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永磁同步电机的智能控制方法研究 摘要 随着科学技术的发展，永磁同步电动机( p m s m ) 得到了广泛的的发展和应 用。尤其是在要求高控制精度和高可靠性的场合，如国防、航空、航天、数控机 床、加工中心、机器人等方面获得了广泛的应用，在现代交流电机中也占有举足 轻重的地位。 传统永磁同步电机控制器的设计方法一般要求对系统参数精确了解以便对控 制规律进行整定，然而在实际运行中，系统的参数会经常变化，要保证优良的系 统性能必须对控制器进行相应的调整。模糊控制等智能控制策略，都具有不依赖 于对象的数学模型、鲁棒性强的优点，能够很好地克服伺服系统中模型参数变化 和非线性等不确定因素，从而实现系统的高品质控制性能。 本文对永磁同步电机的智能控制方法进行研究。首先建立了不同坐标系下永 磁同步电机的数学模型，给出了电机调速系统的控制框图。然后针对永磁同步电 机的p i d 控制的不足，分别设计了永磁同步电机的模糊控制方法、永磁同步电机 的规则自校正模糊控制方法、永磁同步电机的c m a c 学习控制方法和永磁同步电 机的模糊推理网络自适应控制方法。本文用m a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁同 步电机控制系统的仿真模型，并对所研究的各种智能控制方法进行了仿真分析， 仿真结果表明，所设计的永磁同步电机的智能控制方法具有较好的动态性能和鲁 棒性。 关键词：永磁同步电机；交流调速；智能控制 a b s t r a c t 1 v n t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p e m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sb e e nw i d e l yd e v e l o p e da n da p p l i e d ，e s p e c i a l l yi nt h e f i e l d sr e q u i r i n gh i g hp r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y ，s u c ha sn a t i o n a ld e f e n s e ，a v i a t i o n ， a s t r o n a u t i c s ，n u m e r i c a l l y - c o n t r o l l e dm a c h i n et o o l s ，p r o c e s s i n gc e n t e r ，r o b o t s 锄ds o o n a n di ta l s oh o l d st h ep i v o t a ls t a t u si nt h em o d e ma l t e m a t i n gc u r f e n tm o t o r s t h ed e s i g no ft r a d i t i o n a lp m s mc o n t r o l l e rg e n e r a lr e q u e s t s t h e p r e c i s e u n d e r s t a n d i n go fs y s t e mp a r a m e t e ri no r d e r t oc a r r yo nt h ec o n t r o lr u l e h o w e v e r ，i n t h ea c t u a lo p e r a t i o n ，t h es y s t e mp a r a m e t e rw i l lb ec o n s t a n t l yc h a n g e d i no r d e rt o g u a r a n t e et h ef i n es y s t e mp e r f o m a n c e ，c o r r e s p o n d i n ga d j u s t m e n t st ot h ec o n t r o l l e r m u s tb ec a r r i e do u t i n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g i e ss u c ha sf u z z yc o n t r o lh a v et h em e r i t o fn o tr e l y i n go nt h eo b je c tm a t h e m a t i c a lm o d e la n dh a v i n gs t r o n gr o b u s t n e s s ，a n dl t c a no v e r c o m eu n c e r t a i n t i e si nt h es e r v os y s t e ms u c ha sp a r a m e t e rc h a n g e s觚d n o n 1 i n e a rc h a n g e s ，t h u si tc a nr e a l i z eg o o dc o n t r o l l i n gp e r f b r m a n c eo ft h es y s t e m s o m ep m s mi n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o d sa r er e s e a r c h e di nt h i st h e s i s f i r s t ， u n d e rt h ed i f f e f e n tc o o r d i n a t es y s t e m ，m ep m s mm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ， a n dt h ec o n t r o ld i a g r a mo fe l e c t r i c a lm a c h i n e r yv e l o c i t ym o d u l a t i o ns y s t e mi s i n t r o d u c e d t h e ni nv i e wo ft h ep m s mp i dc o n t r o li n s u m c i e n c y ，t h ef u z z yc o n t r o l m e t h o d ，t h es e l f a d j u s t m e n tf u z z yc o n t r o lm e t h o d ，t h ec m a cs t u d yc o n t r o lm e t h o d a n dt h e f u z z yi n f e r e n c en e u r a ln e t w o r ka d a p t i v ec o n t r o lm e t h o do fp l 订s m a r e d e s i g n e dr e s p e c t i v e l y t h i st h e s i sh a sa l s oe s t a b l i s h e dt h ep m s mc o n t r o ls y s t e m s i m u l a t i o nm o d e lw i t hm a t l a b s i m u l i n k ；a n df o re a c hi n t e l l i g e n c e c o n t r o l m e t h o d ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i si sc a f r i e do n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e d e s i g n e dp m s mi n t e l l i g e n c ec o n t r o lm e t h o d sh a v eb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e 雅d s t r o n g e rr o b u s t n e s s k e y w 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 ；v e l o c i t yc o n t r o lo fa c m o t o r ； i n t e l l i g e n tc o n t r o l m 永磁同步电机的智能控制方法研究 插图索引 图1 1 模糊控制系统的一般结构3 图1 2 神经网络反馈控制系统5 图1 3 智能控制永磁同步电机系统6 图2 1 永磁同步电动机的结构9 图2 2 表面式转子磁路结构1 0 图2 3 三相绕组与二相绕组的坐标轴设定1 1 图2 4 筇坐标与由坐标轴的设定1 2 图2 53 筇面轴的关系1 3 图2 6 同步旋转坐标系与转子位置关系1 5 图3 1 模糊控制永磁同步电机控制系统1 8 图3 2 模糊控制器的隶属函数分布1 9 图3 3 模糊控制永磁同步电机仿真2 2 图3 4 永磁同步电机阶跃响应时的转速响应曲线， ( a ) 模糊控制，( b ) p i 控制一2 2 图3 5 突加负载时系统的转速响应曲线，( a ) 模糊控制，( b ) p i 控制2 3 图4 1 规则自校正模糊控制永磁同步电机2 4 图4 2 如( x ) 、如( y ) 的隶属函数分布2 6 图4 3p k ( p ) 函数2 6 图4 4 规则自校正模糊控制器2 7 图4 5e 对应的隶属函数2 7 图4 6e c 、s 对应的隶属函数2 8 图4 7 规则自校正模糊控制永磁同步电机仿真3 0 图4 8 永磁同步电机阶跃响应时的转速响应曲线， ( a ) 模糊控制，( b ) 规则自校正模糊控制3 0 图4 9 突加负载时系统的转速响应曲线， ( a ) 模糊控制，( b ) 规则自校正模糊控制3 1 图5 1c m a c 结构框图一3 2 图5 2 永磁同步电机c m a c 控制系统结构图3 4 图5 3c m a c 学习控制永磁同步电机仿真3 5 图5 4 永磁同步电机阶跃响应时的转速响应曲线， ( a ) 规则自校正模糊控制，( b ) c m a c 学习控制一3 6 硕士学泣论文 图5 5 突加负载时系统的转速响应曲线， ( a ) 规则自校正模糊控制，( b ) c m a c 学习控制一3 6 图6 1 基于模糊高斯基函数神经网络控制的永磁同步电机系统一3 8 图6 2 模糊高斯基函数神经网络结构3 9 图6 3 模糊高斯基函数神经网络控制永磁同步电机仿真4 3 图6 4 永磁同步电机阶跃响应时的转速响应曲线， ( a ) 模糊控制，( b ) 模糊推理网络自适应控制4 4 图6 5 突加负载时系统的转速响应曲线， ( a ) 模糊控制，( b ) 模糊推理网络自适应控制4 5 v 永磁同岁电秽l 的智能控制方法研究 附表索引 表3 1 模糊控制规则表2 0 表3 2 判决表2 1 表4 1 调整规则表2 8 表4 2 口调整规则模糊判决表2 9 表6 1 ( o ) 的初始值4 1 表6 2 模糊控制规则表4 1 表6 3 离线训练后的口洼的值一4 2 表6 4 离线训练后的6 披的值4 2 表6 5 离线训练后的w ，的值4 2 v i l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：坛饬灰 日期：少妒年，月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“”) 始拐疋 铂咖 1 日期：沙 订夕年厂月石五日 日期：协绣年r 月咖日 硕士学位论文 第1 章绪论 本章回顾了自动控制理论和智能控制理论产生和发展的历史，并介绍了模糊 控制和神经网络控制等智能控制方法的特点，阐述了智能控制理论应用于永磁同 步电动机控制的目的和意义。 1 1 自动控制理论发展概况 自动控制理论【l 】【2 1 是与人类生产、生活密切相关的一门学科，从本世纪3 0 年 代h n y q u i s t 发表反馈放大器的稳定性理论以来，已经发展了六十多年了，控制 理论的发展一般可以分为三个阶段。 第一阶段经典控制阶段( 4 0 年代6 0 年代) 。经典控制理论主要是解决单输 入单输出的问题，主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析方 法，所研究的系统多半是线性定常系统，对非线性系统，分析时采用的相平面法 一般也不超过两个变量。经典控制理论能够较好地解决生产过程中的单输入单输 出问题，目前仍然在工业控制中发挥着重大的作用，但对于解决大规模的复杂控 制问题仍然远远不够。 第二阶段现代控制理论阶段( 6 0 年代7 0 年代) 。这个时期随着计算机的飞 速发展，计算和信息处理能力不断提高，使得控制理论可能向着更复杂、更严密 的方向发展，6 0 年代出现了以状态空间分析为基础的现代控制理论。现代控制理 论主要采用时域的状态空间方法，包括线性系统理论、最优控制理论、系统辨识 和随机控制理论等几个主要分枝。 现代控制理论【3 1 从理论上解决了系统的可观、可控、稳定性以及许多复杂系 统的问题。但在实际应用中仍然存在以下问题： ( 1 ) 现代控制理论的设计和分析是建立在系统精确的数学模型之上的，然而对 大多数对象，难以建立精确的数学模型。 ( 2 ) 对于高维、强耦合、非线性以及分布参数等系统，仍缺乏实用、简便及有 效的分析和综合方法。 ( 3 ) 传统的控制策略单一，不能适应高层决策问题。 ( 4 ) 为了提高性能，控制系统会变得很复杂，算法繁冗，满足不了实时控制的 需要，并会造成设备投资增大，系统可靠性降低等后果。 为了解决不确定性和非线性等问题，人们进一步发展了现代控制理论，研究 和发展了自适应控制、变结构控制、最优控制、非线性控制等理论，但由于他们 过于依赖现代控制理论，因而都不能从根本上解决问题。 永磁i 司步电机的智能控制方法研究 第三阶段智能控制阶段( 7 0 年代) 。所谓智能控制系统是指具有某些仿人 智能的工程控制和信息处理系统。智能控制不同于经典控制理论和现代控制理论， 它研究的主要目标不再是被控对象，而是控制器本身。控制器不再是单一的数学 模型解析型，而是数学解析和知识系统相结合的广义模型。其基本特点是不依赖 于或不完全依赖于被控对象，而主要利用人的操作经验知识、推理技术以及控制 系统的某些信息( 如控制输出、误差等) 得出相应的控制动作。由于这一特点， 智能控制在不确定性、非线性过程或对象的控制中，一般比利用现代控制( 如自 适应控制) 具有更好的鲁棒性。 1 2 智能控制的产生和发展 智能控制【4 j 是自动控制学科发展里程中的一个崭新的阶段。与其他学科一样， 智能控制是由于科学技术发展的需要，从解决重大工程和技术问题的实践中产生 和发展起来的。 从6 0 年代起，由于空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，控制界学 者在研究自组织、自学习控制的基础上，为了提高控制系统的自学习能力，开始 注意将人工智能用于控制系统。 6 0 年代初期，f w s m i t h 利用性能识别器来学习最优控制方法，试图用模式 识别技术来解决复杂系统的控制问题。1 9 6 5 年，美国著名控制论专家l a z a d e h 创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具：同年， f e i g e n b a u m 着手研制世界上第一个专家系统；傅京孙教授提出把人工智能中的知 觉推理方法用于学习控制系统。1 9 6 6 年，m e n d e l 进一步在空间飞行器的控制中 应用了人工智能技术，并提出了“人工智能控制”的概念。1 9 6 7 年，l e o n d e s 和 m e n d e l 开始使用“智能控制 一词，并把记忆、目标分解等一些简单的人工智能 技术用于学习控制系统，提高了系统处理不确定性问题的能力。 从7 0 年代初开始，傅京孙、g l o r i s o 和s a r i d i s 等人从控制论角度进一步总结 了人工智能技术与自适应、自组织、自学习控制的关系，正式提出了智能控制就 是人工智能技术与控制理论的交叉，并创立了人机交互式分级递阶智能控制的系 统结构。 在7 9 年代中后期，以模糊集合论为基础，从模仿人的控制决策思想出发，智 能控制在规则控制( r u l e b a s e dc o n t r 0 1 ) 方面取得了重大的进展。1 9 7 4 年，m a m d a n i 将模糊集和模糊语言逻辑用于控制，创立了用模糊语言描述控制规则的模糊控制 器，并被成功地用于工业过程控制。1 9 7 9 年，他又成功地研制出自组织模糊控制 器，使得模糊控制具有了较高的智能。 进入8 0 年代以来，由于微机的迅速发展以及专家系统技术的逐渐成熟，智能 控制和决策的研究及应用领域逐渐扩大，取得了丰硕的成果。智能控制由研制、 硕士学位论文 开发阶段转向应用阶段。8 0 年代中后期，神经网络的研究获得了重大进展，为智 能控制的研究起到了重大的推进作用。 9 0 年代以来，智能控制的研究势头异常猛烈，1 9 9 2 年4 月，美国国家自然科 学基金委员会和美国电力研究院联合发出智能控制研究项目倡议书；1 9 9 3 年 5 月美国i e e e 控制系统学会智能控制专业委员会成立专家小组，专门探讨“智能 控制”的含义；1 9 9 4 年6 月在美国奥兰多召开了9 4 i e e e 全球计算智能大会， 综合讨论了模糊控制、神经网络、进化计算三方面的内容，1 9 9 5 年l o 月国际智 能自动化学会筹委会第一次会议在加拿大温哥华召开。国际智能自动化学会的成 立将在世界范围内对智能自动化的研究起到推动作用。 1 3 模糊控制系统 1 9 6 5 年l a z a d e h 教授创立了模糊集理论，为模糊控制奠定了数学理论基础； 1 9 7 4 年m a m d a n i 首先将模糊集理论用于工业过程控制并取得了良好效果。此后 的3 0 多年来模糊控制的应用发展神速，已成为智能控制的重要组成部分。 模糊控制是以模糊集合论、模糊逻辑推理为基础通过总结人们在生产过程中 的经验知识来构造控制器的控制方法。它把人类专家对特定的被控对象或过程的 控制策略总结成“i f t h e n 形式的模糊控制规则，规则中的条件和结果均被 描述为量化了的模糊语言词集，如“正大、正中、正小、零、负小、负中、负大 等。 模糊控制的基本思想是首先将系统的信息( 如误差、误差变化率等) 模糊化 为模糊语言变量；而后根据控制规则，经过模糊推理得到模糊的控制输出；最后 对模糊的控制输出进行去模糊化得到精确的控制信号对被控对象或过程进行控 制，模糊控制【5 】的一般结构如图1 1 所示。 量 图1 1 模糊控制系统的一般结构 模糊控制与常规控制相比有以下优点： ( 1 ) 模糊控制完全是根据操作人员操作经验实现对系统的控制，无须建立数学 模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。 ( 2 ) 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明 永磁同步电机的智能控制方法研究 显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 ( 3 ) 由离线计算得到控制查询表、提高了控制系统的实时性。 ( 4 ) 控制的机理符合人们对过程控制的作用的直观描述和思维逻辑，为智能控 制应用打下了基础。 模糊控制的主要缺陷有： ( 1 ) 信息简单的模糊处理将导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提 高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围增大，降低决策速度，甚至 不能实现实时控制。 ( 2 ) 模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标。控制规则的选择、论 域的选择、模糊集的定义、量化因子的选取等多采用试凑法，这对于复杂系统的 控制规则是难以奏效的，这些缺陷将在后继章节中加以改进和完善。 对模糊控制的改进方法可大致的分为模糊复合控制，自适应和自学习模糊控 制，以及模糊控制与智能化方法的结合等三个方面。 本文研究了自适应和自学习模糊控制中的规则自校正模糊控制和模糊控制与 智能化方法的结合中的c m a c 学习控制方法，基于模糊高斯基函数神经网络控制 方法。 1 4 神经网络控制 人工神经网络【6 】( a n n ) 从仿生学的角度出发，模拟人脑神经元系统，使机 器具有人脑那样的感知、学习和推理功能。关于神经网络的研究从4 0 年代初开始 至今已经经历了半个多世纪。 1 9 4 3 年心理学家m e c u l l o c h 和数学家p i t t s 首先提出了形式神经元( m p ) 模 型，把神经元作为双态开关，并应用布尔逻辑的数学工具研究客观事件的形式神 经网络的模拟。1 9 4 9 年，心理学家h e b b 提出了神经元的学习规则，使神经网络 具有了可塑性。1 9 5 8 年，r o s e b l a t t 提出了感知器( p e r c e p t r o n ) 模型，指出感知 过程具有统计分离性，利用教师信号可以对感知器进行训练，试图模拟人脑感知 能力和学习能力。1 9 6 2 年，w i d r o w 提出了自适应线性元件( a d a l i n e ) ，它是一连 续取值的神经网络，主要用于自适应系统。之后，m i n s k y 和p a p e r t 经过对感知器 模型的深入研究，在1 9 6 9 年发表了感知器一书，严格地论证了简单线性感知 器功能的局限性，并且指出多层感知器还不能找到有效的计算方法。 自此以后，人工神经网络的研究一度处于低潮，直到8 0 年代，r u m b e l h a r t 与m c c l e l l a n d 以及h o p f i e l d 等人在神经网络领域取得了突破性进展，研究神经网 络的热潮才再次掀起，目前在研究方法上已形成多个流派，主要有多层网络b p 算法，h o p f i e l d 网络模型，自适应共振理论，自组织特征映射理论等。人工神经 网络的发展之所以越来越受人们的关注是由于神经网络具有以下优点： 硕士学位论文 ( 1 ) 神经网络可充分逼近任意复杂的非线性关系； ( 2 ) 所有定量或定性的信息等势地分布在网络内的各神经元，故有很强的容错 性和鲁棒性； ( 3 ) 采用并行分布处理方法，可以快速进行大量运算； ( 4 ) 可自学习和自适应不知道或不确定的系统； ( 5 ) 能够同时处理定量、定性知识。 由于神经网络的上述优点，将神经网络引入控制系统能够对难以精确描述的 复杂的非线性对象完成辨识、控制、推理、优化、故障诊断等功能。从而为满足 控制复杂系统高维数、强干扰、不确定、难建模、时滞、快速多变的要求提供了 一种新的控制理论和方法。 用神经网络直接充当控制器的反馈控制系统如图1 2 所示。 图1 2 神经网络反馈控制系统 1 5 智能控制在永磁同步电机控制系统中的应用 与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量 轻、效率高、功率因数高、转矩重量比高、转动惯量低、易于散热、易于维护保 养等优点，因而其应用范围极为广泛，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的场 合，如航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等方面获得了广泛的应用，在 现代交流电机中也占有举足轻重的地位。 但是由于现代高性能数控机床和机器人的飞速发展要求其驱动系统具有更高 的精度和更好的控制性能，所以这就需要为p m s m 提出更高品质的控制方法和设 计更高精度的控制策略。 模糊控制系统、神经网络模糊控制系统属于智能控制的范畴，具有不依赖于 对象数学模型、鲁棒性强的优点，能够很好地克服伺服系统中模型参数变化和非 线性等不确定因素。此外，模糊神经网络融合了模糊逻辑和神经网络的优点，既 永磁同步电机的智能控制方法研究 能表示定性知识，又具有自学习和处理定量数据的能力。因此将模糊控制、模糊 神经网络应用于p m s m 伺服系统的控制中，希望能够获得p m s m 的高精度性能， 设计出高品质的控制策略。 永磁同步电机电动机经过矢量坐标变换【7 】【8 1 后，可以得到与直流电动机相当 的数学模型，采用p i d 控制可以取得基本满意的效果。但实际中电机模型并非一 成不变，电机本身的参数( 如转子电阻) 和拖动负载的参数( 如转动惯量) 在某 些应用场合经常会发生漂移；同时，永磁同步电机电动机本质上还是一个非线性 的被控对象。控制对象的参数变化与非线性特征，使得线性的定常的p i d 控制在 永磁同步电机伺服系统的控制中常常顾此失彼、不尽人意。近年来，围绕着这些 问题国内外专家进行了深入的研究，提出了各种各样的解决方法，其中有基于电 机磁场理论的磁场轨迹控制法、直接转矩控制法；有基于现代控制理论的滑模变 结构技术，采用微分几何理论的非线性解藕控制、模型参考自适应控制，最优化 设计、逆n q u i s t 阵列+ 设计等等。这些方法使系统性能获得改善，但它们仍然是 建立在对象的精确数学模型的基础上，有的需要大量的传感器、观测器因而结构 复杂，有的甚至还无法摆脱非线性电机参数变化的影响。并且这些方法对负载的 适应能力差，抗干扰能力弱和受系统参数变化影响大。于是随着近年来智能控制 方法的发展，许多学者开始将智能控制引入永磁同步电机伺服系统的控制用于克 服这些缺点。智能控制无需对象的精确模型，且其本身具有非线性、变结构、自 学习等特点，从而可以有效地克服永磁同步电机伺服系统中的变参数和非线性因 素的影响，提高系统的性能。 p 一智能控制器卜一交流调速系统卜 图1 3 智能控制永磁同步电机系统 采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统【9 l 【1 0 】如图l 一3 所示。在多环控制 结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍 采用p i 控制、直接转矩控制这些方法，这主要是因为外环是决定系统的根本因素， 而内环主要的作用是改造对象特性以利于外环的控制，各种扰动给内环带来的误 差可以由外环控制或抑制。 在永磁同步电机系统中应用智能控制时，也不能完全屏弃传统的控制方法， 必须将两者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。 硕士学位论文 1 6 本文的主要研究内容 第1 章绪论。这一章主要回顾了自动控制理论和智能控制理论产生和发展的 历史，并介绍了模糊控制、神经网络控制等智能控制方法的特点，阐述了智能控 制理论应用于高性能永磁同步电机控制系统的目的和意义。 第2 章永磁同步电机的数学模型。这一章详细介绍了永磁同步电机在a b c 三相坐标下的数学模型以及其经过矢量坐标变换后在两相坐标系下的数学模型。 第3 章基于模糊控制的永磁同步电机控制系统。这一章将模糊控制器引入永 磁同步电机控制系统，并给出了仿真实验结果。 第4 章基于规则自校正模糊控制的永磁同步电机控制系统。这一章提出了一 种基于规则自校正模糊控制器的永磁同步电机控制系统，使模糊控制规则可以得 到在线调整，极大地改善了模糊控制的效果，提高了系统的动、静态性能。 第5 章永磁同步电机的c m a c 学习控制方法。这一章提出了一种基于c m a c 学习控制方法，由于c m a c 是基于局部学习的神经网络，所以学习速度快使永磁 同步电机启动快、超调小，较常规p i 系统具有更好的动、静态性能和抗扰动能力。 第6 章永磁同步电机的模糊推理网络自适应控制。这一章研究了模糊神经网 络控制在永磁同步电机控制系统中的应用，提出了一种把高斯基函数作为隶属函 数的模糊神经网络，并将其用于永磁同步电机的速度控制。 永磁同步电机的智能控制方法研究 第2 章永磁同步电机的数学模型 随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机( p m s m ) 得到了广泛应用。 作为能量转换的装置，永磁同步电机有多种结构和分类，其中正弦波永磁同步电 动机因其卓越的性能已日渐成为电伺服系统执行电机的主流。本章首先简要叙述 了永磁同步电机的基本结构和主要分类，然后对其数学模型进行了分析，给出了 永磁同步电机的运动方程等，从而为对其进行矢量控制奠定了理论基础。 2 1 永磁同步电机的结构与分类 2 1 1 永磁同步电机的结构 永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同 步电机。本文主要以三相正弦波驱动永磁同步电机作为研究对象。和普通同步电 机一样，永磁同步电动机由定子，转子和端盖等部件组成。定子由定子铁心( 由 冲有槽孔的硅钢片压受而成) 、定子绕组( 在铁心槽中嵌放三相电枢绕组) 构成。 定子和普通感应电动机基本相同，也是采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。 转子通常由轴、永久磁钢及磁扼组成，其主要作用是在电动机气隙内产生足够的 磁场强度，与通电后的定子绕组相互作用产生转矩以驱动自身的运转。转子铁心 可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成。图2 1 为永磁同步电动机的结构示意 图。转子上安装有永磁体，转子铁心上可以有电枢绕组。为了减少电动机的杂散 损耗，定子绕组通常采用星形接法【1 1 1 。 2 1 2 永磁同步电机的分类 根据转子极对数的不同，永磁同步电机分为单极和多极。目前制作转子的材 料多采用高性能的永磁材料有：a i n i c o ( c 镍钻铁磁性合金) 、f e h i t e s ( 铁氧体 磁性材料) 、r a r ee a r t h ( 含衫或钦聚合键稀土族磁性材料) 、m n a i c ( 铝碳磁性 材料) 、c e r a m i ( 陶瓷) 和n d f e b ( 铁硼合金) 。我国钦资源的储藏量占世界钦资 源储藏总量的8 0 ，目前我国的钦铁硼磁性材料特性水平达到世界的先进水平， 因此升发和研制钦铁硼永磁同步电机及其控制系统具有得天独厚的有利条件。 硕士学位论文 4 l 定子2 转子3 - 转轴4 - 转子铁芯 图2 1 永磁同步电动机的结构 永磁无刷同步电动机分为采用方波电流驱动的无刷直流电动机( 简称 b l d c m ) 和采用正弦波驱动的永磁同步电动机( 简称p m s m ) 两种。两者有很 多相似之处：转子皆有磁钢，定子通以对称交流电流才能产生转矩；它们之间最大 的区别是：正弦波电流驱动的永磁同步电机( p m s m ) 具有正弦波的反电动势波 形，而方波电流驱动永磁同步电机( b l d c m ) 具有梯形波的反电动势波形。相比 之下，b l d c m 具有控制简单、成本低、检测装置简单等优点，但源于其原理上 存在的固有缺陷，使其存在转矩脉动较大、铁芯附加损耗大的缺点，从而限制了 b l d c m 伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用( 尤其是在低速 直接驱动场合) ，而p m s m 具有比b l d c m 及其它交流伺服电动机优越的性能， 尤其是在低速或直接驱动场合，从而使得p m s m 永磁交流伺服系统具有逐步占据 中小容量的高性能伺服领域的趋势【1 2 】。 永磁同步电机从转子结构上大致可以分为两大类：( 1 ) 表面式永磁同步电机 s p m ( s u r f a c ep 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 ) ，它又可以分为凸出式和 插入式两种，如图2 2 所示。( 2 ) 内埋式永磁同步电机i p m ( i n t e r i o rp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 。对采用稀土永磁的电机来说，由于永磁材料的相对 回复磁导率接近1 ，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构：而表 面插入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上 属于凸极转子结构。表面式永磁同步电机定子与转子之间磁路分布均匀，基本上 与转子位置无关。内埋式转子具有明显的磁极，定子与转子之间磁路不均匀的， 与转子的位置有关表面式永磁同步电机结构上较简单，转子直径较小，从而降低 永磁同步电机的智能控制方法研究 转动惯量：它有较大的磁路气隙，若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感， 利于电机动态性能的改善；一般p m s m 多采用这种形式的转子结构。内埋式永磁 同步电机是将永磁体装于转子铁芯内部，制造工艺较为复杂，但机械强度高，一 般适于弱磁控制的高速运行场合【1 3 l 。 以上就永磁同步电机的分类与结构特点作了简要叙述。下面以转子为表面式， 采用正弦波电流驱动的三相永磁同步电机为研究对象，着重讨论三相永磁同步电 机的数学模型，以及相关运动规律分析。 ( a ) 凸出式 2 2 坐标系变换原理 定子 转子 图2 2 表面式转子磁路结构 ( b ) 插入式 在矢量控制中用到中的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标 2 2 1 三相定子坐标系和两相定子坐标系之间坐标变换 3 筇变换是将三相定子坐标变换成二相定子坐标，简称3 2 变换。设三相 绕组( a ，b ，c ) 与二相绕组( 口，) 轴线设定如图2 3 所示，a 相绕组轴线 与相绕组轴线重合，都是静止坐标，分别对应的交流电流为、如和乞、。 采用磁势分布和功率不变的绝对变换，三相交流电流在空间产生的磁势户与二相 交流电流产生的磁势应该相等，即两套绕组瞬时磁动势在qp 轴上的投影都应相 设变换矩阵为c 3 ，筇，变换系数为x ，则 俐豳 泣。 屯= x c c 。s 9 。一c o s 3 。+ c o s 3 。，= k ( 。，一孚毛+ 孚七 ) 。2 2 ， 么= k ( - s 证9 。一- s m 3 。一ts 洫3 0 0 ) = k ( 一丢- 一圭t ) 硕士学位论文 图2 3 三相绕组与二相绕组的坐标轴设定 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 得 筇；足l o 压 2 l 2 因为这是绝对变换，变换矩阵为正交矩阵， 压 2 1 2 则 ( 2 3 ) c 3 ，筇c 茹筇= e ( 2 4 ) 其中，e 一单位矩阵。 从式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以求得变换系数k = 亨，所以三相二相静止坐标 变换矩阵： c 3 2 咆旷店 矗。矗 。一了丁 l l1 22 ( 2 5 ) 反之，如果要从二相坐标系变换到三相坐标系( 简称2 3 变换) ，可求其反 变换阵，得 c 2 3 = 锦= 层 0l 压1 22 压1 22 ( 2 6 ) 此变换法以电机各物理量( 电流f 、电压”、磁链吵) 的瞬时值作为对象，不 但适用于稳态，也可用于动态变换f 1 4 】。 永磁同步电机的智能控制方法研究 当a ， b ，c 各相绕组上的电压与电流分别为相位互差1 2 0 度的正弦时， 在d ，q 绕组上的电压与电流为相位互差9 0 度的正弦三相绕组与两相绕组在气隙 中产生的磁势是一致的，并且磁势为一旋转磁势，旋转角速度为电源电流( 电压) 的角速度。 在实际运算中，三相定子坐标系一般通入三相平衡电流，即f 。+ f 日+ 七= 0 ， 结合式( 2 5 ) 和( 2 1 ) 得： 卧 1 斤 万“ 笪o 2 ( 2 7 ) 2 2 2 两相定子坐标系与同步旋转坐标系之间坐标变换 两相定子坐标系与同步旋转坐标系坐标变换简称筇由变换，如图2 ；4 所示。 g 缈l 图2 4 筇坐标与由坐标轴的设定 筇为静止坐标系，由为以任意角速度q 旋转的旋转坐标系。图中秒为d 轴和口轴 的夹角，并且随着时间变化p = h 出。7 为三相电流合成的空间矢量，它在由轴 上的分量为屯和，在筇轴上的分量为乞和。它们之间的几何关系为1 ： 乞= 屯c o s p 一乞s i n 口 = 毛s i n p + 岛c o s p 写成矩阵形式，得 盏捌嘲 所以由筇的变换矩阵为 硕士学位论文 lc o s 口一s i n 疹i 门 一i i l 由7 印一ls i n 口c o s 口l 因为，筇变换矩阵为正交矩阵，其逆矩阵 ，由= ，妒= l 盛耋三l c2 m ， 2 2 3 三相定子坐标与同步旋转坐标之间变换 即3 矽由变换，其变换矩阵为： 厅 q ，由2 、亏 s i i l 口s 岬一詈万) c o s 口c 。s ( 9 一詈石) l1 压压 此时，3 矽筇由的关系如图2 5 所示。 s 试口一詈万) c o 咿一；万) 1 压 图2 53 矽筇由轴的关系 2 3 永磁同步电机运动规律与数学模型 ( 2 11 ) 当永磁同步电机的定子通入三相交流电i 时，电枢电流在定子绕组电枢电阻 r 上产生电压降i r 。由三相交流电流i 产生的旋转电枢磁动势f a 及建立的电枢西4 磁场中。一方面切割定子绕组并在定子绕组中产生感应反电动势e a ，另一方面以 电磁力拖动着转子以同步转速力旋转电枢电流i 还会产生仅与定子绕组相交链的 定子绕组漏磁通。，并在定子绕组中产生感应漏电动势疋。此外转子永磁极产 生的磁场。，以同步转速切割定子绕组，从而产生空载电动势磊。 p m s m 数学模型由电压方程，磁链方程，转矩方程和机械运动方程组成。在 建立数学模型之前，为了简化分析过程，忽略一些影响较小的参数， 作如下假设【1 3 l ： 永磁同步电机的智能控制方法研究 ( 1 ) 忽略漏磁通的影响。 ( 2 ) 不考虑磁饱和现象，即定子各相绕组的电感l 和通入绕组中的电流大 小、相位无关。 ( 3 ) 定子各相绕组的电枢电阻阻值相等：定子各相绕组的电感相等。即： 兄= 民2 足2 墨厶2 厶2 t 。 ( 4 ) 气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关，即各相绕组的电感与转子的 位置无关。 ( 5 ) 转子磁链在气隙中呈正弦分布。转子磁链在各相绕组中的交链分别为： c 0 sp = 、壬，i c 。s c 口一子万， c 。s ( 口+ 詈万) ( 2 1 2 ) 其中甲，为转子磁链的幅值，对于给定永磁同步电机来说其值一般为常数。口为空 间电角度，、壬，_ ，甲b ，甲c 为转子磁链在a ， b ，c 三相绕组中产生的交链，是 角秒的函数。 在以上假设的基础上，下面将讨论永磁同步电动机在不同坐标系下的数学模 型【1 5 】。 2 3 1 永磁同步电机在三相定子坐标系下的数学模型 永磁同步电机三相绕组的电压回路方程如下： 鸠c o s 詈石 r r + l r p t 2 p l r c o s i j r 2 p o c o s ： j 儿c 。s ；万以c 。s 詈万马+ p ( 2 1 3 ) 其中，为各相绕组端的电压，l ，厶，毛为各相绕组电流，、壬，_ ，甲b ， 甲c 分别为转子磁场在定子绕组中产生的交链，耳为电枢绕组电阻，为电枢绕 组电感，p 为微分算子d d t 。结合式( 2 2 ) ，并且由l + 厶+ 毛= o 可得： 荔 = r + 孝p 尺+ pr + 芝p 妻 一q 甲， s i n 9 s 试秒一扣 s 访( p + 扣 ( 2 1 4 ) 1lij a 口 c 甲甲甲 -。l p + 1j 厶如 。l p 4呵3印0 3 耳 以 = 硕士学位论文 其中r = 墨，l = 鲁。 2 3 2 永磁同步电机在两相定子坐标系下的数学模型 由坐标变换理论可知，只要将式( 2 1 4 ) 乘以一个坐标变换阵c 3 ，2 即c 3 一，印， 就得到了永磁同步电机在两相定子坐标系下的数学模型：