（电力电子与电力传动专业论文）基于先进控制理论的pmsm控制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) g e taw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o ri t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l yi n t h ec o n t r o lo fr e q u i r i n gh i g h p 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 s a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s ，m a c h i n i n gc e n t e r s ，r o b o t i c sc o n t r o l ，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 rh a s b e e ng r a d u a l l yr e p l a c i n gd cm o t o r sa n db e c o m et h em a i n s t r e a m a tt h es a m et i m e ，o u r c o u n t r yi sr i c hi nr a r ee a r t hr e s o u r c e s w h i c hm a k e st h er e s e a r c ho fp e r 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 rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ta n dh o ts p o t s p i dc o n t r o lo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de a s eo fp r o j e c ti m p l e m e n t a t i o na t i n d u s t r i a lc o n t r o l ，e t c h a v eb e e nw i d e l yu s e d c h a n g ei nt h es y s t e mm o d e lp a r a m e t e r si sn o t t h ec a s e ，y o uc a ng e tg o o dc o n t r 0 1 b u tp e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri sat y p i c a l e x a m p l eo fm a n yv a r i a b l e s ，p a r a m e t e r st i m e - v a r y i n ga n ds t r o n g c o u p l i n gc o n t r o ls y s t e m s ，i t i sd i m c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m ，i fw er e u s et h et r a d i t i o n a l p i dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h es y s t e m i t sn o te a s yt og e ta ni d e a lc o n t r o le f f e c t i nr e c e n ty e a r s w i t hal o to fr e s e a r c ho nt h ea d v a n c e dc o n t r o l t h e o r y ，t h ec o n t r o lo f 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 rs y s t e mh a so p e n e dn e wa v e n u e s a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sb e c o m eah o tr e s e a r c hw i t ht h ea b i l i t yo fs e l f - l e a r n i n g ，s e l e a d a p t i v ea n d s e l f - o r g a n i z a t i o n t h en e u r a ln e t w o r ki n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e r c o n s t i t u t e db yc o m b i n a t i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw i t ht r a d i t i o n a lp i dc o n t r 0 1 c a na u t o m a t i c a l l ya d j u s tc o n t r o l p a r a m e t e r st oa d a p tt ot h ec h a n g e s i ns y s t e mp a r a m e t e r s i t sa ne f f e c t i v em e t h o do fr e s o l i v i n g t h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r ，s u c ha sn o tr e a l - t i m ea d j u s t i n gp a r a m e t e r a n du n f o r c e m e n tr o b u s t n e s s t h ep a p e rf i r s td i s c u s s e st h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o lm e c h a n i s mo f 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 t h e ne s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp 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 o nt h i sb a s i s ，w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l ， a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k sw i l lb ea p p l i e dt op e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o rc o n t r o l s y s t e mt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tw i t ht h eu s eo fn e wc o n t r o ls y s t e m p e r m a n e n tm a n e t s y n c h r o n o u sm o t o rc a ng e t ab e t t e rd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e ，e l l h a n c et h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dr o b u s t n e s s ， a n da c h i e v eb e t t e rc o n t r o le f f c c t 1 a yt h ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d y k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，p i dc o n t r o l ， n e u r a ln e t w o r k ， p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，c o n t r o lp r e c i s i o n i i 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及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 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谢意。 签名：王哲e l 期：2 如c 孓砧 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 王哲导师签名： e l 期： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 永磁同步电机由于具有结构简单、效率高、节能效果明显等优点在工业生产和人们 日常生活中得到了广泛的应用。尤其是近年来高性能永磁材料的成功研发以及永磁材料 的性价比不断提高，使得永磁同步电机的应用进入了一个高速发展的新时期【l j 。同时， 随着电力电子技术和先进控制技术等相关技术的不断发展，使得永磁同步电机的性能不 断完善，在相当广泛的领域里正在取代直流电机和步进电机，成为当代高性能伺服系统 的主要发展方向。随着永磁同步电机在航空航天、机器人、工业自动化以及家用电器等 各个领域的广泛应用，人们对电机的运行性能也提出了更高的标准，例如要求电机具有 高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力等，除了可以在电机制造工艺上完善电机的性能 外，还可以运用各种控制策略对电机进行控制，达到不断提高的性能指标，这时对电机 控制方法的分析和研究就显得尤为重要。为此，国内外的专家学者提出了各种各样的控 制策略，并已将其应用到永磁同步电机控制系统中。随着各种控制理论的不断完善，永 磁同步电机必然会得到更加广泛的应用。 1 2 永磁同步电机的发展历程 十九世纪二十年代，世界上出现的第一台电机就是永磁电机。永磁同步电机出现在 二十世纪五十年代，由于具有体积小、性能好、结构简单、可靠性高等特点，受到国内 外许多研究学者和企业的青睐【2 巧】。但在永磁同步电机诞生之初的几年，中小功率的调 速系统却很少采用永磁同步电机。这主要是由于与异步电机的工作方式不同，永磁同步 电机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。 虽然采用变频电源技术可以解决这个问题，但是在七十年代以前，由于变频电源装置还 处于研究中，将永磁同步电机应用在工业生产中是一件非常困难的事情。在大功率范围 内有永磁同步电动机运行的情况，但这往往是用来改善企业的电网功率因数，并未作为 传统意义上的电机使用。 随着科学技术的不断进步，使得永磁同步电机的应用成为了现实。七十年代出现了 通用变频器的系列产品，可以将工频电源转换成频率连续可调的变频电源，使得包括永 磁同步电机在内的交流电机的变频调速变为了可能。八十年代，稀土永磁材料的研制取 得了重大的进展，特别是第三代永磁材料铷铁硼的出现，极大地促进了调速系统的发展。 进入九十年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，主要是永磁材料热稳定性和耐腐 蚀性的改善和价格的进一步降低，使得永磁同步电机的研发进入一个崭新的快速发展阶 段。与此同时，微处理技术和计算机技术也不断应用在永磁同步电机控制系统中。采用 微型处理器和专用集成电路的永磁同步电机控制系统，实现了数字控制，提高了系统运 行的可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法的应用成为现实。借助于计算 江南大学硕士学位论文 机技术，使得电机控制系统和其他的相关系统连接在一起，实现了整体系统的网络化和 信息化。可以预见在不久的将来，还会有更多的先进技术应用在永磁同步电机系统中， 使得永磁同步电机得到进一步的发展。 1 3 永磁同步电机的优点 三相永磁同步电机的转子利用永磁材料产生励磁，无励磁损耗和转子发热的问题， 极大地提高了电机的工作效率和功率因素。同时永磁同步电机由于体积小、性能好、结 构简单和易于控制，在中小容量的伺服系统中得到了广泛的应用，表现出了良好的静态 性能和动态性能。与其他电机相比，永磁同步电机具有以下优点： 1 ) 高性能永磁材料提供励磁，在给定功率下，体积可以减小； 2 ) 转子转动惯量较小，因而可以获得较高的加速度； 3 ) 由于无滑环和电刷，提高了电机的可靠性； 4 ) 转子无励磁绕组，因而无转子铜耗，功率因素高； 5 ) 低转速下，具有较大的输出转矩； 6 ) 转矩脉动小，可以获得平稳的转矩。 由于具有以上优点，永磁同步电机被广泛应用在位置控制和机床控制等领域，发挥 了重要的作用 1 4 永磁同步电机控制方法 为了提高永磁同步电机控制系统的控制性能，使其具有更快的响应速度以及更高的 稳态精度，专家学者们提出了各种新型控制方法并将其应用到永磁同步电机控制系统 中。 ( 1 ) 矢量控制 1 9 7 1 年，德国人f b l a s c h k e 首先提出了矢量控制理论，使得交流电机的控制理论得 到第一次质的飞跃。其基本原理是：以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流 分解成相互正交的两个分量，一个与磁链的方向相同，代表定子电流的励磁分量，另一 个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量；然后分别对其进行控制，可以获得类似直 流电机一样优良的动态性能。因其控制结构简单，软件实现较为容易，己被广泛应用到 永磁同步电机调速系统中。 永磁同步电机有不同的电流控制策略，主要是：( 1 ) i d = 0 控制；( 2 ) 最大转矩电流 比控制；( 3 ) c o s q o = 1 控制等。其中i a = 0 控制是主要的控制方式，本文主要在这种控制方 式的基础上进行控制系统研究。 ( 2 ) 直接转矩控制 直接转矩控制技术是由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授在1 9 8 5 针对异步电动机首次 提出的，是继矢量控制技术之后又一个高性能的交流变频调速技术。其特点是采用空间 矢量、定子磁场定向的分析方法，直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计 2 第一章绪论 算并控制异步电动机的磁链和转矩，借助离散的两点式调节器，把转矩检测值与转矩给 定值作比较，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以期获得 高动态性能的转矩输出。这种控制方式省去了矢量变换方式的坐标变换和电机数学模型 的简化处理，很大程度上避免了矢量变换方式中计算的复杂性，使得系统控制结构简单、 控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应快速且无超调，是一种具有高动、静态 性能的交流调速控制方式，因此在提出之初就受到了人们的广泛关注。 直接转矩控制最初是针对异步电动机而提出的，因此不能在永磁同步电动机上直接 加以应用。1 9 9 7 年，l z h o n g ，m f r a h m a n ，y w h u 等人把直接转矩控制与永磁同步电动机 结合起来，成功实现了永磁同步电动机的直接转矩控制【6 】。近年来为了提高直接转矩控 制的动、静态性能，研究人员正在对此进行深入的研究，并取得了相应的成果t w j 。 ( 3 ) 智能控制 现代工业的不断发展对电机的性能提出了更高的要求，但是由于永磁同步电机具有 非线性、时变性以及受到各种不确定性因素的影响等，难以建立精确的数学模型，采用 传统的控制理论和方法难以达到日益提高的控制要求。为了使永磁同步电机得到更广阔 的应用，这时就需要运用新的控制理论才能解决这个问题。 智能控制方法是自动控制发展的高级阶段，它不同于经典控制理论和现代控制理论 的处理方法，它研究的目标不是控制对象本身，而是控制器。由于它能够摆脱控制对象 精确的数学模型，在解决非线性、时变性的控制问题时，显示出了强大的优势，因而采 用智能控制方法对永磁同步电机进行控制成为一个必然趋势。近年来在电机控制中，智 能控制主要应用于调整控制器参数以适应电机模型参数的变化以及非线性因素的影响， 并增强系统的鲁棒性，取得了较好的成果，广泛采用的智能控制方法包括遗传算法控制 【9 】、模糊控, t j t l o l 、神经网络控制1 1 】等。 ( 4 ) 神经网络控制技术 作为智能控制方法的一个重要分支，人工神经网络技术在永磁同步电机系统控制中 得到了广泛的应用【l2 1 。人工神经网络是从仿生学的角度出发，模拟人脑神经元的活动， 使机器具有人脑系统那样的感知、学习和推理功能。由于神经网络具有传统控制方法无 可比拟的一些优点和特征，使得神经网络在控制领域的研究得到迅速发展。从控制角度 看，神经网络应用于控制系统主要有以下一些优势【l 孓1 4 】： 1 ) 神经网络可以充分逼近任意复杂的非线性关系，这种能力使得对非线性系统的描 述有了统一的数学模型，给解决控制理论中面临的非线性问题带来了新的希望； 2 ) 具有很强的自学习、自适应能力，通过学习不断地修正网络权值，以适应不确定 性系统的特性； 3 ) 采用并行分布式处理方法，可以快速进行大量复杂的运算，在实时性要求较高的 控制方面极具潜力，尤其是在航空航天和机器人控制方面遇到的实时控制问题都可以得 到解决； 4 ) 能够处理多输入信号，并有多个输出信号，适用于多变量系统： 5 ) 信息分布式地存储在网络的各个神经元中，因而具有很强的容错性和鲁棒性。 江南人学硕士学位论文 由于具备上述优势，可以肯定人工神经网络在解决高度非线性和不确定性系统的控 制问题方面表现出了巨大的潜力，将神经网络引入控制系统领域已经成为控制理论研究 和发展的必然趋势。 1 5 本文研究的主要内容 本文所研究的永磁同步电机系统本质上具有非线性、强耦合、参数时变等特性，因 此要实现高品质的控制，对控制策略就提出了较高的要求。本文研究的主要内容是电机 控制系统速度环控制器的设计，目的在提高控制系统跟踪目标的精度以及系统响应的快 速性和鲁棒性。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： 第一章：介绍了永磁同步电机的发展状况，阐述了本课题研究的背景和意义，明确 了本文的研究内容； 第二章：详细分析了永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，并利用m a t l a b 仿真 工具搭建了永磁同步电机控制系统的仿真模型，并进行了仿真实验，为后面章节的研究 奠定了基础； 第三章：分析了b p 神经网络的基本原理和b p 网络存在的不足，并加以改进，与传 统p i d 控制器构成b p 神经网络p i d 控制器，该控制器采用了分段控制的原则对永磁同步 电机进行控制，并进行了仿真研究； 第四章：分析了c m a c 牢* 经网络的基本原理，将c m a c 丰申经网络与传统p d 控制器相 结合构成复合控制器对永磁同步电机系统进行控制，并进行了仿真研究； 第五章：总结概括了论文所做的研究工作，提出还需要进一步解决及深入研究的问 题。 4 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机得到了广泛的应用。为了能够更好的 研究和设计永磁同步电机控制系统，本章首先对永磁同步电动机的结构和种类进行了介 绍，然后对不同坐标系下的数学模型进行了分析，搭建了永磁同步电机控制系统的仿真 模型，并进行了仿真实验。 2 1 永磁同步电机的结构和分类 永磁同步电动机主要由转子和定子两大部分组成。永磁同步电动机的转子是指电动 机在运行状态下可以自由旋转的部分，主要是由转轴永久磁钢以及磁轭等部分构成，主 要作用是在电动机的气隙内产生足够多的磁感应强度；定子是指电动机在运行状态下静 止不动的部分，主要是有硅钢冲片、分布在槽内的绕组以及固定铁心的机壳、端盖、轴 承等部分构成1 1 5 1 。 对定子的三相对称的绕组通入三相对称的空间电流，就可以得到一个旋转的圆形空 间磁场，与转子磁钢所产生的恒定磁场相互作用，产生电磁力，推动转子旋转并带动负 载转动。所以只要改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。因 此对永磁同步电机的控制也和对三相异步电机的控制类似，采用矢量控制方法，并且由 于不需要对转子进行坐标变换，使得永磁同步电机的控制较异步电机的控制简单的多。 在永磁同步电机中，主磁场主要是是由转子磁钢产生的。由于转子磁钢的结构不 同，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形就有正弦波和梯形波两种。这样在电 机的建模和控制方法上就有所不同，为了区别这两种类型，将永磁同步电机分为正弦波 永磁同步电机( p m s m ) 和方波永磁同步电机( b l d c m ) 1 6 1 。就这两种电机来说，方 波永磁同步电机具有控制简单、成本低、转子位置检测装置简单等优点，但是方波永磁 同步电机在原理上存在缺陷，使得转矩脉动较大，铁心附加损耗大，从而限制了其在要 求高精度、高性能场合上的应用。而永磁同步电机由于结构上的特点，使其避免了方波 永磁同步电机的缺陷，具有优良的控制性能，成为应用较为广泛的一种电机。故本文以 下主要是对正弦波永磁同步电机建模，并对其控制进行研究。 2 2 永磁同步电机矢量控制原理 二十世纪七十年代，德国人f b l a s c h k e 首先提出了交流电机的矢量变换控制理论， 又称为磁场定向控制理论【1 7 】。该理论的提出是为了解决交流电机转矩的高性能控制问题 的，其基本思想是将三相静止坐标系上的定子电流i 。、i 。和i 。通过坐标变换等效成两相 静止坐标系下的电流i 。和i 。，再通过坐标变换等效成两相旋转坐标系下的电流i d 和i 。 通过对两个独立分量的调节，使得对交流电机的控制能够像对直流电机的控制一样简便 1 8 - 1 9 1 o 坐标变换的原则是在不同坐标系下所产生的磁动势完全一致。常用的变换有三相静 5 江南大学硕士学位论文 止坐标系到两相静止坐标系的变换( c l a r k e 变换) 和两相静止坐标系到两相旋转坐标系 的变换( p a r k 变换) 2 0 - 2 3 1 ( 1 ) 三相两相变换( 3 s 2 s ) 这种变换也i n c l a r k e 变换，是将三相交流电变换成等效的两相静止坐标系上的电流。 基本的变换公式如下： 的电流( 2 s 2 r ) 。其中：s 表示静止，r 表示旋转。两相交流电流f c r 、i 口和两相直流电流屯、 i 。产生同样的以同步转速旋转的合成磁动势f 。 声国 i 。 晓 图2 - 1 两相静止和两相旋转坐标系与磁动势空间矢量 f i g 2 - 1t w o p h a s es t a t i o n a r ya n dt w o p h a s er o t a t i n g c o o r d i n a t es y s t e mw i t ht h em a g n e t i cm o m e n t u ms p a c ev e c t o t 由上图可知，i 。、i 卢和i d 、i 口之间有如下关系： i i d = i ac o s o + 7 卢s i n 0 i i 口= 一i 口s i n 0 + 妇c o s 0 写成矩阵形式，即： 讣出哪s i n o 咀 i i a 2 3 永磁同步电机的数学模型 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 被控对象的数学模型应该能够准确反映被控系统的静态和动态特性，数学模型的准 确程度影响控制系统性能的好坏，因此建立被控对象的准确的数学模型是研究控制系统 的关键。永磁同步电机的数学模型包括电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，这 些方程是构成永磁同步电机数学模型的基础。本文将以三相永磁同步电机为研究对象， 6 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 系( 由) 下的数学模型。为了简便分析，做如下假设【2 4 - 2 5 ： 囊 = 耄丢曼 睦 + 丢 塞 c 2 4 ， 流，九、九、妒。是三相定子绕组的磁链，r 。、r 。、r 。是三相定子绕组的电阻，并且有 i | ； = 基荔攀 芝 + 妒，【- ：c 三o ；s ：0 吕：至：； c 2 5 ， | | ； = 三i ，三 m 三三m 差 + 驴，c o s 0 ：主三； c 2 9 ， 7 江南大学硕士学位论文 三! = r 鼍p 厶r p 正r 耋p 厶 差 一妒，s i n 0 ：i 三：； c 2 ，。， 式中：p 为微分算子( d d t ) ，为转子旋转角速度。 疋吨丁d d ? y s i n0 “竿2 “t d $ f s i n ( o + 3 z ) )( 2 t e ：乃一召肘：，粤 ( 2 1 2 ) 式中：t t 为负载转矩，b 为粘滞摩擦系数，c o 。为转子的机械角速度，j 为转动惯量。 由方程( 2 1 0 ) 可以看出，永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压方程为系数可 变的微分方程，不易求解，为方便起见常常采用更为简便的等效模型来进行研究。 卜= r i a + 儿a a + 儿叩妇叫r 妒，s i n 0( 2 1 3 ) 【z f 卢= 尺f 卢+ p l # i # + p l a # i a + c o r ，c o s 0 式中：甜。，“_ i b 为定子电压在a 、p 轴上的电压分量，i 。，i 卢为定子电流在a 、卢轴 上的电流分量，三口、卢、三叩为a 、卢轴的自感和它们之间的互感。 j 驴口2j ( 甜a r 屯) 功( 2 1 4 ) h = i ( ”卢一尺妇) d t 疋= 6 p ( q 6 l a i 卢一郎f 。) ( 2 1 5 ) 2 3 3 永磁同步电机在两相旋转坐标系中的数学模型 则有【2 6 。2 8 】： 8 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 卜= 砒一州。+ 丢九 卜r i q + c o r 瓤 式中：”d 、u 。为定子电压在d 、q 轴上的电压分量， 的电流分量，九、丸为定子磁链d 、g 轴上的磁链分量。 ( 2 ) 永磁同步电机的磁链方程为： l 九= - r + i a l a 【九= i q l g ( 2 1 6 ) i d 、i g 为定子电流在d 、q 轴上 ( 2 1 7 ) 式中厂为转子永磁体产生的与定子交链的磁链，可以看作是恒定的；白、厶分别 为永磁同步电机在d 、q 轴上电感的分量。 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) 就可以得到永磁同步电机由轴坐标系下的电压方程： 阱 三二，一批幽 亿 ( 3 ) 永磁同步电机的电磁转矩方程为： 艺= 昙只 d f g c q 屯) = 吾己【，+ ( 易一l q ) o f g 】 ( 2 1 9 ) 式中：己为永磁同步电机的极对数。 ( 4 ) 永磁同步电机的运动方程为： 印，= 疋一曰，一瓦 ( 2 2 0 ) 式中：j 为转动惯量，b 为粘滞摩擦系数，疋，为负载转矩。 2 4 永磁同步电机控制系统建模 基于永磁同步电机的矢量控制原理，在分析永磁同步电机数学模型的基础上，利用 m a t l a b 仿真工具，建立了系统的仿真模型。根据系统模块化建模的思想，将控制系统分 成各个功能独立的子模块，主要有：坐标变换模块、s v p w m 模块和电机本体模块。通 过对这些模块的有机结合，实现了对永磁同步电机的矢量控制。下面对各个功能子模块 结构与作用进行分析。 ( 1 ) 坐标变换模块 永磁同步电机矢量控制的基本思想是通过模仿直流电机的控制方式，使得电机具有 转矩响应快、控制精确高等优点。矢量控制是通过控制定子电流的转矩分量来间接控制 电机转矩的。文本采用i d = 0 转子磁链定向矢量控制对电机进行控制。要想像控制直流 电机一样控制永磁同步电机，需要通过一个两相旋转两相静止( 由叩) 的坐标变换， 将u j 、u 。转换为、“8 ，变换公式为式( 2 2 1 ) 1 2 9 。模块的结构如图2 - 2 所示，输入为 旋转坐标系下由轴电压u d ，“。及位置信号0 ，输出为两相静止坐标系下的电压甜口，u 口。 9 江南大学硕士学位论文 一s i n o l ”d c 。s 9j h j ( 2 2 1 ) 图2 - 2 由坐标系到筇坐标系变化模块 f i g 2 - 2d qc o o r d i n a t es y s t e r nt o 伐oc o o r d i n a t es y e t e r nc h a n g i n gm o d u l e 由于电力系统仿真工具箱( s i m p o w e r s y s t e m s ) 中已经有电机测量模块，可以直接检 测到i a 和i 。，所以在建立系统仿真模型时，只需建立两相旋转两相静止( 由叩) 的坐 标变换模块即可。 ( 2 ) 空间矢量脉宽调带i ( s v p w m ) 模块 空间矢量脉宽调制的目的是使电机获得幅值恒定的圆形磁场。它根据电流环输出的 和u 。以及当前的转子位置角0 输出六路p w m 控制信号，用来控制逆变器桥臂上功率 开关器件的通断【3 0 - 3 2 1 。典型的三相电压源型逆变器的结构如图2 3 所示。 钍d 2 a t 2 图2 - 3 三相逆变器主电路 f i g 2 - 3t h r e e p h a s ei n v e r t e ri l i a i nc i r c u it 该电路是由v t l v t 6 六个功率开关器件进行控制的，当同一桥壁的上桥壁处于导 通时，下桥壁处于关闭状态。根据三组桥臂的通断，共产生八个可能的开关状态，产生 六个基本空间矢量z ，i ( 0 0 1 ) 1 1 6 ( 1 1 0 ) 和两个零矢量2 ，o ( o o o ) 、甜7 ( 1 1 1 ) ，如图2 4 所示。 l o p 9 s l0 c s l = 1，j a 卢 “ l 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 越3 ( 0 1 1 ) 2 ( o l o ) n u 6 ( 1l o ) 越4 ( 1 0 0 ) 乱l ( 0 0 1 ) v 50 0 1 ) 图2 - 4 电压空间矢量扇区分布 f i g 2 - 4v o l t a g es p a c ev e c t o r s e c t o rd i s t r i b u t i o n 由于变换器所能产生的矢量有限，不可能输出角度连续变化的空间矢量。为了获得 旋转的空间矢量，利用各矢量作用时间的不同等效合成所需的空间矢量。图2 5 表示电 压空间矢量”。、甜。合成新的电压矢量甜，。假设在一段时f n - j t 陕j ，有一部分时间五处于工 作状态u 。，有一部分时间疋处于工作状态“6 ，则有 卜丁= “4 五+ ”6 疋+ u o r o( 2 2 2 ) 【t = 乃+ 疋+ 死 式中：t 为系统p w m 周期，正为空间矢量。作用时间，疋为空间矢量”。作用时间， 为零矢量作用时间。 拿 r 图2 - 5 电压空间矢量的线性组合 f i g 2 - 5v o l t a g es p a c ev e c t o ro f t h e1 i n e a rc o m b i n a t i o n 依据s v p w m 的基本原理，分步搭建s v p w m 中的小模块【3 3 。3 5 1 ，然后将这些小模块 组合起来构成s v p w m 模块： 1 ) 矢量所在扇区判断模块 根据测得的两相静止电压和“卢确定合成电压矢量“。所在的扇区。当“卢 0 时，令 a = i ；当五口一“卢 0 时，令b = i当五。+ “卢 o 时，令c = 1 ，其组合共有八种，但是 由判断扇区的公式可以知道a 、b 、c 不会同时为1 或者0 ，所以实际的组合有六种，和矢 量控制的六个扇区是一一对应的。取n = a + b + c ，通过1 1 的数值就可以判断合成的电压矢量 所在的扇区。模块结构框图如图2 6 所示。 江南大学硕士学位论文 表2 1 扇区与n 对应关系 t a b 2 1c o r r e l a t i o nb e t w e e ns e c t o ra n dn 图2 - 6 扇区判断模块 f ig 2 - 6d e t e r m i n et h es e c t o rm o d u l e 2 ) 基本矢量作用时间计算模块( x ，y ，z 与t 1 ，t 2 ) 按照平行四边形法则，利用输入的两相静止坐标系下的电压甜口、u 口和p w m 脉宽调 制波周期t 以及逆变器直流母线电压甜d ，定义x ，y ，z 三个变量，令x ：堑r ， l ，：兰警二皇丁，z ：二墼r ，然后再利用计算出的扇区号n 得出每个扇区内相邻两 , l u a7 - u a 矢量的作用时间( t 1 ，t 2 ) 。由于t i $ 1 t 2 之和要小于或者等于p w m 的调制周期t ，所以要 进行过饱和判断。当正+ p m 则有正= 希，r 2 - - 希。模块结构框图女口图2 _ 7 所示。 表2 2 基本矢量作用时间 t a b 2 2b a s i cv e c t o rt i m e 1 2 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 ( a ) 【b ) 图2 - 7 基本矢量作用时间模块 f i g 2 7b a si cv e c t o r ti m em o d u l e 3 ) 空间电压矢量切换点计算模块 根据输入的扇区号门及各扇区相邻两矢量的作用时间正、乃及p w m 脉宽调制波的周 期t ，可以计算出扇区内电压空间矢量的切换点。，：，乙，。令 l = 仃一正一t 2 ) 4 ，瓦= t o + 正2 ，疋= 死+ 疋2 ，则可以得出空间矢量所在扇区n 与功率 开关器件作用时间点。，2 ，乙。之间的对应关系，如表2 3 所示。 江南人学硕士学位论文 表2 - 3n 与t o m l 、t c m 2 、t c m 3 对应关系 t a b 2 3c o r r e l a t i o nb e t w e e nna n dt c m1 ，t c m 2 ，t c m 3 1 23456 乙1 乙2 死 兀 疋 疋 l 瓦 瓦 瓦 乙3疋死瓦疋 死 兀 m u l t i p o r t 9 w i t d 臣 图2 - 8 功率开关占空比计算模块 f i g 2 - 8p o w e rs w it c hd u t yc y c l ec a l c u l a ti o nm o d u l e 4 ) p w m 波形的生成模块 将得到的电压空间矢量的切换点。，乙：，乙，与一个周期为t ，幅值为t 2 的等腰 三角波进行比较，就可以生成三路p w m 波形，对其求反又可以得到三路p w m 波形，最 后得到六路p w m 波形。空间矢量脉宽调制波的产生模块结构如图2 - 9 所示。 1 4 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 b 图2 - 9p w m 波形生成模块 f i g 2 - 9p w mw a v e f o r mg e n e r a ti o nm o d u l e 5 ) 将各个模块组装成s v p w m 模块 将以上各个模块封装组合，得到s v p w m 整体封装模块，如图2 1 0 所示。 图2 - 1 0s v p w m 整体封装模块 f i g 2 - 1 0s v p w mp a c k a g em o d u l e ( 3 ) 永磁同步电机本体模块 在电力系统工具箱( s i m p o w e r s y s t e m s ) q b 已经包含了永磁同步电机的仿真模块，因此 无需再对电机的仿真模型进行搭建，这就缩短了模型搭建的时间。同时需要将永磁同步 电机模块的输出信号m 端与电机测量环节模块( m a c h i n e sm e a s u r e m e n td e m u x ) 的m 端相 连接，测量环节将输出信号进行分解，产生需要的测量信号，这样将就构成了永磁同步 电机控制系统的仿真模型。 2 5 永磁同步电机控制系统仿真 将以上各个功能模块联合起来，利用m a t l a b s i m u l i n k 构建永磁同步电机控制系统的 仿真模型如图2 11 所示。 江南人学硕士学位论文 图2 - 1 1 永磁同步电机仿真模型图 f i g 2 - 1 1p m s ms i m u l a t i o nm o d e l 仿真时永磁同步电机的参数为：直流母线电压为u d ：3 0 0 v ，p w m 周期疋：0 0 0 0 2 s ， 定子绕组电阻r = 2 8 7 5 r 2 ，定子电感为厶= l 。= 8 5 m h ，极对数p = 4 ，转子的转动惯量 j = 1 0 1 0 - 3 堙m 2 。给定转速为l o o r a d s ，电机空载启动，在t = 0 2 s 时，突加负载 乃= 3 n m ，测量得出电机运行时的各项参数如图2 1 2 2 1 5 所示。由仿真波形可以看出， 在参考转速下，系统起动响应快速，当负载突变时，转速有一个脉动，经过调节，转速 能够再次跟踪给定值；转矩开始波动较大，但是很快能够稳定在设定值；三相定予电流 呈正弦波变化，在负载突变后幅值有明显的跃升；s v p w m 合成电压矢量在六个扇区内 不断变化，这些都符合预计的分析。仿真结果说明所搭建的永磁同步电机控制系统仿真 模型具有一定合理性和可靠性，为以后对永磁同步电机控制器的研究设计奠定了基础。 1 飞 00 10 2o 30 t ( s ) 图2 - 1 2 转速波形图 f ig 2 12s p e e dr e s p o n s ew a v e f o r m 1 6 幼 加 加 o il 【s，p巴】u 第二章永磁同步电机的结构及数学模型 8 6 4 霉 _ 1 2 2 皂 受 0 2 z l盯 一 r i k 1厂 r o0 10 2o 30 4o 5 t ( s 图2 - 1 4 电磁转矩波形 f i g 2 - 1 4e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ew a v e f o r m t ( s 图2 - 1 5 合成电压矢量所在扇区图 f i g 2 1 5s e c t o to fs y n t h e si z e d v o lt a g ev e c t o r 1 7 8 6 4 2 0 乏 4 玉 一en一心卜 江南大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章介绍了永磁同步电机的结构和分类，分析了永磁同步电机在不同坐标系下的数 学模型，并利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了永磁同步电机基于i d = 0 的转子磁场定向控制的调 速系统仿真模型，通过选择合适的的p i d 控制参数对整个调速系统进行仿真研究。仿真结 果说明了所建立仿真模型的合理性和正确性，为以后利用神经网络控制理论设计永磁同 步电机调速系统奠定了基础。 第三章b p 神经网络p i d 控制器在p m s m 中的应用 第三章b p 神经网络p id 控制器在p m s m 中的应用 3 1p i d 控制器的原理 在各种控制算法中，p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一。p i d 控制由于具有结 构简单、鲁棒性强、工程上易于实现以及较高的可靠性等优点被广泛应用于工业过程控 制中。即使是在美、日等工业发达国家，高级控制技术的应用还只是占有很小的比例， 9 0 以上的控制回路采用的仍是传统的p i d 控制，可见p i d 控制在工业控制中占据着非常 重要的地位3 6 。3 7 】。常规p i d 控制系统的原理图如图3 1 所示。 图3 - 1p i d 控制原理图 f i g 3 1p i dc o n t r o l s c h e m a ti cd i a g r a m p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，( f ) 与实际输出值y ( ，) 构成控制偏差： p ( f ) = ，( ，) 一y ( f ) ( 3 1 ) 将偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控 制，故称p i d 控制器。其控制