（控制理论与控制工程专业论文）基于负载观测器的永磁同步电机滑模控制.pdf

摘要 永磁同步电机由于其有体积小、重量轻、转矩纹波小、转矩控制简单、转速 平稳、动态响应快速准确、过载能力强等优点而广泛应用于现代交流调速系统中。 但是，永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统，传统p i d 控制器容 易受电机参数变化和负载扰动等不确定因素的影响，敖在负载波动大，虽对速度、 转矩控制精度要求较高的情况下，该方法很难满足控制要求。 滑模变结构控制通过滑动模态的设计，可以实现对系统参数变化和负载扰动 不敏感，具有鲁棒性好、响应速度快及容易实现等优点。因此将滑模变结构控制 应用于永磁同步电机调速系统中，有望实现高品质的控制策略。因此，本文致力 于滑模变结构控制在永磁同步电机调速系统中的研究。 本文首先在分析永磁同步电机数学模型的基础上，结合矢量控制技术，给出 了永磁同步电机在d 。q 坐标系下的线性解耦状态方程。采用转子位置定向的矢量 控制方案，在m 胡a b 缌l m u l 琳k 环境下构建了永磁同步电机调速系统的仿真模 型。 其次通过对滑模变结构控制原理、特性、抖振产生原因及削弱方法的分析， 绘出了一种用子永磁同步电机速度控制的常规滑模控制器。并对该控制器的控制 效果以及控制器参数对系统性能麴影响傲了仿真分析。 然后在常规滑模控制器的基础上提出了一种改进的滑模控制器：基于负载观 测器的时变切换增益滑模控制。仿真结果表明改进的滑模控翻器能明显消除静 差，并对负载扰动和系统参数的变化有较好的鲁棒性。 最麝结合滑模控制和模糊控制各自的优点，设计了基于模糊切换增益自调节 的滑模控制器，以用于永磁同步电机的速度控制，并完成7 该控制器算法的s 函数实现。该控制器利用模糊逻辑对滑模控制的切换增益迸行实时调整，既能充 分发挥滑模控制对参数变化和干扰不灵敏的特点，又具有模糊自调节的髓力，从 丽达到削弱抖振的是的。仿真结果表明该控制器能有效削弱抖振，对负载扰动和 系统参数变化有很强的鲁棒性，取得了期望的控制效果。 关键词：永磁同步电机；滑模变结构控制；负载观测器；抖振；模糊控制；模 糊滑模控制 a bs t r a c t p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a st h ea d v a n t a g e so fs m a l l v o l u m e ，l i g h ti nw e i g h t ，s m a l lt o r q u er i p p l e ，s i m p l i c i t yi nt o r q u ec o n t r o l ，s t e a d yr o t a t e s p e e d ，f a s td y n a m i c a ls p e e dr e s p o n s ea n ds t r o n go v e r l o a da b i l i t y ，s oi ti sw i d e l yu s e d i na cs p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m p m s mi sam u l t i - v a r i a b l e ，n o n l i n e a ra n ds t r o n g c o u p l i n gs y s t e m ，t h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri se a s i l ys u b j e c t e dt ot h ei n f l u e n c e o fm o t o rp a r a m e t e rv a r i a t i o na n d 1 0 a dd i s t u r b a n c e s oi ti sd i f f i c u l tt om e e tt h es p e e d a n dt o r q u ec o n t r o lr e q u i r e m e n t so fh i g ha c c u r a c yc i r c u m s t a n c e sw h e n1 0 a dv a r i a t i o n i s b i g s l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lw h i c hs l i d i n gm o d ec a l lb ed e s i g n e di s i n s e n s i t i v et os y s t e mp a r a m e t e r sc h a o g ea n dl o a dd i s t u r b a n c e a n di th a st h e a d v a n t a g e so fg o o dr o b u s t n e s s ，q u i c kr e s p o n s e ，e a s yr e a l i z a t i o na n ds oo n s oi t s h o p e f u lt oa c h i e v eac o n t r o ls t r a t e g y o fh i g hq u a l i t yb ya p p l y i n gs l i d i n gm o d e c o n t r o i ( s m c ) t ot h ep m s ms p e e dc o n t r o ls y s t e m 。t h u s ，t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e s t h ea p p l i c a t i o no fs m ct op m s m s p e e dc o n t r o ls y s t e m 。 f i r s t l y , b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l o fp m s m ，t h i s p a p e rg i v e st h el i n e a rd e c o u p l i n gs t a t ee q u a t i o no fp m s mi nt h ed - qc o o r d i n a t e sb y c o m b i n i n gw i t hv e c t o rc o n t r o lt e c h n i q u e t h e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo fp m s ms p e e d c o n t r o ls y s t e mi sb u i l tw i t hm a t i a 耐s 蹦u l 琳kb yu s i n gr o t o rp o s i t i o no r i e n t e d c o n t r o ls c h e m eo f v e c t o rc o n t r 0 1 s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fs m ct h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec a u s e so f c h a t t e r i n ga n dd e c r e a s e dm e t h o d s ，ag e n e r a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ri sa d o p t e dt ot h e s p e e dc o n t r o lo fp m s m i nt h i sp a p e f t h e nt h ec o n t r o le f f e c to ft h i sc o n t r o l l e ra n dt h e i n f l u e n c eo fc o n t r o l l e rp a r a m e t e ro ns y s t e mp e r f o r m a n c ea r e a n a l y z e db yt h e s i m u l a t i o n t h i r d l y ，b a s e do nt h eg e n e r a ls l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r , t h i sp a p e rp r o p o s e sa n m o d i f i e ds l i d i n gm o d ec o n t r o l l e r , w h i c hi st h et i m e - v a r y i n gs w i t c hg a i ns l i d i n gm o d e c o n t r o l l e rb a s e do nl o a do b s e r v e r t h es i m u i a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e d s l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rc a no b v i o u s l yd e c r e a s ec h a t t e r i n g , a n dh a sg o o dr o b u s t n e s st o l o a dd i s t u r b a n c ea n ds y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g e a tl a s t ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h em e r i t so fs m ca n df u z z yc o n t r o l ，t h i sp a p e r d e s i g n st h es l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rb a s e do nf u z z ys e l f - a d j u s t i n go fs w i t c hg a i nf o r p m s m s p e e dc o n t r o l ，a n da c c o m p l i s h e ss - f u n c t i o nr e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o l l e r 。f o r t h i sc o n t r o l l e r , t h es w i t c hg a i no fs m ci sa d j u s t e di nr e a lt i m eb yu s i n gi u z z yl o g i c ， s oi tn o to n l yc a nf u l l ye x e r tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m cw h i c ha l ei n s e n s i t i v et o p a r a m e t e r sc h a n g ea n dd i s t u r b a n c e ，b u ta l s oh a st h ea b i l i t yo ff u z z ys e l f - a d j u s t i n g ， t h e r e b yt h ea i mo fd e c r e a s i n gc h a t t e r i n gc a nb ea c h i e v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a t t h i sc o n t r o l l e rh a st h ec a p a b i l i t yo fc h a t t e r i n g - d e c r e a s i n g ，s t r o n gr o b u s t n e s st o l o a dd i s t u r b a n c ea n d s y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g e i ta t t a i n se x p e c t e dc o n t r o le f f e c t k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) ，s l i d i n g m o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ( s m c ) ，l o 稍o b s e r v e r , c h a t t e r i n g ，f u z z yc o n t r o l ，f u z z y s l i d i n gm o d ec o n t r o l ( f s m c ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 | 寻的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书褥使用过的材料。与我一阉工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者签名：魂艄签字日期： 凋车月7 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘翌有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阕。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：魂械群 导师签名： 签字躁期：凋年占月膨网 史畸瑚7 ， 签字日期：? 7 年多月多日 第一章绪论 第一章绪论 永磁同步电祝具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、转矩尤重量比高、 功率因数离、转动惯量低、易于教热、暴予维护等优点，嚣蔼广泛应用于工农业 生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域。本章首先介绍了永磁同步电机的 发展概况和研究方向，然后阐述了本文的选题背景及磷究意义，最螽列出了本文 研究豹主要内容及主要工作。 i i 永磁同步电机的发展概况 电动机在生产领域、公用设施、服务行煎和家用电气设备中起着关键的驱动 和伺服控制作用，僵也几乎消耗了许多国家工业用电量的三分之二。缝子节约能 源和环保豹考虑，包括我国在内的氆赛上许多国家对电动粳i 系统酶节能均给予了 离度重视。永磁购步电机霸冀无器从电网吸取无功电流建立气隙磁场，无激磁损 耗，从而显著提离了效率和功率因数，比异步电机具有更显著的综合节能效果。 采用稀土永磁同步邀机，秃功功率节电率l 露达8 5 ；有功功率带电率可达 2 3 0 0 - 2 5 ，节电效采十分鞠显。哥缓说永磁同步电机是今惹最有发嶷前途嚣电动 机之一l l 】。 1 9 世纪2 0 年代出现的世界上第一台电机就是由永磁体产生励磁磁场的永磁 电枫。健当时所用翡永磁材料是天然铁矿矿石( f e 3 0 4 ) ，磁能密度狠低，用它制 成的电机体积庞大，不久被电励磁电机所取代。直至2 0 世纪3 0 年代，美国贝尔 实验室诞生了人工永磁材料( 即铝镍钻合金) 以后，实用的永磁电机才真正的产 生了。到本世纪6 0 年代帮s o 年代，稀士锸永磁和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永 磁) 相继褥避，它们的高剩磁密度、高矫颓力、商磁能积和线性退磁曲线的优异 磁性能特别适合于制造电机，从而使永磁电机的发展进入一个新的历史时麓。特 别是8 0 笨代阿髓盼钕铁硼永磁材料，由于其磁特性优异、成本低廉和寒潆充足 等原因，怨经在工业、生活以及医疗等领域得到7 广泛的硪究和开发1 2 】。 现代运动控制系统需要高性熊的电机，同时生产加工自动化提嬲了黍性加工 概念，都要求伺服系统其有快速响应，且平稳、精确和哥靠等性麓，丽永磁同步 电机能全葱满足以上要求。露翦，永磁同步电机定予多采用三相正弦交流电驱动， 转子一般融永磁体磁化为3 4 对磁极，产生难弦磁动势。高性能的永磁同步电机 由电压源型逆变器驱动，通过控锖l 逆变器斡频率实现对窀祝调速。这类电机豹转 第一章绪论 矩波动很小而且可实现平滑驱动，广泛应用予高性能的伺服驱动场合。 目前，国外各大伺服驱动厂商和电机制造商均有性能优良的永磁同步电动机 产品，功率一般在5 0 w - 2 0 k w 之闯。在此基础上，结合先进的控制理论和控制 方法实现对永磁同步电机无位置传感器控制和调速控制，是基翦有关永磁阉步电 机研究的热门课题。 所以，发展高性能永磁同步电机的控制系统不论是对解决我国目前的能源问 题，还是对推动我国国民生产力的发展都具有现实和长远的意义。 1 2 永磁同步电机的研究方向 国内外对于永磁同步电机的研究范围十分广泛，概括起来可分为三个主要方 面吼 不可逆退磁问题 电机和磁路结构设计 控制问题 其中控制问题又分为两个方面：一是关予永磁同步电机控制策略的研究；二 是关于永磁同步电机系统驱动技术的研究。 随着电力电子技术、微处理器技术、传感器技术和控制理论等的发展，永磁 同步电机的研究与应用也取得了突飞猛进的发展。 电力电子器件的发展为交流电机的调速奠定了物蕨基础。目前，伺服控制系 统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件。高的开关频 率( f 1 0 k h z ) 使得电机的动态响应提高，消除了开关噪声，同时伺服单元输洳 回路的功耗也得到了显著地降低。正是这些功率器件组成的换流装置，替代了直 流电机上的电刷和换向器，并使各种p w m 调制方式得以实现。目前伺服驱动器 中大多应用i g b t 和i p m 模块。i p m 是将i g b t 封装为一个完整的逆变器模块， 且封装了驱动和保护电路，电路设计交得简单，模块使用安全可靠。它们的应用 显著地简化7 饲服单元的设计，并为实现饲服系统的小型化和微型化打下坚实的 基确。随着功能更为齐全、性髓更加优异、价格更为低廉的电力电子器件不断出 现，相信会解决永磁同步电机控制系统良好控制性能和昂贵成本之间的矛盾，提 高系统的可靠性，加速永磁同步电机驱动系统的实际应用1 4 铆。 虽然永磁溺步电机具有非卷多的优点，但是由于其本身是个非线性、强耦 合的系统，所以必须结合先进的控制理论来发挥其自身优势、弥补其存在的不足。 矢量控制理论的提出解决了上述问题。 1 9 7 1 年，德国学者b l a s c h k e 和h a s s e 提出了交流电机的矢量控制理论，从 2 第一章绪论 理论上解决了交流电机转矩的高性能控制问题。其基本思想是在普通的三相交流 电机上设法模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解 成为产生磁遥的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相 垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的转矩控制，从原理和特性 上就和直流电动机相似了嘲。 同时高性能交流伺服系统的发展也离不开先进控制策略的成功应用，优良的 控制策略不但可以弥补硬件设计方蕊的不足，两且能进一步提高系统的性能。随 着微电子技术的迅速发展和各种商性能微处理器的不断推恕，使季导以前许多在模 拟控制器中难以实现的先进但复杂的控制策略，可以在伺服系统中得到应用f 7 - 羽。 目前在交流伺服系统中应用的各种控制策略大致可以分为如下三类： ( 1 ) 针对交流电机数学模型的控制策略，即传统的控制策略，如。p i d 反 馈控镧。p i d 控制算法蕴含了动态控制过程中的过去、，现在和将来的信息丽且其 配置几乎为最优，是交流伺服系统中最基本的控制方式，其应用广泛，与其它新 型控制思想相结合，形成了许多有价值的控制策略。在对象模型确定、不变化且 为线性，以及在操作条件、运行环境确定不变的条件下，采取传统控制策略是最 为简单有效的。 。， ( 2 ) 基于现代控制理论的控制策略，如：自适应控制、交结构控制、鲁捧 控制、预测控制等。现代控制策略考虑了对象的结构和参数变化、各种非线性的 影响、运行环境的改变以及环境干扰等时变和不确定因素。其中滑模变结构控制 利用预先设计好的超平面，采用不连续的控制规则，使控制系统实现渐近稳定。 该控制策略对系统参数变化和不确定性扰动有较强媳鲁棒性，并且响应速度快、 无超调、动态性能好、易于实现1 9 - h j 。 ( 3 ) 基于智能控制思想的控制策略，如：模糊控制、神经网络控制、专家 控制、遗传算法等。其中，模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑 推理为基础的一种计算机数字控制，它是一种非线性的智熊控制。它不像传统的 控制器那样需要精确的数学模型，它用自然语言来描述系统，因此更符合人们的 思维方式。模糊控制具有对对象的数学模型要求不高和鲁棒性好的特点，非常适 合于菲线性系统【1 2 j 5 1 。 在三类控制策略中，传统控制策略最为篱单有效。但是，纯粹基于电机数学 模型的控制策略存在一个很大的弱点，即不可避免地要受到电机参数变化的影 响，丽且对交流电机数学模型的认识还需进一步提高。 有了先进的控制理论，就必须要有能够实现这些控制理论的实用器件，才能 发挥理论存在的实际意义。2 0 世纪后半叶，计算机技术的迅猛发展对高性能交 流伺服系统的实现产生了强有力的推动作用。各大厂商基于各种单片机，设计了 第章绪论 大量的电机专用控制芯片，从8 位机、1 6 位机发展到3 2 位机，运行频率由凡兆 h z 到现在的上千兆h z ，运算速度成倍提高，各种数字控制算法得以完成，各种 先进韵控制理论算法也得以实时实现。 但是传统的基于单片机的电机控制系统，需要较多的外部硬件，运算速度不 高，难以实现一些较为复杂的控制算法，实时性很难得到保证。因而随着对控制 性能越来越赢的要求和控制方法复杂度的提高，传统的单片机已经很难适应实际 的要求。d s p 控制器由于其本身的特点成为永磁电机控制的必然选择。d s p ( 数 字信号处理器) 原是用于信号处理领域的芯片，由予其极强的数字处理能力，现 在也被用于电机控制领域，来完成隧益复杂的控制算法。t i 、a d 、m o t o r o l a 等 d s p 厂商将用于电机控制的各种外围器件封装于d s p 中，生产出电机控制的专 用d s p 芯片，简化了硬件设计电路，提高了可靠性。 d s p 运算功能强大，能实现高速输入和高速率传输数据，专门处理以运算为 主不允许延迟的实时信号，高效进行快速傅立叶变换运算；它包含灵活可变豹沩 接口和片内资源，高速并行数据处理算法的优化指令集，其先进的品质与性能可 为电机控制提供高效可靠的平台。d s p 由于采用了多总线的哈佛结构，内部设置 了专用硬件乘法器以及专翔的d s p 命令，使其具有高速运算功能，在一个机器 周期之内就能完成乘法运算，这比通用微处理机快1 0 1 0 0 倍，能够实时实现复 杂控制算法。由d s p 组成的全数字化驱动系统可以通过修改控制程序，无须改 变系统硬件，便可以实现不同的控制算法，实现控制的软件化、柔性化。随着 d s p 技术永平的提高，其价格不断降低，露性能却得到了不断改进，所以被广泛 应用于交流驱动领域疆q 。 上述各种有利因素的成功应用为永磁同步电机性能的改善开辟了广阔的前 景。在具体应用方面，如何取消位置传感器和改善永磁同步电机速度调节算法成 为永磁同步电机伺服领域的爵大研究热点。 1 3 选题的背景及研究意义 永磁同步电机本身具有菲线性和不确定性，存在许多不利予系统性能提高的 因素，如： ( 1 ) 非线性因素：电机力矩波动、磁路饱和、耦合力矩、干扰力矩等； ( 2 ) 参数交化：负载变化带来的转动惯量变化、温度升疯导致的参数漂移； ( 3 ) 机械谐振及高频未建模动态； ( 4 ) 测量延迟及测量噪声。 由于上述因素存在，想建立精确的数学模型是很困难的，只能建立一个近似 4 第一章绪论 的数学模型。在建模时，要作合理的近似处理，要忽略对象中的不确定因素，诸 如参数误差、未建模动态、测量噪声以及不确定的外干扰等。由近似模型出发设 计控制器，设计中被忽略韵不确定因素会引起控制系统品质恶化，甚至导致不稳 定。因此，考虑对象的不确定性，使所设计的控制器在不确定性对系统品质的破 坏最严墓时也能满足要求，具有一定的工程实际意义。 个高性能的交流伺服系统必须具有良好的快速性、稳定性、对系统干扰和 系统参数变化的普棒性，这就对控制策略方面的要求很高，磷这些要求不是一般 传统控制策略( 如p i d 控翱) 所能满足的。理想控制策略不仅要满足系统具有良好 的动、静态性能，而且还应对系统的负载扰动和电机参数变化其有强鲁棒性。 变结构控制( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 本质上是一类特殊的非线性控 制，其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略与其它控制的不同之处在于 系统的“结构一并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态( 如偏 差及其各阶导数等) 有目的地不断变他，追使系统按照预定的“滑动模态( 状 态轨迹) 运动，所以叉常称变结构控制为滑模控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) ， 即滑模变结构控制 1 7 2 1 】。由于该“滑动模态”可以进行设计且与控制对象的参数 及系统扰动无关，这就使得滑模变结构控制具有快速响应、对参数变化及外界干 扰具有强鲁棒性、物理实现简单等许多优点。但是抖振闯题是阻碍滑模变结构控 制广泛应用的主要原因1 2 2 - 2 3 j 。 抖振对于许多实际系统，特别是机电系统是十分有害的。由于有的系统部件 不能承受高频切换，抖振的发生将影响系统控制的精确性，增加系统的能量消耗； 而且系统中的高频未建模动态根容易被激发起来，破坏系统豹性能。因此抖振问 题已经成为滑模变结构控制应用的突出障碍，是影响滑模变结构控制技术应用静 主要原因。解决抖振问题实际上是解决系统稳态的稳定性和精度问题。因此解决 抖振问题不论是对于滑模变结构控制的理论发展还是实际应用都有重要意义。 模糊控制理论作为控制领域中非常有发展前途的一个分支，它具有许多传统 控制方法无法与之比拟的优点i 弭2 6 ： ( 1 ) 使用语言方法，不需要掌握过程的精确数学模型； ( 2 ) 完全在人类长期积累的控制经验的基础上实现对系统的控制，是解决不 确定性系统的一种有效途径； ( 3 ) 对控制对象参数的变化具有较强的适应性； ( 4 ) 具有较强的鲁棒性 模糊控制虽然具有对对象的数学模型要求不高和鲁棒性好的特点，非常适合 于非线性系统，但是模糊控制本质上是一个有差系统，不能完全消除静差。通常 的做法是将模糊控制与常规控制( 如p i d 控制) 楣结台旧，构成复合的控制系 第章绪论 统a +， 针对以上提出的滑摸变结构控制和模糊控制各自优缺点，可以将二者结合起 来，用模糊控制降低滑模控制器的抖振1 2 8 _ 2 9 】。同时在模糊和滑模控制的基础上， 通过加受载观测器补偿两种方法在负载变化时存在的系统静差。这就是本文针对 永磁同步电机调速控制系统的采用模糊滑模控制的基本设计愿路。 鉴于上述特点，论文以模糊控制与滑模控制相结合的控制方法在永磁同步电 机的转速控制中的应用为主题展开研究。期望所做的研究能对促进永磁同步电机 的发展起到积极作用。， 1 4 本文研究内容及主要工作 本文主要进行了下述几个方面的工作： ( 1 ) 首先对永磁同步电机的数学模型进行了分析，并结合矢量控制技术， 推导了永磁同步电机在d - q 坐标系下的线性解耦状态方程。对空间矢量脉宽调制 方法( s v p w m ) 作了研究，并采用转予位置定向的矢量控制方案，在 m a t l a b ，s i m u l 玳k 环境下构建了永磁网步电机伺服系统的仿真模型。 ( 2 ) 利用滑模变结构控制鲁棒性强的特点，将其应用于永磁同步电机伺服 系统的速度控制，构造了常规滑模速度控制器，通过仿真曲线分析了该控制器的 控制效果以及控制器参数对系统性能的影响。然后根据分析设计了基于负载观测 器的滑模控制器，并在此基础上设计7 时变切换增益的滑模控制器。搭建了控制 系统的仿真模型，为了提高系统的仿真速度和效果，对模型做了部分改进。 ( 3 ) 分析了模糊控制和滑模控制的优点，设计了基于模糊切换增益自调节 的滑模控制器以用于永磁同步电机饲服系统的速度控制，完成了该控制器算法s 函数的实现，并搭建了仿真模型、做了仿真分析。， 6 第二章永磁同步电机的矢量控箭 第二章永磁同步电机的矢量控制 电动机调速的关键是转矩控制，转矩控制的要求是响应快、精度高、脉动小、 系统效率和功率因数高等。+ 任何拖动系统都服从的基本运动方程： j 要：乏互 盘 。 ( 2 1 ) 式中，( k g m 2 ) 折算到电机轴上的总转动惯量； o ( m d s ) - - 电机转速； ( n m ) 一电磁转矩； z ( n m ) 折算到电机轴上的总负载转矩。 从( 2 1 ) 可以看出，电磁转矩可以作为控制量影响转速。如果能快速准确 地控制转矩，使得传动系统在负载扰动时获得较小的动态速降和较短的恢复时 闻，那么，调速系统就具有较高的动态性能。因此，调速系统性能好坏的关键是 电磁转矩控制的如何。在矢量控制中，电磁转矩控制的关键是电流矢量的控制。 2 1 矢量控制 矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定子电流 ( 交流量) 的控制上。由于在定予侧的各个物理量，包括电压、电流、电动势、 磁动势等等，都是交流量，其空阋矢量在空闯以同步转速旋转，调节、控制和计 算都不是很方便。因此，需要借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转 换到同步旋转坐标系，然后，站在同步旋转坐标系上进行观察，电机的各个空间 矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空闻矢量就都变成了直流量，可 i 以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量盼各个分量之闯的关系，实时 地计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。按照这些给 定量进行实时控制，就可以达到类似直流电机的控制性能。由于这些直流给定量 在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋 转坐标系回到静止坐标系，把上述的蜜流给定量变换成实际的交流给定量，在兰 相定子坐标系上对交流量进幸亍控制，使其实际值等于给定值。后来这种控制思想 第二章永磁同步电杌鹤矢量控翩 被拓展应用到永磁同步电机控制中，其基本的控制思想是通过控制垂壹于转子磁 链矢量的定子电流矢量来控制电机的电磁转矩。所以为了更好地理解矢量控制， 必须了解坐标变换的概念。 永磁同步电机矢量控制系统孛采用的电流控制方法主要有：k = 0 控利； c o s 妒= l 控制；转矩电流比最大控制；恒磁链控制等。本文主要选择豇= o 这种控 制方斌进行讨论。 2 1 1 坐标变换 交流电机的动态数学模型非常复杂，实际应用中必须予以简化，简化的基本 方法是坐标交换 3 0 - 3 1 】。 一、三相定子坐标系和两相定子坐标系之间的坐标变换 永磁同步电机的定子绕组为兰相对称绕组，其轴线分剐为a 、b 、c ，且彼此 在空间上互差1 2 0 0 电角度，当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的 磁场。 将定予两相静止坐标系的程轴和定子三棚静止坐标系的a 轴重合，p 轴在空 间上逆时针超前伐轴9 0 。电角度。当0 9 、p 组成的两相绕组内遥入两相对称正弦 电流时，也会产生一个旋转磁场。所以定子两相静止坐标系可以代替定子三相静 止坐标系进行分析，以简化运算过程。 定义岛，2 为定予三相静止坐标系到定子两相静止坐标系的变换阵( 以下简称 3 2 变换阵) ，在满足功率不变的前提条件下，可得到变换阵 污 c , 2 = 1 3 ll l 一 22 o 巫一巫 2 2 ( 2 _ 2 ) 若要从两相坐标系变换到三相坐标系，对矩阵2 2 求逆后，可 l 寻变换阵 + ，厘 吒妇j l0 1小 22 1点 2 2 ( 2 3 ) 第二章永磁同步电梳的矢董控制 由于在实际应用中，定子的三相绕组往往遥入三相对称的电流，即 i a + i a + i c = o 。所以可得如下的变换关系 盼 阡 后。 1 仨 万啦 辱。 il 压 = 、两相定子静止坐标系与两相转予旋转坐标系之闻的坐标变换 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 转子坐标系固定在转予上，其d 轴位于转子磁极轴线，q 轴在空间上逆时针 超前d 轴9 0 。电角度，该坐标系和转子起在空阅上以转予角速度彩旋转，故称 为旋转坐标系。两相静止坐标系到旋转坐标系的变换示意图如图2 - 1 所示 p “ 审蠢 二乃0 球 一 图2 - 1g t 、多坐标系到文q 坐标系之间的变换关系 图中，妒为两种坐标系之闻的夹角；蠢、审，奄、岛分剐为电流主矢量在疆、p 轴 和d 、q 轴上的分量；为转子旋转角速度。 定义为理、9 坐标系到d 、q 坐标系的变换矩阵 = 匕鞠 定义懿郴为d 、q 坐标系到疆、p 坐标系的变换矩阵 - = 捌 2 k ；c o s ；l ( 2 6 ) ( 2 _ 7 ) 第二章永磁霹步耄视戆矢藿控涮 兰、兰相定子静止坐标系与两相转子旋转堂标系之闻的坐标变换 a 、b 、c 坐标系与d 、q 坐标系的变换关系为： 眺出c 幽o s ( 1 2n0。-0)co觚s(2244n0。-州o)嘲iia 协) 冀逆交换为： i , , 1 , - - r c o s o 二嚣 式中移为d 、q 旋转坐标系戆d 轴乓a 糨绕组辘线之阂豹夹懿 2 。董。2 永磁同步电视数学模型 ( 2 9 ) 永磁简步电桃和普通电励磁兰相同步电梳的定子是褶议的。如莱永磁体产生 麴感应逛动势( 即反毫动势) 与励磁线耀产生豹感应电动势耀溺，也是正弦的， 那么永磁瞬步电机的数学模型与电励磁网步电机基本相阉。在建立数学模型时， 为了简化分析过程，常忽略一些影嗨较小的参数。在推导永磁瞬步电视模型时， 鬻骰如下假设： ( 1 ) 定予绕组y 形连接； ( 2 ) 定予磁场里正弦分布，不考虑谐波及饱和： ( 3 ) 不诗瓣流彝磁滞损耗； ( 4 ) 转予上没有阻尾绕组，永磁体也没有阻尼作用。 由式( 2 1 ) 可知，速度的动态特性在负载转矩一定时，取决于输出转矩露。 诱毫动撬鹣转矩是电磁场和电流共霹决定豹，医此，对毫动梳的控铡实际上是对 磁场和邀流鲶控制。 一，永磁同步电机在a b c 坐标系下的模型 在上述条件下，永磁同步电机的电压方程为 刚孑 孝秒 疹 一- f 投严铲鳓搿舻 一o 0，坂眦 o 2 ，llllll a b c -lli_。ti。-il，tl娠珏 p + ，l l l i i l | l j 。叹。k。奄 崦 h=三一一汝 埯 飞l|llillj o o 毽 o 趣 第二章永磁同步电机的矢量控制 式中u a 、“8 、u c 为备相绕组相电压；f a 、珀、c 为三相定子绕组的相电流；陬、 鳓、她为备相绕组总磁链；感为各相绕组电阻；p 为微分算子( d d t ) 。 磁链方程为 刚豢麓，铆 式中萨国t ，m 为转子旋转角速度；三觳( 囝为各相绕组的自感；蜘( 毋为各相绕 组之间的互感；嫉为转子磁场的等效磁链。 三相绕组在空间上呈对称分布，并且通入三相绕组中的电流是对称的，则有 以下条件成立 转矩方程为 + 奄+ 电= 0 厶，= 如= 岛= 厶 鹚2 = 鹚，= a 如l = m 2 3 = 鼻毛l = = m( 2 l ? ) 荆蓉站 沼 式中阶为电机极对数。 由永磁同步电机的转矩方程可知，永磁同步电机为多变量、非线性、强耦合 的时变系统。 = 、永磁同步电机在d - q 坐标系下的模型 永磁同步电机的反电势、定子电压、电流的波形都是正弦的。那么经过坐标 变换，可以得到d - q 坐标系下的永磁同步电机的定子磁链方程为 杪d2 a + 妒r ( 2 - 1 4 ) 咿q5l q q 式中甄，为d 、q 轴定子磁链；如，毛为d 、q 轴定子电流；l d ，三q 为d 、q ， 咿 伊”洲枷 一 一 8 盼 o o o e a c _。l 卜 弋00，j 第二章永磁同步电机的矢藿控制 轴定子电感；讥为转子磁场的等效磁链。 永磁同步电机的定子电压方程为 搿d 篇聂。气+ p 妙d 一缈杪 掰q = r 。i q + p 矿q + t av , d 式中u d ，鞠为d 、q 轴定子电压；震s 为定子棚电阻；p 是微分算子。 电磁转矩可由下式求得 瓦= 三鼓心一虬蠢 将式( 2 1 4 ) 代入整理得 乏= 盼+ ( 厶一& ) 屯朝 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 由式( 2 1 7 ) 可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电 流分量与定子蛊轴电流分量。在永磁羼步电机中，赉于转子磁链恒定不变，故可 以采用转予磁场定向方式来控制永磁同步电机。在基速以下，懂转矩运行区中， 采用转子磁链定向的永磁同步电机定子电流矢量位于q 轴，无d 轴分量。此时， 控制d 轴电流为零( 如= o ) ，使励磁磁场与电枢磁场正交，这就是通常所说的“磁 场定向”，其情形与直流电动机完全类似了。永磁同步电机的电压方程转变为 电动机的转矩方程为 甜d 拦- w v q ( 2 - 1 8 ) “鼋拦r 。i q + p 妙q + 国l 吵d ，3 2 i 魏冁 二 ( 2 1 9 ) 由转矩方程式( 2 一1 9 ) 可以看出电机的输出转矩与电流乇呈线性关系。所以 只要能准确地检测出转子空间位置，通过控制逆交器使三相定子的合成电流位予 q 轴上；那么，永磁同步电机的电磁转矩就只与定子电流的幅值成正比，故其 需控制毛的大小就可以控制永磁同步电机的输出转矩。 第二章永磁同步电机的矢量控制 2 2 永磁同步电机矢量控制调速系统 图2 - 2 是永磁同步电机矢量控制( 毛- - 0 ) 调速系统框图。 图2 2 永磁同步电机矢爨控制调速系统框图 永磁同步电机矢量控制调速系统包含下露六个部分：一、位置、速度检测模 块；二、电流采样模块；三、速度控制器和电流控制器；四、坐标变换模块；五、 s v p w m 计算模块；六、整流和逆变装置。 2 2 1 永磁同步电机矢量控制调速系统控制过程 由永磁同步电机数学模型的分析可知：定子电流在d ，q 轴上的分量决定电 磁转矩的大小。褥电机调速的关键就是对转矩的控制，永磁同步电机矢量控制的 实质就是通过对定子电流的控制来实现对转矩的控制。当电机转速在基速以下 时，在定子电流给定的情况下，控制乇= 0 可以更有效的产生转矩，这时电磁转 矩就随着乇的变化丽变化。控制系统只要控制的大小就能控制转速，实现矢量 控铡。 永磁同步电机矢量控制很容易实现，只要使实际豹毛、之与给定的、相 等，也就满足了实际控制的要求。在实际控制中，检测到的定子电流是a 、b 、 c 坐标系上的三相对称电流，不是、f d ，所以必须进行坐标变换。由于i + i b + i c - - - o ， 所以公式( 2 ，8 ) 可以简化为式( 2 2 0 ) 。 。 跏朝 协2 。) 由此可冤，电流检测只需检测任意两相电流即可。 狮吣 “ + 。蝴删 蓄l 第二章永磁褥步电机的矢量控锚 永磁同步电机矢量控制调速系统的控制过程如下 3 2 - 3 3 ： ( 1 ) 通过转子位置传感器检测出转子角位置p ，同时计算出转子的速度m ， 检测定子的两相电流、岛，经a 、b 、c 轴到d 、q 轴的矢量变换后得到“屯： ( 2 ) 将检测到的电机实际转速掰和给定转速瓯，相比较，经速度控制器 ( a s r ) 输出交轴电流给定； ( 3 ) 把交、直轴电流给定值分别与实际值相比较( 这里令直轴电流给定 = 0 ) ，然后分别经电流p l 调节器，输出交、直轴电压值和“。，u a 和材。再经 过坐标变换，生成馐、多轴系上的电压值蚝和； ( 4 ) 确定醵和的合成矢量位于空间电压矢量所围成的6 个扇区中的位置， 并且计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占的时间，最后给d s p 的3 个全比较单元的比较寄存器赋值，输出六路p w m 驱动i g b t ，产生可变频率和 幅值的三相正弦电流，输入电机定子绕组。 2 2 。2 空间矢量脉宽调制 空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 是一种新的p w m 方法，它是以“磁链 跟踪控制为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成份及电机的谐波损耗， 降低脉动转矩。s v p w m 是由兰相功率逆变器六个功率开关元件的特定开关模式 产生的脉宽调制波，它与传统的正弦p w m 波不同，s v p w m 调制方法将逆变器 和电机视为一个整体，着眼点是使嗽机获得幅值恒定的旋转磁场，把峨机和控制 器作为个整体考虑。和传统的s p w m 方法相比，s v p w m 是一种优化p w m 的方法，具有直流电压利用率高、转矩脉动小的优点，并且易于实现数字仡澎l 。 图厶3 是三相电压源逆变器原理图。 7 - u a ， 图2 3 三栩电压源逆变器原理圈 直流侧中点o 为参考点，为直流母线电压。电机的相电压依赖于对应桥 臂上功率管的开关状态。将邀变桥着作理想开关，并定义开关量x = ( a ，b ，c ) 代表三相的开关状态，l 表示上桥臂开通，0 表示下桥臂开通。对于不同的开关 状态组合，可以得到八个交角互差6 0 。的基本控制矢量，它们分另l j 对应逆变器的 八个开关模式。在八个开关模式中，( 0 0 0 ) 和( 1 1 i ) 对应输出的电压空间矢量 1 4 第二章永磁同步电机的矢燕控制 为零，