（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊控制的pmsm交流伺服控制系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 直接转矩控制p t c ) 是除矢量控制之外的又一高性能交流电机控制策略，在 2 0 世纪8 0 年代中期首先针对异步电机提出随着d t c 控制策略在永磁同步电 机( p m s m ) 中的理论基础的解决，p m s m 的d t c 控制策略受到了越来越多的关 注。本文也将在这方面进行一些研究和探讨 本文从p m s m 模型出发，论述了p m s m 的d t c 控制策略的基本理论，推 导出了传统d t c 控制策略的空间电压矢量开关表：并根据理论分析，对传统的矢 量开关表进行了改进。在新的矢量开关表中，引入了零电压矢量参与控制，虽 然零电压矢量不能起到减小转矩的作用，但可以保持转矩不变，降低开关器件 的动作频率，改善系统的控制性宗旨。 本文将模糊规则控制引入d t c 控制策略。根据d t c 磁链滞环和转矩滞环 的特点，即滞环宽度本身是模糊语言，因此可以对其模糊化，并按照传统d t c 控制策略的控制过程设置知识库，完成空问电压矢量的推理选择。 本文在m a t l a b s i m u l i n k 的仿真环境下，组建了磁链转矩计算、转矩滞环、 磁链滞环、扇区选择和模糊规则等模块。并利用自带的p m s m 模型，对两种矢 量开关选择表的d t c 控制策略进行了仿真，验证了p m s m 的d t c 控制策略的 基本理论。同时也对p m s m 的矢量控制和基于模糊控制规则的d t c 控制策略进 行了仿真比较。 关键词：永磁同步电机；直接转矩控制；模糊控制；s i m u l i n k 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) i sa h i g hq u a l i f i e dc o n t r o lg t r a t e g yf o ra cm o t o r b e s i d e sv e c t o rc o n t r o l ，i tw a g p r o p o s e d i l i1 9 8 0 sa i m e da t c o n t r o l l i n g t h e a s y n c h r o n o u sm o t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fd t cc o n t r o l t h e o r y a n dt h e e s t a b l i s h m e n to fi t sf u n d a m e n t a lt h e o r yi np 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 ) , d t cs t r a t e g yo fp m s mh a sd r a w nc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n t h i sp a p e ri s a l s oc o n c e r n e dw i t ht h ed t cc o m r o lt h e o r y , a n ds o m ei m p r o v e m e n th a sb e e nm a d e b a s e do nt h ep m s mm a t h e m a t i c a lm o d e l , t h ed i s a ；s i o no ff u n d a m e n t a lt h e o r y i nd t co f p m s mi sa d d r e s s e d a f 【a lt h a tt h ec l a s s i c a ld t cs w i t c hs t a t el o o k u pt a b l e i sd e r i v e d o nt h eb a s i so ft h e o r e t i ca n a l y s i s , t h ei m p r o v e m e n to fc l a s s i c a ld t c s w i t c hs t a t el o o k u pt a b l eh a sb e e nm a d e , i nw h i c ht h ez e r ov e c t o ri si n t r o d u c e di n t o t h ec o n t r o ls t r a t e g y t h o u g ht h ez e r ov e c t o ra i l d e c r e a s et h ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e , i tc a nk e e pt h e t o r q u er e m a i n a n dr e d u c et h es w i t c h i n gf r e q u e n c y , w h i c hw i l li m p r o v e t h es y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , t h ef u z z yp i l e sa l ed e r i v e di n t ot h ec o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt o t h ef e a t u r eo fh y s t e r e s i so fd t ct h a tt h eh y s t e r e s i sw i d t hi sa m yi t s e l t ；i tc 4 1 nb e f u z z i f i e da n dt h er e p o s i t o r yc a nb eo r g a n i z e dc l a s s i c a l l yt oc o m p l e t et h ec h o i c eo f s p a c ev o l t a g ev e c t o r u n d e rt h em a t l a b s i m u l i n ka n v i r o n m e n t ，t h em o d u l e so fs t a t o rf l u xl i n k a g e a n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ec a l c u l a t o r , s t a t o rf l u xl i n k a g eh y s t e r e s i s , e l e c t r o m a g n e t i c t o r q u eh y s t e r e s i s , s e c t o rc h o i c e ，a n df u z z yr o l e sh a v eb e e ns e t u p u s i n gt h ep m s m m o d e lo fs i m u l i n kf i b r a r y , t h es i m u l a t i o no fd t cc o n t r o l s t r a t e g yw i t hb o t ht w o s w i t c hs t a t el o o k u pt a b l e sa g ep r e s e n t e dw h i c hd e m o n s t r a t et h ef u n d a m e m a lt h e o r yo f d t cc o n t r o ls t r a t e g yf o rp m s m a tt h es a m et i m e ，t h es i m u l a t i o n so ft h ev e c t o r c o n t r o la n df u z z yr u l e - b a s e dd t cc o m r o ls t r a t e g ya l ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：p m s m ；d t c ；f u z z yc o n t r o l ；s i m u l i n k n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着科学技术的迅速发展，特别是电机制造技术、电力电子技术和计算机 控制技术取得的巨大进步，使得伺服控制系统在许多高科技领域得到非常广泛 的应用，如机器人控制、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化、雷达 与各种军用武器跟随系统、航空航天以及柔性制造系统等等。人们对伺服控制 产品的性能，功能及性价比要求越来越高。伴随着交流电机调速理论的不断发 展，以交流伺服电机为执行电动机的交流伺服控制系统具有可与直流伺服系统 相比的性能，而且能够充分发挥交流电动机的优势，现代伺服驱动控制也逐渐 朝着交流伺服电机驱动控制的方向发展。在此社会与行业背景下，研究与开发 高品质的交流伺服控制系统，具有极其重要的现实意义。 1 1 伺服系统简介 1 1 1 伺服系统的定义 1 “伺服的来历 “伺服( s e f v o ) ”一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”做成一个 得心应手的驯服土具，服从控制信号的要求而动作。 2 准确定义 伺服系统指物体的位置、状态等输出被控量能够跟随输入给定值的任意变 化的自动控制系统。 伺服系统的主要任务是实现执行机构对位置指令的准确跟踪，当给定量随 机变化时，系统的输出量能准确无误地跟踪给定量的变化并能复现给定量。 1 1 2 伺服系统的发展概况 伺服控制应用于工业控制己有半个多世纪。作为一门综合性技术，它随着 电机制造技术、电力半导体器件、微处理器件和控制技术水平的提高面不断发 展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 电机制造技术 一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民 经济的各个领域以及人们的日常生活电机作为伺服系统的执行元件，其特性 对于构建高性能伺服系统具有极其重要的意义。 随着高性能永磁材料的采用和产业化、电机设计方法的优化和改进、控制 策略和算法的提高，交流伺服电机的性价比已经有了很大的提高由于异步型 交流伺服系统控制复杂，低速性能欠佳，因而，大多数交流伺服系统都采用同 步型交流伺服系统。在同步型交流伺服电机中，永磁同步电机具有结构简单、 容易维护、适应一切安装环境以及转动惯量小等优点，已逐渐成为a c 伺服系统 的主流，被广泛地应用在工业生产自动化领域中1 1 1 。因此，本文选用永磁同步电 机作为伺服电机 2 电力电子技术 电力电子技术是信息流与物质能量流之问的重要纽带，尽管当前信息技术 和微电子技术正引领着新技术的发展潮流，如果没有电力电子变换，则信息就 只能是信息，不可能真正用来控制生产闭 伺服控制器所采用的功率器件的发展，经历了从整流二极管、晶闸管、g t o 、 g t r 、p - m o s f e t 、i g b t ，到现在高性能伺服系统中主要采用的智能功率模块 o p m ) 现在，电力电子技术正处于高速的发展阶段，新的器件和变换技术正 在不断涌现出来 3 数字控制器技术 微处理器是交流伺服系统的核心，机型的选择往往直接影响系统的控制功 能和效果。适用于交流伺服系统的微处理器通常有单片机和数字信号处理器 ( d s p ) 两种。一般来说，单片机是面向控制的，在片内集成了较多的加接口和 外围部件，但运算速度比较慢；d s p 是面向快速信号处理的，运算速度比同一 时期的单片机要快l 至2 个数量级，但价格相对昂贵为了满足实际需要，单 片机和d s p 都在沿着扩大集成度、增加位数、加快速度、提高数据和信号处理 能力、扩展功能、降低成本的方向发展。控制用d s p 芯片是传统d s p 与单片机 相结合的产物，它既具有传统d s p 的高速处理器内核，又集成了类似于单片机 的丰富外设资源。与传统d s p 相比，它具有适合于控制应用的外围模块，更丰 富的内置r a m 和f l a s h 存储器，更强的中断处理能力；与单片机相比，它具有 更快的处理速度，适合于电机控制的高端应用场合 3 1 1 4 1 。 2 武汉理工大学硕士学位论文 经过近几年的发展，d s p 芯片已取代单片机成为伺服控制领域的主流控制 芯片。目前，d s p 芯片的主要供应商有公司、a d 公司和m o t o r o l a 公司等。 1 2 p m s m 简介 p m s m 是用稀土永磁体代替励磁绕组所构成的一种新型同步电机。它结构简 单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能 力，小的转动惯量和小的转矩脉动p l 。 与传统的电磁式同步电机相比，p m s m 无需电流励磁，不设电刷和滑环， 因此结构简单，使用方便，可靠性高。同时p m s m 的效率比电磁式同步电机要 高，并且其功率因数可设计在1 0 附近。 与鼠笼异步电机相比，p m s m 的优点主要表现在以下三个方面；高效节 能；体积小、重量轻、功率密度高；转速与频率严格成正比 p m s m 与b l d c m ( 无刷直流电机) 相比，- - 者各有优缺点： ( 1 ) 在同样体积的条件下，b l d c m 比p m s m 输出功率要大1 5 ，材料利 用率高： ( 2 ) p m s m 通常采用矢量控制，控制算法复杂，控制器成本高，而b l d c m 控制方法和控制器结构简单； ( 3 ) p m s m 必须使用高分辨率的转子位置传感器，而b l d c m 转子位置传 感器结构简单、成本低； ( 4 ) p m s m 电流连续，铁心中附一加损耗较小，而b l d c m 定子磁场非连 续旋转，造成铁心附一加损耗增加； ( 5 ) p m s m 只要保证各个向量均为正弦波，就可以消除转矩脉动，然而 b l d c m 不可能完全消除转矩脉动。 正是基于p m s m 的上述优点，所以由它组成的传动系统已受到国内外的普 遍重视，广泛用于柔性制造系统、机器人、办公自动化和数控机床等领域。 1 3 永磁同步电机控制理论的发展 永磁同步电机控制理论的发展的一个重要基础就是交流调速理论和新型控 制理论的不断发展。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 交流调速理论 目前，永磁同步电机采用的控制策略主要有以下三种： ( 1 ) 、，、f 控制 、r 、r 、，f 的控制变量为电机的外部变量即电压和频率( 图1 - 1 ) 。控制系统将参 考电压和频率输入到实现控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交交的 正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。 这种控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制，不存在异步电 机的转差和转差补偿问题。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号， 因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩；在突加负载或者速 度指令时，容易发生失步现象；也没有快速的动态响应特性因此，使用这种 控制策略的驱动系统般用于对动态响应特性要求不高和精确性不高的场合， 比如风机、泵类等负载的控制。 图1 1p m s m 、r 、n t 控制调速系统框图 ( 2 ) 矢量控制 矢量控制是德国人b l a s c h k e1 9 7 1 年在其发表的一篇有关异步电机控制的论 文中提出的嗣。矢量控制策略是目前交流电机控制所采用的主要方法，最先应用 在异步电机的控制上，之后才被移植于p m s m 的控制中，在工业上已经得到了 广泛的应用。 图1 2p m s m 矢量控制调速系统框图 4 武汉理工大学硕士学位论文 矢量控制的思想源于交流电机对直流电机控制的严格模拟。交流电机是个 多变量、非线性和强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理 论思想可以实现交流电机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦。矢量控 制的基本原理为：以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解 为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个 与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得 象直流电机一样良好的动态特性。在p m s m 中是通过控制垂直于转子磁链的定 子电流来控制电机的电磁转矩( 图1 - 2 ) 7 1 。根据这个原理，在p m s m 上实现矢量 控制比在异步电机上实现更容易，因为p m s m 在矢量控制的过程中没有感应电 机控制过程中所存在的转差频率电流，而且控制受参数尤其是转子参数的影响 较小。 p m s m 矢量控制系统中采用的电流控制方法主要有：( 1 ) 、= 0 控制；( 2 ) 、 转矩电流最大比控制；( 3 ) 、c o s t = l 控制；( 4 ) 、恒磁链控制等【”。虽然p m s m 矢量控制算法比较成熟，但不少专家学者仍然在做深入研究以期提高系统的控 制性能和减少控制系统的成本。比如在文献【9 】中就提出一种新的无速度传感器 的p m s m 矢量控制理论并得到比较好的速度估算；文献【1 0 】中，在传统矢量控 制的基础上，对其中的p i d 调节环节加以改进，提出了单神经元自适应p i d 控 制算法，克服了原有的p i d 参数不易在线调整的缺点。 p m s m 矢量控制系统能实现高精度、高动态响应性能和大范围的调速或伺服 控制。随着工业领域对高性能伺服系统需求的不断增加，尤其是数控、机器人 等方面技术的发展，p m s m 矢量控制系统作为一种相对比较成熟的控制策略具 有广阔的应用前景。 ( 3 ) d t c 控制策略及研究现状 就电机传动而言，无论是交流传动还是直流传动，是动态还是稳态，根本 的问题是转矩的控制然而在p m s m 矢量控制中，电机的转矩处于开环状态， 而且由于永磁体位置的偏移、磁性材料的分布不均，电流调节器的局限和电流 传感器的非线性化等因素导致电机转矩的脉动较大。因此矢量控制并不能实现 转矩的直接控制。同时，矢量控制的坐标变换等实现过程和计算比较复杂。因 此，d t c 控制策略的提出和应用为解决交流电机在矢量控制策略方面的不足之 处提供了一种新的思路。 d t c 是由德国d e p e n b r o c k 教授【h j 和日本t a k a h a s h i 教授【1 2 l 在2 0 世纪8 0 年 代中期针对异步电机的控制分别提出。该方法只是在定子坐标系下分析交流电 5 武汉理工大学硕士学位论文 机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂 的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它 观测出来因此，d t c 大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响 的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。作为一种现代先进的电机控制技 术，d t c 控制策略优秀的动态响应性能及对电机参数的鲁棒性，引起了业界的 热切关注。该方案提出之后很快就有不少国内外的学者进行研究探讨，并且在 传统方案的基础上提出了各种改善性能的方案【恤i r l ，同时也希望在实际中得到 应用。但由于理论上的一些不完备及核心处理器件处理速度不能满足实际控制 的要求，因此，到1 9 9 5 年a b b 公司生产的第一台采用d t c 控制策略的异步电 机高档变频器的面世，才真正实现理论到产品的转化n 引。尽管d t c 控制策略在 异步电机上获得了重大的成功，但这项技术却没有能真正用于同步电机上真 正的原因在于同步电机运行机理和异步电机有本质的不同。异步电机的转矩和 转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制，也就是说，异步 电机d t c 是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的而同步电机并不存在 这种转差角频率。正是由于这个原因，d t c 策略在同步电机上没有能够快速地 得到应用。直到1 9 9 6 年英国的f r e n c h c 和a c a r n l e yp 发表了关于p m s m 的d t c 的论文l 柳，1 9 9 7 年由澳大利亚的z h o n gl ，p l a l t l m a l lm e 教授和南航的胡育文 教授等合作提出了基于p m s m 的d t c 方案，初步解决了d t c 控制策略在 p m s m 上应用的理论基础。有了这个理论基础，p m s m 的d t c 控制也成了众多 学者研究的一个热点。就目前而言，永磁同步电机控制的直接转矩控制主要有 以下一些控制方案【2 l 】： 一、通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和定子磁链； 二、通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和定子的d 轴电流； 三，通过选择最优的开关电压矢量来直接控制电磁转矩和反作用转矩。 其中，第1 种控制方案在近几年得到了比较多的关注和研究。在此方案的 基础上，有不少国内外学者就控制性能的改善提出了一些改进的方案和方法 主要有； 1 改进定子磁链估算算法，提高控制系统效率 2 2 2 3 1 ， 2 改进电压开关矢量表使控制性能提高，并减小转矩和磁链的脉动 2 4 5 1 ， 3 研究无传感器控制，减少系统成本，提高控制性能1 2 6 - 2 9 ， 4 改进控制算法的应用，可以得到系统的实时参数，提高系统的响应速度， 减小转矩的脉动和减小误差 2 9 3 1 1 ， 6 武汉理工大学硕士学位论文 为使效率提高，损耗减小，对d t c 控制中的定子磁链给定值和实际值的计 算可以做出一些改进。文献c 2 2 】对定子磁链的给定值估计提出了基于单位磁链最 大转矩( m t p f ) 为目标的方法。文献【2 3 】则给出了在电流模型下对于实际定子磁链 的估算万法，即对估计的定于磁链和测量的定子电流进行标量相乘，通过观测 此乘积可以检测出定子磁链估计中的误差。将标量乘积结果的交流部分进行适 当的滤波，会造成一定的误差，作者通过在低通滤波器中引入自适应算法，可 以对所得的误差及增益进行修正，并提高驱动系统的动态性能。 为了减少在d t c 控制过程中产生的转矩脉动及失步，文献【2 5 】在改进开关矢 量选择表上进行了有益的探讨和研究。在基本d t c 控制策略中，电压矢量的选 择是基于转矩角小于9 0 0 考虑的，当转矩角大于9 0 0 以后，这种开关矢量选择表 将失效，作者对原来的开关矢量选择表作了改进，考虑到了转矩角大于9 0 0 的情 况，可以避免因转矩角大于9 0 。而引起的电机失步的发生。 d t c 是转子位置开环的控制，是通过动态调整定子磁链超前或滞后转子磁 链的转矩角占来获得所需的转矩，以保证定、转子之间的同步。所以在电机运行 过程中，不必对转子位置进行检测只是在电机启动时，需要得知转子磁极的 初始位置以确定定子初始磁链并迸行定子磁链的估计。作为速度闭环的控制系 统，必须要获得速度值。因此，只要能估算出速度，就能够实现p m s m 的无传 感器d t c 控制，大大减少系统成本在文献中，作者给出了基于反电动势求 定子磁链的无速度传感器的计算方法，此方法实现简单方便，但应该注意到的 是，这样的估算方法在高速区性能比较好，在低速区会有比较大的误差；文献1 2 7 ， 2 8 在前一方法的基础上，做了一些改进，把转矩角因素考虑了进去，从而弥补 了前一方法在低速区由于存在转矩角而造成的估算方法上的不足 另外，在文献 2 9 - 3 ： 中，提出了先迸控制算法在d t c 中的应用，并取得了 比较好的效果。文献 2 9 1 提出了采用预测d t c 控制算法；由上一个采样时间得 到的磁链作为初值，计算不同的运动矢量作用后的下一个采样时间的磁链，比 较出使磁链偏差最小的一个运动矢量即可作为本周期的作用矢量。并且选择合 适的运动电压矢量和零矢量的作用时问f 。和f 一，可以使转矩的脉动限制在允 许的范围内。这种算法的应用，可以预测转矩脉动的大小，减小因转矩脉动过 大带来的电流冲击，并且可以使开关频率固定文献 3 0 ，3 1 l j 对模糊控制在 d t c 控制中的应用进行了探讨和研究，取得了一定的效果。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 新型控制理论 ( 1 ) 重复控制 在伺服系统设计中，f r a n c i s 和w o n h a m 提出的内模原理起了重要的作用【3 2 1 。 内模原理指的是；如果产生参考信号的发生器包含在一个稳定的闭环系统中， 被控输出能够无稳态误差地跟踪参考信号。 t i n o u e 等人根据上述思想提出了重复控制i ”i 。它是利用内模原理，在稳定 的闭环系统内设置一个可以产生与参考输入同周期的内部模型，从而使系统实 现对外部周期参考信号的渐近跟踪。 ( 2 ) 模糊控制 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e h 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年 英国的e h m a m d a n e 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控 制得以广泛发展并在工业实践中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供 了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法，因而能 够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问题，是处理控制系统 中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理， 模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制方法。它 是模糊数学同控制理论相结合的产物 3 4 - 3 9 。 ( 3 ) 神经网络控制 神经网络计算是将计算函数嵌入物理网络之中，对计算过程的每一个基本 操作都存在与之对应的连接，在处理信息内容时，修改其自身的结构及其运行 规则。神经网络在处理自学习、自组织、自联想及容错方面都有很强的能力， 能够快速并行计算，对参数变化的影响较小，容错能力强，处理非线性系统模 型有独特的优点。应用于交流调速系统中，可以克服电机系统中非线性因素的 影响，提高调速系统的性能，这是传统的控制方法所无法比拟的。但神经网络 在学习算法、神经元模型结构、调整学习与参数的结合，网络的收敛速度与算 法的稳定性等方面还有许多工作要做1 3 4 1 。 滑模变结构控制 滑模变结构控制的基本理论和设计方法是在六七十年代奠定和发展起来 的，它是一种高速切换反馈控制，其基础是继电控制，基本思想是；给定状态 空间的若干切换曲面，每个切换面的不同侧施以不同的控制规律当运动在切 换面不同侧时，系统的相轨迹拓扑就不同。如果这样的控制能使得切换面或其 部分都是可能的相轨迹的终止点，就称该控制为变结构控制p 3 一们。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 自适应控制p 屯4 0 l 自适应控制是一类重要的控制方法，可以分为模型参考自适应和自校正自 适应等类型，在交流电机参数估计和提高系统动态特性等方面有着广泛的应用。 综上所述，交流调速理论和新型控制理论的发展为交流伺服系统控制性能 的提高提供了丰富的条件和手段。 1 4 本文的研究目的和内容安排 1 4 1 课题的研究目的 当前国际上的交流调速技术发展相当迅速，各类控制策略应用的研究也很 迅速，其中以德、日等国的技术领先于其他国家。相比较而言，国内在这方面 的发展起步较晚，发展相对滞后，虽然近年来发展比较迅速，但和国际上的发 展水平还存在一定的差距，特别是在先进控制策略的产业化力面，与国际上还 有一小小的差距随着现代工业的发展，包括先进制造与自动化技术的发展， 对交流调速技术的要求必然会越来越高。中国的变频器市场总的潜在市场应为 1 2 0 0 1 8 0 0 亿元，目前常压变频器约占市场份额的8 0 0 左右，远期中高压变频器 市场份额将不断提升至4 0 0 0 左右，发展前景相当乐观。目前国内变频器市场销 售大约为每年5 0 0 - 7 0 0 万k w ，国外品牌仍占据了绝大部分市场，国产变频器所 占市场份额不超过3 0 。0 。对于起步不久的国内企业和研究者而言，开发和研制 高性能的交流调速系统是十分必要的。在d t c 控制策略中，转矩作为一个直接 控制目标量，在闭环控制过程中以反馈的形式参与控制，因此控制系统具有良 好的转矩响应特性。同时，为了适应d t c 控制过程中对于控制策略快速响应的 需要，越来越多的引入d s p 作为处理器件，更好地配合系统完成控制过程。作 为一种高效能的控制策略，在理论研究完善的基础上，在实际应用中将会得到 更好的推广 在这种背景下，本课题对d t c 控制策略在p m s m 中的应用方面做了一些研 究工作。主要有以下几点； 首先是对永磁同步电机的数学模型进行了研究。本文针对d t c 控制的特点， 在众多坐标系中选择了适合测量和计算的坐标系进行研究，建立了永磁同步电 机的数学模型。 其次是基于传统控制技术的系统仿真比较。本文对控制系统理论的可行性 9 武汉理工大学硕士学位论文 在m a t l a b 中s i m u l i n k 环境下进行了仿真验证。利用s i m u l i n k 提供的仿真环境 及一些元件库，仿真后验证了理论的可行性，同时还研究了d t c 和矢量控制的 比较。 最后是模糊d t c 控制策略的设计和仿真。在系统介绍模糊控制思想及其原 理之后，基于永磁同步电机的d t c 控制策略设计了模糊控制器，并在系统中进 行了仿真，得出了比较满意的仿真曲线。 1 4 2 论文内容安排 本文在后面五章的内容安排如下； 第二章简单描述p m s m 在各个坐标系中的数学模型，并详细介绍p m s m 的 d t c 控制策略原理。 第三章是主要对d t c 控制策略进行了大量仿真，给出了仿真结果。文中对 几种不同情况进行了比较，包括d t c 控制策略与矢量控制策略的仿真结果对比。 第四章主要介绍了模糊智能控制理论，首先介绍了模糊数学运算的基本概 念以及隶属函数，然后详细介绍了模糊控制器的设计方法和步骤除此还详细介 绍了如何利用m a t l a b 中的模糊模块求取模糊控制表的方法，为之后的 m a t l a b 仿真打下了基础。 第五章主要介绍了基于模糊控制的d t c 控制策略的原理，在控制原理的基 础上设计了d t c 模糊控制器，并结合系统进行s i m u l i n k 仿真，对控制性能进行 了分析比较。 第六章对全文进行了总结，并对后续工作和研究的内容进行了展望，提出了 一些建议。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的数学模型 本章将首先从转子结构的角度对p m s m 进行分类，然后在不同的坐标系中 建立p m s m 的数学模型，在此基础上对p m s m 的d t c 控制原理进行介绍，最 后给出两种情况下空间电压矢量开关表。 2 1p m s m 的分类 常见的p m s m 按转子结构来分，可以分为表面贴装式s p m s m ( s u r f a c e p m s m ) 和内嵌式口m s m ( i n t e r i o r p m s l v o 。其中p m s m 又分为嵌入式i p m s m 和内埋式 i p m s m 。 s p m s m 实质上属于隐极式同步电机，永久磁铁安装在转子表面，体积较小， 惯性也较小，转矩特性的线性度比较好。由于构造的原因，当电机运行在高速 区时，离心力比较大，因此永久磁铁需要设置固定的保护环。 m m s m 实质上属于凸极式同步电机，由于永久磁铁埋于转子内部，因离心 力而使磁铁飞出的问题也没有s p m s m 严重。嵌入式口m s m 的凸极特性较小， 也有比较好的线性转矩。内埋式口m s m 则具有比较明显的凸极特性，因此其转 矩线性度比较差，但其磁阻效应可以用来提高电机效率和改善调速特性。7 2 2 永磁同步电动机的数学模型 2 2 1 坐标系和坐标变换 在本文中，将涉及到以下几种坐标系，下面就对几种坐标系进行逐一分析； f l 】，三相定子坐标系( 五8 c 坐标系) p m s m 的定子中有三相绕组，其轴线分别为气b ，c ，且彼此间互差1 2 0 的 空间电角度。当定子通入三相对称交流电时，就产生了一个旋转的磁场。 【2 】、定子静止直角坐标系( d q 坐标系) 为了简化分析，定义一个定子静止直角坐标系即d q 坐标系，其d 轴与a 轴重合，q 轴超前d 轴9 0 * 。如果在d q 轴组成的两相绕组内通入两相对称正弦 武汉理工大学硕士学位论文 电流时也会产生一个旋转磁场，其效果与三相绕组产生的一样。因此可以由两 相坐标系代替三相定子坐标系进行分析，从而达到简化运算的目的。 3 】、转子旋转直角坐标系( 由坐标系) 转子旋转坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子轴线上，g 轴超前d 轴9 0 0 ， 空间坐标以d 轴与参考坐标d 轴之间的电角度只来确定。该坐标系和转子一起 在空间以转子速度旋转，故相对于转子来说，此坐标系是静止的，又称为同步 旋转坐标系。 【4 】、定子旋转直角坐标系( x y 坐标系) 砂坐标系为随定子磁链旋转的坐标系，定子磁链的方向为x 轴的正方向，y 轴超前x 轴9 0 0 。同时，定义x 轴与d 轴的夹角万为转矩角，x 轴超前d 轴时转矩 角为正 在本文中，还将用到三相定子坐标系到定子静止直角坐标系的坐标变换 ( 3 s - 2 s ) 、定子静止直角坐标系到转子旋转直角坐标系的坐标变换( 2 s 2 r ) 和定子旋 转直角坐标系到转子旋转直角坐标系的坐标变换( 2 t 2 r ) ，以下将分别介绍并给出 变换关系表达式； 【1 】、3 s - 2 s 坐标变换 由线性代数知识可知，向量d ，q 可以张成三维线性空间，则由a ，b ，c 合 成的向量可以由d ，q 表示。因此，d q 坐标系可以和4 同e 坐标系相互转化。 也就是说，在电机控制中，三相电动机中三相电流产生的合成磁势完全可以用 两个在空间上相差9 0 0 的绕组通过时间上相差9 0 0 的对称电流产生的合成磁势所 代替。 定义c3 1 2 1 ；为a 8 c 坐标系到d q 坐标系的变换阵，根据文献【4 l 】可以得到： 1 1 1 22 o + 巫一巫 22 ( 2 1 ) 确定足值主要依据有：( 1 ) 、在变换前后，每一相功率不变，总功率变化。 即三相系统和两相系统每相的电压、电流有效值相等。如果维持变化前后合成 气隙磁势不变，两相电机每相绕组匝数要增加3 2 倍，气隙磁通减小2 3 倍，将 影响电机参数变化。敌此时置= 2 3 。( 2 ) 、在变换前后，总功率保持不变。两相 电机的相电压和相电流有效值为三相电机相电压和相电流的顾倍，因此两相 武汉理工大学硕士学位论文 电机每相功率比三相电机每相功率大3 2 倍。如果维持变化前后合成气隙磁势不 变，两相电机每相绕组匝数要增加辐万倍，气隙磁通保持不变。故此时 k = 、厨i 本文将采用第( 2 ) 种情况即确定置= 、丽。因此： ，压 “2 ，。仃 1 2 压 2 ( 2 2 ) 同样定义c “。为d q 坐标系到舢c 坐标系的变换阵，可以得到2 s 3 s 的变 换阵为： ，压i 1 ( 一2 r ，h = 、i i j l 一 2 o 压 2 3 2 ( 2 ，3 ) 【2 】、2 s - 2 r 坐标变换 分别定义c 。，2 ，、c 2 ，。y o d o 坐标系到a q 坐标系和由坐标系到d q 坐标 糸阴父珙阵，根琚又献【4 l j j 知o ，= 瞄s i n o , c 吣o s o , 。“”7 一i l ”。 = 隧痂c o s o 羽, ， 。”7 “一fs m 印l ” 【3 】、2 t - 2 r 坐标变换 分别定义c 2 , ，2 ，、c 2 。，为夥，坐标系到由坐标系和由坐标系到拶坐标系的 变换阵，文献 4 l 】可知： c 2 。：c o $ ! 墙爿 m 2 js i n 万c o s 万i q 叫 ：簋2 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 r fc o s 8 b “一l 一珈万 2 2 2p m s m 的数学模型 ( 2 7 ) 在建立数学模型时，可以忽略一些对系统控制性能和效果影响较小的参数， 为了分析的简便，先作如下假设； 1 永磁材料的电导率为零： 2 忽略漏磁通的影响： 3 不考虑磁饱和现象，即定子各相绕组的电感工和通入绕组中的电流大小 相位无关； 4 转子磁链在气隙中呈正弦分布； 5 定予各相绕组参数一样，即各相绕组的电枢电阻值相等，各相绕组的电 感值也相等。即；兄= r = - r c = r ，三。= 厶= 厶= 工， y 4 隧。 啄气l 、 蕊| j 图2 1 定转子各参数坐标系及其相对关系 在以上假设的基础上，建立p m s m 在不同坐标系下的数学模型，各坐标系 的相对关系如图2 1 ； 【1 】、p m s m 在a b c 坐标系下的数学模型 对于三相绕组电动机，在忽略了内部绕组电容的前提下， 链矢量可以表示为： u i 刮i + 等 1 4 其电压矢量和磁 ( 2 s ) 武汉理工大学硕士学位论文 飞i = l i i | + 飞rq 其中：以为定子电压矢量，r 和t 分别表示定子电阻和定子电感，一和 分别表示定子磁链矢量和转子磁链矢量，l 表示定子电流。 根据式( 2 8 ) 和式( 2 ，9 ) ，可以得到p m s m 三相绕组的电压回路方程如下： r | + l i p ：l 正c o s 竿 l， 础c o s 娶 j 皿，c o s 孥 j r 。+ ，p 儿c o s 娑 j p l ic 0 8 了2 5 ： p l sc o s 2 _ 7 f r i + l i p 1 阻1 l + p l kl ( 2 1 0 ) jk j 其中以、以、为各相绕组端电压，l 、i b 、i e 为各相绕组电流，一、 丫。、k 为转子磁场在定子绕组中产生的交链，p 为微分算子可酬出。 除鹾c o s ( a , - 2 相石3 ) 晓m 引书l 妲叫3 ) j q 1 。 联合式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 整理可以得到： 阱 r + 3 p qo o r + ：3l 4 p o 。 冠+ 三l p 刖鞫 ( 2 t 3 ) 【2 】、p m s m 在d q 坐标系下的数学模型 根据坐标变换理论，对p m s m 在a b c 坐标系下的数学模型进行3 s - 2 5 的坐 标变换，就可以得到p m s m 在d q 坐标系下的数学模型。由式( 2 2 ) 和( ( 2 1 3 ) 可得 p m s m 在d q 坐标系下的电流方程： 武汉理工大学硕士学位论文 川筋癌 联合式( 2 2 ) 、式( 2 1 1 ) 、式【2 1 3 ) 和式( 2 ，1 4 ) ，可以得到p m s m 在d q 坐标系 阱严心0 p r 三。p 蚴l i u + 生2 叼_ 嚣 忆j 【r + 三。jj 。“。lc o s 啡j 、 其中u o 、分别为定予电压在d 、q 轴上的分量，如、岛为电机d ， q 轴电感，其中k = 岛= t ，国，为转子角速度。 【3 】、p m s m 在由坐标系下的数学模型 p m s m 在由坐标系下的电流方程： 酬- 础s m o , - s i n ( o , 寺- ? ) 篙翻c z 其中i a 、分别为定子电流在d 、g 轴分量，结合式( 2 1 2 ) 整理得到： ： =嚣芸跏 旺 一半幽谚+ 警吣压础一 根据文献【4 2 】可以得到p m s m 在由坐标系下的数学模型： 巍 = 墨三e + 二，一；7 磁 。， l i 玑卜乩+ 吒 t 6 武汉理工大学硕士学位论文 隙 批嘲 ( 2 1 9 ) r = j 3 以( 一。) ( 2 2 0 ) 式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) g 式( 2 ，2 0 ) 分别为p m s m 在嘶坐标系下的定子电压方程、 磁链方程和转矩方程。其中、u g 、和幺、l 。分别为定子电压、定 子磁链和定子电感的d 、g 轴分量，以为极对数，丁为转矩。 2 3p m s m 的d t c 控制策略原理及系统框图 2 3 1p m s m 的d t c 控制策略原理 在p m s m 的控制过程中，当忽略定子电阻时，定子磁链和转子磁链的夹角占 为负载角。稳态时，相对于某一负载转矩，j 为一常量，即转矩角，定子磁链和 转子磁链以同步速度旋转：暂态时，6 为变量，定子磁链和转子磁链不以同步速 度旋转。由图2 1 ，在由坐标系下，转矩角的表达式推导如下： 6 = t a n - 1 ( i ) = t a n - 1 q i q q 0 + 昕) ) ( 2 2 1 ) 根据2 t 一2 r 坐标变换式( 2 7 ) 及式( 2 1 9 ) ，可以得到砂坐标系下的定子磁链表 示如下； 阱。 一l a c o s 6 l q 删s i n6 - 。c 如o s 艿6 珊h c o 锄s 6 9 r 动 其中虬、和t 、分别为定子磁链和定子电流的x 、y 轴分量，经整理 得到： 阱嘴屿群占州(l,-le)sin。6eos叫61i)sin6cos6 0 0 56 + ls i n + 咀! s i 8 n 匀亿z ， l 移j 【峨一厶 三。 一万屿j ”l 一刊 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 由于在砂坐标系中，定子磁链定向于x 轴，故有帆= 0 和式( 2 2 4 ) ： 丁= 要p 。i 掣，l ( 2 2 4 ) 由此可以得到砂坐标系下的定子电流表达式： f：2妒,sin5-(ld+lq)+(lq-ld)cos28iy ( 22 5 ) 。( l q l d ) s i n 2 6 = 弓了子【2 妒，厶s i n k i 皈一l d ) s i n 笏】 ( 2 2 6 ) i j d l o 将式( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 4 ) ，- j - 以得到式( 2 2 7 ) 丁= 裂陬钟叫啪。也脚川