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

前言隨著社會(huì)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(dòng)石油的地位。石油鉆機(jī)則是用來對(duì)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(gè)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(duì)石油鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).根據(jù)鉆井機(jī)械工藝對(duì)驅(qū)動(dòng)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(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載干擾或外部未知擾動(dòng)時(shí)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(dòng)設(shè)備。21世紀(jì)是一個(gè)被科學(xué)占領(lǐng)的世紀(jì)，人們對(duì)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(huì)因?yàn)閮r(jià)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(duì)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?yàn)榈乃惴ǜ菀桌斫饪焖傩?，靜差率等一系列特點(diǎn)。但系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定對(duì)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(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)相應(yīng)的也會(huì)變大，相應(yīng)的當(dāng)超調(diào)足夠小，將近為零時(shí)，快速性又太小，二者存在很大的矛盾性。同時(shí)，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速改變時(shí)，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(shì)。并且是較強(qiáng)耦合性的非線性系統(tǒng)，會(huì)工作在干擾較大的惡劣環(huán)境中，所以綜上所述，對(duì)的控制，如果要提高系統(tǒng)性能，則需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)，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(cè)控制方法，通過無差拍預(yù)測(cè)原理實(shí)現(xiàn)在線預(yù)測(cè)，構(gòu)建電壓代價(jià)函數(shù)，將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。文獻(xiàn)則是針對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)的分?jǐn)?shù)槽集中繞組，根據(jù)容錯(cuò)控制提出在斷路故障時(shí)，保證系統(tǒng)輸出光滑的轉(zhuǎn)矩，并且降低磁動(dòng)勢(shì)諧波的策略，實(shí)驗(yàn)表明該策略的可靠性。文獻(xiàn)針對(duì)三電平驅(qū)動(dòng)的提出了無速度傳感器的有限級(jí)預(yù)測(cè)，和傳統(tǒng)的控制相比，有限級(jí)預(yù)測(cè)的方法可以在降低定子電流中諧波含量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)在情況復(fù)雜的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)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(cè)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(dòng)態(tài)性能，且在運(yùn)行時(shí)會(huì)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(duì)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用和的原因都是對(duì)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(gè)控制器在控制系統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)中占有比例逐漸提高。算法易實(shí)現(xiàn)、抗擾動(dòng)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(huì)提高。然而在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)出現(xiàn)空間滯后和時(shí)間延遲等不可測(cè)干擾，導(dǎo)致滑模線兩側(cè)相互交叉，出現(xiàn)了高頻運(yùn)動(dòng)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(cè)器()不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)擾動(dòng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，還能對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。使整個(gè)能有效的提高抗擾動(dòng)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(dòng)機(jī)能夠明顯的提高并改善動(dòng)態(tài)性能。矢量控制技術(shù)利用虛擬軸產(chǎn)生一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)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(gè)坐標(biāo)軸的電流就不再相關(guān)聯(lián)，只需對(duì)軸分量進(jìn)行控制，就可以完成對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的控制。在實(shí)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(huì)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(shí)控制上的研究，滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)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(diǎn)，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(guó)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(shí)代發(fā)展，被應(yīng)用到更多地方，例如年的聚丙烯廠自控實(shí)驗(yàn)，聚丙烯的產(chǎn)量和質(zhì)量都有所提高；在年對(duì)進(jìn)行了在運(yùn)動(dòng)控制上的工業(yè)評(píng)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(duì)象，并且在世界各地發(fā)售?，F(xiàn)在更是被應(yīng)用于全國(guó)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(diǎn)。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(diǎn)，使所針對(duì)系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)意義在于，去改善傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)，利用新的控制方法，在符合時(shí)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(lì)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(duì)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(dòng)慣量；：摩擦系數(shù)；：轉(zhuǎn)子電角速度；：電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)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(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)一樣良好的動(dòng)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(duì)施加在定子繞組的基本電壓矢量加以合成，共有6個(gè)開關(guān)器件組成，6個(gè)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(dòng)中都不會(huì)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(gè)扇區(qū)，利用這六個(gè)基本有效矢量和兩個(gè)零矢量，可以合成內(nèi)的任何矢量。SVPWM的特點(diǎn)：開關(guān)損耗小。每次切換開關(guān)狀態(tài)時(shí)只涉及一個(gè)器件，計(jì)算簡(jiǎn)單。直接生成三相PWM波，但要注意波形的對(duì)稱性。每一個(gè)小區(qū)間都以000開始和結(jié)束。采用控制時(shí)，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(gè)扇區(qū)Fig.1-5radiationformofvoltagespacevectorand6sectors1.3本章小結(jié)本章首先是對(duì)在結(jié)構(gòu)上和數(shù)學(xué)模型上的介紹，第二是對(duì)矢量控制的原理進(jìn)行了基本的了解，另外還對(duì)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換建立軸的數(shù)學(xué)模型。最后是對(duì)的原理介紹，對(duì)扇區(qū)進(jìn)行描述并繪制了圖片。本章是對(duì)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(jì)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(duì)外界干擾的滑模不變性與運(yùn)動(dòng)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(yùn)行，以至于保證了整個(gè)動(dòng)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(jì)1)滑模面的設(shè)計(jì)a.滑模面的基本原理滑模面的設(shè)計(jì)不僅會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)產(chǎn)生影響而且也會(huì)對(duì)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(shí)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(xiàng)。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(dòng)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(duì)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(dòng)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(gè)正常數(shù)，根據(jù)取值的不同，系統(tǒng)也會(huì)獲得不同的動(dòng)態(tài)控制性能，誤差會(huì)收斂于滑模上，以實(shí)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(gè)控制就可以使當(dāng)系統(tǒng)輸入遠(yuǎn)離滑模面時(shí)不起作用，而其作用，當(dāng)?shù)竭_(dá)滑模面時(shí)，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(duì)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(jì)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(duì)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(shí)數(shù)，是符號(hào)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?jī)烧唛g的問題。是用一個(gè)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(dòng)。然后系統(tǒng)再給出控制量來補(bǔ)償。則給出被控對(duì)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(dòng)，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(hào)的跟蹤信號(hào)，，，，為的各階廣義微分，為跟蹤微分器輸入信號(hào)的界，是一個(gè)非線性函數(shù)。2）階（2-16）式中，為系統(tǒng)的跟蹤信號(hào)，，，，為的各階廣義微分，是對(duì)總擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)，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(jì)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(duì)于電流環(huán)動(dòng)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(jì)算得到，為系統(tǒng)未知擾動(dòng)，為系統(tǒng)總擾動(dòng)，對(duì)進(jìn)行估計(jì)可以獲得系統(tǒng)總擾動(dòng)，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(jì)電流環(huán)一階為：1）（2-25）式中，為軸電流參考值的微分信號(hào)，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(jì)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(hào)，為系統(tǒng)總擾動(dòng)的觀測(cè)信號(hào)，為誤差信號(hào)，、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(duì)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(jì)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(duì)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(gè)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(duì)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(shí)，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(duì)比。1）加減速（實(shí)線為控制）初始速度為，在0.4s時(shí)速度上升到，在0.8s時(shí)速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-9轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-9Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-10q軸電流曲線對(duì)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(shí)，系統(tǒng)都在加速，反映到q軸電流上為正方向，而在0.8時(shí)，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(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-11Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-12q軸電流曲線對(duì)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(shí)，和控制的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速會(huì)有很小的波動(dòng)，但是能很快回到穩(wěn)定狀態(tài)，而在控制下的系統(tǒng)會(huì)有很大的波動(dòng)，讓它趨于平衡狀態(tài)也需要比較長(zhǎng)的時(shí)間。從圖2-12可以看出，在加入負(fù)載后，電流會(huì)上升后平穩(wěn)，在這中間亦可以看出虛線比實(shí)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(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-13Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-14q軸電流曲線對(duì)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(shí)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(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。兩個(gè)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(duì)比。1）加減速（實(shí)線為只有的情況）初始速度為，在0.4s時(shí)速度上升到，在0.8s時(shí)速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-15轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-15Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-16q軸電流曲線對(duì)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(shí)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(shí)，看圖能夠看出虛線明顯比實(shí)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(shí)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(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-17Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-18q軸電流曲線對(duì)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(gè)時(shí)間點(diǎn)上乃至之后的延續(xù)里抖振更大，但最終也會(huì)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(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-19Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-20q軸電流曲線對(duì)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(shí)，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(duì)比。1）加減速（實(shí)線為只有的情況）初始速度為，在時(shí)速度上升到，在時(shí)速度又減低到。①轉(zhuǎn)速圖2-21轉(zhuǎn)速對(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-21Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-22q軸電流曲線對(duì)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(shí)間很長(zhǎng)，但是快速性弱，特別是在0.4s和0.8s速度發(fā)生改變的時(shí)間點(diǎn)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(shí)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(duì)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(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-23Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-24q軸電流曲線對(duì)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(shí)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(shí)線前，在和同時(shí)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(shí)線更快，且超調(diào)還小。不管是在加載還是減載的時(shí)間點(diǎn)上，虛線的效果都比實(shí)線要好。正反轉(zhuǎn)（實(shí)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(duì)比曲線仿真結(jié)果圖Fig.2-25Simulationresultsofrotationalspeedcomparisoncurve②軸電流圖2-26q軸電流曲線對(duì)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(shí)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(shí)需要更多的時(shí)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(shí)線，且在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)含模塊的系統(tǒng)電流要回到原來平衡狀態(tài)的時(shí)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(duì)所設(shè)計(jì)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(yàn)證上都加以描述，并且與控制進(jìn)行了對(duì)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(dú)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(diǎn)。3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)電路部分主要有主電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路，檢測(cè)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(dòng)電路是將生成的六路信號(hào)經(jīng)過光耦進(jìn)行相關(guān)的隔離，然后送入到驅(qū)動(dòng)芯片來產(chǎn)生所要驅(qū)動(dòng)的信號(hào)；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(hào)調(diào)理電路，以此來實(shí)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(hào)處理器為主，以此為基礎(chǔ)來實(shí)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(yùn)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(diǎn)，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(gè)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(gè)電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(jiǎn)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(gè)二極管構(gòu)成，逆變電路由6個(gè)構(gòu)成,提供6路信號(hào)。圖3-3主電路硬件連接圖Fig.3-3hardwareconnectiondiagramofmaincircuit3.2.2檢測(cè)電路兩相電流檢測(cè)電路對(duì)的，兩路電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)電路。圖3-4a相電流檢測(cè)電路Fig.3-4aphasecurrentdetectingcircuit直流母線電壓檢測(cè)電路輸入信號(hào)來自霍爾電壓傳感器對(duì)整流之后的母線電壓信號(hào)的檢測(cè)，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(cè)電路Fig.3-5DCbusvoltagedetectingcircuit3.2.4全橋驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)從DSP芯片經(jīng)電壓放大器作用從驅(qū)動(dòng)板輸出，電路圖如3-6所示。圖3-6全橋驅(qū)動(dòng)電路Fig.3-6Drivingcircuit3.2.5其它外圍電路故障信號(hào)處理電路系統(tǒng)出現(xiàn)過溫情況或者驅(qū)動(dòng)板故障時(shí)，電路能夠先自行處理，原理如圖3-8所示。圖3-8故障信號(hào)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，能夠運(yùn)行響應(yīng)CPU的中斷子程序，使系統(tǒng)能夠在設(shè)置的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)連續(xù)不間斷的運(yùn)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(duì)電壓電流采樣，判斷是否過壓過流，之后測(cè)速，對(duì)測(cè)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(shí)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(shí)間X，Y，Z以及切換的時(shí)間最后產(chǎn)生六路互補(bǔ)的PWM信號(hào)，如圖3-12所示SVPWM流程圖:圖3-12SVPWM軟件流程圖Fig.3-12SVPWMsoftwareflowchart