年：發(fā)表評論Utkin紙變結(jié)構(gòu)控制，變結(jié)構(gòu)控VSC開始探索永磁同步電機(jī)SMC技術(shù)，調(diào)速系統(tǒng)為永磁同步電機(jī)位置傳感器速度控制系 3該方法適用于矢量控制的永磁同步電動機(jī)的控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)的研究 42永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和工作原理2.1永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)方程5圖2-1d)所示的是直軸增、去磁臨界狀態(tài)(i?與E,同相)下的相量圖，由此可從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢：2.2永磁同步電動機(jī)的雙反應(yīng)理論在各種的永磁同步電動機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)，在另外的外表面的凸轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由于永磁材料和鐵磁材料的磁導(dǎo)率的差異過大，從而導(dǎo)致在非對稱磁路，所以他們在電性能上是所有凸極轉(zhuǎn)子[4]。因此，沿電樞(轉(zhuǎn)子)的每單位面積相同，如圖2.2所示的圓周氣隙磁導(dǎo)的點。因為這些更改轉(zhuǎn)子磁極的軸線，和周期的電氣角為180°的空間是對稱的，因此，高次諧波被忽略，直軸的坐標(biāo)原點時極，磁導(dǎo)率的表達(dá)可近似為：式中%—磁導(dǎo)的平均值；x為沿電樞表面的電角度。 6圖2-2凸極永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)空間分布從而使永磁同步電動機(jī)微分方程中的電感(電感和磁導(dǎo)成正比)不再是轉(zhuǎn)子位置的函2.3永磁同步電動機(jī)的等效電路如圖2.3所示，直軸或d軸與永磁磁極的磁鏈?zhǔn)噶?，的軸線重合，這樣交軸將與合成反電動勢矢量V,的軸線重合。反電動勢V,的幅值可簡單表示為：圖2-3d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合的同步旋轉(zhuǎn)坐三相正弦激勵電流也可表示為一個瞬時電流矢量7,它由d軸與q軸上的標(biāo)量i7b)永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括以下四項：(1)定子繞組電阻損耗電阻損耗p.(W)可由下面公式計算：永久磁鐵同步電動機(jī)的電動機(jī)使用的硅鋼板的材料的鐵損，也可與電動機(jī)的工作溫度中的大小變化，負(fù)載的變化。這是因為電機(jī)的溫度和負(fù)載的變化導(dǎo)致的工作點的變化的永久磁鐵電動機(jī)中，定子齒的磁通密度，磁軛部也發(fā)生變化，從而影響了電機(jī)的鐵損。工作中，溫度越高，更大的負(fù)載，定子齒，較小的磁通密度的磁軛部，較小的鐵損的電機(jī)。永磁同步電動機(jī)的機(jī)械損失及其他電機(jī)，軸承，潤滑油，冷卻風(fēng)扇和電動機(jī)組件的質(zhì)量，機(jī)械損失可以計算根據(jù)測量值或參考其它電機(jī)的機(jī)械損失。永磁同步電機(jī)的雜散損耗，沒有一個準(zhǔn)確的計算公式一般是根據(jù)實際情況和經(jīng)驗。隨著負(fù)載的增加，電機(jī)的電流值增加，大致正比于電流平方的雜散損耗。當(dāng)最后的電子電流，電機(jī)的雜散損耗(W),可以近似計算：Pay——電動機(jī)輸出額定功率時的雜散損耗(W)。 8相同，B,較小，鐵損耗比異步電動機(jī)小。忽略電動機(jī)鐵心的飽和②沒有考慮到在電機(jī)的渦流和磁滯損耗，③定子和轉(zhuǎn)子磁動?？刂葡嘟Y(jié)合，以提高永磁直線同步電SMC還是很方便的。為了便于在d-q坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為控制。認(rèn)為這后者的效率。由于旋轉(zhuǎn)磁場的等效，-坐標(biāo)電機(jī)的9B為電機(jī)阻尼系數(shù)；J為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量。 3控制器的設(shè)計變結(jié)構(gòu)控制VSC是一類特殊的非線性控制方法，在上世紀(jì)五十年代由蘇聯(lián)人Ukin首先提出。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)主要包括切換模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制、沿退化軌跡運動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制。其中，前兩種構(gòu)造變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)僅適用于具體的二階系統(tǒng)中，這就限制了其發(fā)展。只有滑模變結(jié)構(gòu)控制理論得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，它與常規(guī)控制策略的根本區(qū)別在于控制會呈現(xiàn)出不連續(xù)性，又被稱作是系統(tǒng)"結(jié)構(gòu)"隨時間變化的開關(guān)特性?；？刂?slidingmodecontrol,SMC)也叫變結(jié)構(gòu)控制，本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)(如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對應(yīng)參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的定義如下：在如下的狀態(tài)空間中有一個切換面(又稱超曲面)s(x)=s(x?,x?,...,x,)=0,它將狀態(tài)空間分成上下兩部分。系統(tǒng)的狀態(tài)在到達(dá)切換面附近時，其運動會有以下三種情況：①穿越切換面上的一點(點A)②從切換面上的一點離開(點B)③從切換面的兩邊趨向于一點(點C)通常情況下，將切換面上的這三種點稱為常點，起點和止點，其中前兩種點不會產(chǎn)生滑動模態(tài)。而止點對系統(tǒng)的性質(zhì)而言是有著特殊含義的，因為若是在切換面上某一區(qū)域內(nèi)所有的點都是止點，并且該系統(tǒng)只有原點是平衡點那么一旦有運動點趨近這個區(qū)域，就被吸引在該區(qū)域上運動，并且沿著切換面向平衡點運動。那么，就稱沿切換面s(x)=0的運動為滑模運動或稱滑動模態(tài)。所有止點的區(qū)域為滑動模態(tài)區(qū)。 滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平稱為趨近模態(tài)或趨近運動，如圖3-2所示。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)論文3.3滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點滑模變結(jié)構(gòu)控制所具有的特點異于一般常規(guī)控制方法，這滑?？刂频奶攸c是能夠克服系統(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)具有很強(qiáng)的簡單,響應(yīng)速度快，對外界噪聲干擾和參數(shù)攝動具有魯棒性，在機(jī)器人控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也有學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用于空間機(jī)器人控制。變結(jié)構(gòu)控制作為非線性控制的重要方法近年來得到了廣泛深入的研究，其中一個重要的研究分確定外擾存在下的到達(dá)過程，模糊調(diào)整控制則用來提高控制性能并減少振顫.研究了一類非線性系統(tǒng)的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，設(shè)計了滑模控制器和PI控制器的組合模糊邏輯控制器，充分發(fā)揮了各控制器的優(yōu)點.提出了基于有限時間機(jī)理的快速Terminal滑?？刂品椒ú⒔o出了與普通Terminal滑?？刂菩阅艿谋容^.設(shè)計了針對參數(shù)不確定與外干擾的非奇異Teminal滑模控制方法，并提出了分等級控制結(jié)構(gòu)以簡化控制器設(shè)計.上述這些方法在實際系統(tǒng)中雖然得到了有效應(yīng)用，但無論是自應(yīng)滑?？刂七€是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，均增加了系統(tǒng)復(fù)雜性與物理實現(xiàn)難3.4SMC控制器的設(shè)計SMC是基于控制平面的，其基本思路是，從任何角度的狀態(tài)軌跡控制作用引導(dǎo)滑動面，同時確保滑動面的運動是漸近穩(wěn)定的，也就是說，滑動的模態(tài)。式中w*——給定轉(zhuǎn)速w——實際轉(zhuǎn)速結(jié)合方程(2)、(3)得可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為了使系統(tǒng)無超調(diào)地達(dá)到穩(wěn)定，選擇一階滑模面選擇所有的狀態(tài)變量反饋SMC控制模式，控制輸出形式和PD控制表達(dá)式類似由滑模運動的可達(dá)性條件ss<0:解得ss=(x?+cx?)s=[(1-acac最后，通過一個積分器的控制輸出。一方面，由于非線性控制系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象存在，積分濾波器的輸出可以削弱抖振。另一方面，輸出不可分割的一部分，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。由上可獲得最終控制量iq,其中φ1、φ2按式(9)3.5穩(wěn)定性分析并進(jìn)入滑動模態(tài)，以確保穩(wěn)定的滑動模式中，運動階段，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以得到保證。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分析。取Lyapunov函數(shù)對其求導(dǎo)得由于SMC的可達(dá)性條件為ss<0,故能保證V(x)<0,即能保證系統(tǒng)進(jìn)入滑動模態(tài)。一旦進(jìn)入滑模面(s=0),系統(tǒng)即進(jìn)入滑?？刂茽顟B(tài)。結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)方程(6),得SMC下系統(tǒng)的運動微分方程解此方程得的。在這種情況下，系統(tǒng)的質(zhì)量由參數(shù)c的開關(guān)接觸面是完全確定的，該系統(tǒng)的內(nèi)容和參數(shù)，干擾，達(dá)到穩(wěn)定的時間，只能與c相關(guān)聯(lián)，因此，有一個非常強(qiáng)大的和快速。綜上所述，SMC下的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)全局穩(wěn)定。結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)方程(5),可得PI控制的系統(tǒng)運動微分方程：比較系統(tǒng)的運動微分方程(13),(16)可見，PI控制的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的二階系統(tǒng)，PI參數(shù)選擇合適的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的。PI調(diào)整參系統(tǒng)工作在欠阻尼狀態(tài)，其速度超調(diào)的相平面的狀態(tài)軌跡螺旋往往起源穩(wěn)定。SMC控制系統(tǒng)減少為一階系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性只依賴于參數(shù)c角選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)可成倍實現(xiàn)穩(wěn)定的，它可以實現(xiàn)快速的由式(14)所示的，沒有過沖?？梢?，SMC參數(shù)整定，并簡化設(shè)計的穩(wěn)定性。比較式(10),式(15)所示，兩個控制器中，表達(dá)式為極其相似?？梢?，SMC控制沒有增加的復(fù)雜性，實施的控制器。不同的是，SMC是變結(jié)構(gòu)控制，控制是φ1,φ2值的變化。φ1,φ2的變化由系統(tǒng)的狀態(tài)的滑動面。之前進(jìn)入的滑動面，可被視為普通的PI控制一旦進(jìn)入滑動表面，該系統(tǒng)是沿滑動面指數(shù)是穩(wěn)定的。通過上述滑動面，立即改變對系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的強(qiáng)制運動的滑動面。而來回奔波，這樣的系統(tǒng)是漸近對產(chǎn)地來源的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)是狀態(tài)在相平面上的軌跡總是在附近的滑線運動，滑模線設(shè)計。如果有外部干擾△TL變動，即系統(tǒng)中的f參數(shù)，由式(8),(9),式(13)中，SMC控制參數(shù)選擇不改變其性能的情況下，不會受到影響。由式(16)的PI控制的PI中的原始參數(shù)是可見的，系統(tǒng)性能將受到影響。如果電動機(jī)參數(shù)(如J河，A的)改變時，即在系統(tǒng)參數(shù)中A,F的變化，由式(8),(9),式(13)是可見的，因為φ1,φ2被一定范圍內(nèi)的值，所以只要參數(shù)改變φ2的值仍然滿足的值的范圍，最后軌跡的系統(tǒng)還沒有受到任何影響，其性能不受。使用PI控制，每個參數(shù)的變化會影響系統(tǒng)的性能?？梢?，SMC控制器動作干擾和參數(shù)圖片是不變的，更強(qiáng)大的比PI。在SM控制器C是一個非線性的控制。當(dāng)實際系統(tǒng)的實施，是無法實現(xiàn)的理想的開關(guān)特性。由于時間延遲，以及其他因素會影響空間滯后通常是困難，以確保該系統(tǒng)是完全沿滑線運動，但在附近的滑線運動，從而在不斷變化的控制，對SMC控制抖振現(xiàn)象 SMC控制器和PI控制器作為一個簡單，易于實現(xiàn)，但它是更強(qiáng)大的PI控制器， BBSMC控制設(shè)計，以驗證算法的正確性，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真和實驗研究。在圖4.1中所示的系統(tǒng)的控制方案。速度調(diào)節(jié)器SMC控制或PI控制可以使用。圖4-2是SMC控制和PI控制系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡在相平面上?？梢钥闯?，在SMC的