（电机与电器专业论文）基于滑模观测器的永磁同步电机无位置传感器控制.pdf

a b s t r a c t i h ep c n n 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 ) i sa s u p e r i o r i t y - p e r f o r m a n c e a n dw i d e l y u s e dm o t o r t h ep m s m s p e e dr e g u l a t o rs y s t e ma d o p t e dv v v fs t r a t e g yt o c o n t r o lt h ep m s m i th a sm a n ym e r i t ss u c ha sl o w d y n a m i c h i g h r e l i a b i l l t ya n d p r e c i s e c o n t r o l ，s oi ti sw i d e l yu s e di nm a n yr e g i o n s h o w e v e r , w h e nt h ep m s m w h o s er o t o rw i t h o u td a m p i n gw i n d i n g so p e r a t e di no p e nl o o p ，t h es y s t e mi sn o ts t a b l e ， t h ee l e c t r i c e f f i c i e n c yd e c r e a s e da n dt h er o t o rt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h en f e b p e r m a n e n tm a g n e td e m a g n e t i z e d ，s o m e t i m e st h em o t o rl o s ts y n c h r o n i s m t h ep o s i t i o n a n ds p e e dp r e c i s ec o n t r o lo fp m s m s y s t e mb u i l di nt h es p e e dc l o s e d 1 0 0 pc o n t r o l ，s o h o wt oa c q u i r er o t o rp o s i t i o na n ds p e e ds i g n a li sam o s ti m p o r t a n ts t r a t e g yi nt h e w h o l es y s t e m a tp r e s e n t ，i nm o s t l yr e g u l a t i o nd r i v es y s t e m s ，t h em o s t l ym e t h o di st o i n s t a l lap o s i t i o ns e n s o ri nm er o t o rs h a f t b u tt h es e n s o r si n c r e a s et h ec o s ta n d d e c r e a s et h er e l i a b i l i t y i nt h e s eb a c k g r o u n d s t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s e di n t e r e s ti n d e v e l o p i n gt e c h n i q u e st oo b t a i nt h ep o s i t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nf o rt h ep m s m 、v i t l l o u te x t e m a lp o s i t i o ns e n s o r s p o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lf o rp m s m sw i l lb e w i d e l yu s e d i ns o m e s p e c i a l o r l o w - p r e c i s i o n s i t u a t i o n w jc a nm e a s u r et h e m e a s u r a b l ep h y s i c a l q u a n t i t ys u c ha st h r e e h a s ec u r r e n t ，v o l t a g ee t ct oe s t i m a t et h e p o s i t i o na n ds p e e dt h r o u g hs p e c i a lo b s e r v e rs t r a t e g y t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i cm o d e lo fp m s m ，e x p a t i a t et h e t h e o r e t i c a lb a s i so fs p a c i a lv e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) a n dt h ew a v e g e n e r a t i o n ，a n dd i ds o m er e s e a r c hi nc l o s e d - l o o pc o n t r o ls t r a t e g y b e c a u s eo f s u p e r i o r i t yp e r f o r m a n c ea n da b u n d a n te x t e m a ld e v i c e so f t h et m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7c o n t r o l c h i p ，w eu s et h i sk i n dc h i pt od e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o i h v a r es y s t e m ，s ow ec a n c o n t r o lt h ep m s m b yt h i sc o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e ru s em a t l a bt ob u i l d t h ee m u l a t i o nm a t h e m a t i cm o d c lo fp m s ma n d c o n s t r u c tt h ep m s m r e g u l a t i o ns y s t e ma c c o r d i n g t os v p w mt h e o r y t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi nas t a t i o n a r ya br e f e r e n c ef r a m ei sa d o p t e d a n dt h e s y s t e mi sc o n t r o l l e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lt h e o r yo f s l i d i n gm o d eo b s e r v er i no r d e r t oa c h i e v ec l o s e dl o o po p e r a t i o no ft h em o t o r , t h es t a t o rm a g n e t i cf i e l ds h c i u l db e v e r t i c a lw i 也t h er o t o rm a g n e t i cf i e l da n db es y n c h r o n o u sw i t hr o t o rr o t a t i n 琢s ot h e p o s i t i o n0 a n ds p e e d 珊o fp m s mi sr e a l t i m ee s t i m a t e da n dt h ee s t i m a t e d p o s i t i o n o i sm o d i f i e dc o n t i n u o u s l y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e ds t r a t e g yh a ss t r o n g e rr o b u s t n e s sa n ds a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e 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 o s i t i o ns e n s o r l e s s ；s l i d i n g m o d eo b s e r v e r ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；s p a c i a lv e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i 9 n 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得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学位论文作者躲1 耷喃 签字隅加斗年j 2 月珥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘鲎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、汇编以供查阅和借阅。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 博鹂 导师签名 岱竭 签字目期：加啦年k 月吠目 签字月期；细午年f 鲁月才日 天津大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 永磁同步电机的发展现状 与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机，特别是稀土永磁同步电机具 有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、转矩重量比高、功率因数 高、效率高、易于散热、易于保养等显著特点，因而应用范围极为广泛，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 器人等方面获得广泛应用“。 永磁电机的发展与与永磁材料的发展密切相关，二十世纪六十到八十年代， 钐钴永磁和钕铁硼永磁( 二者统称稀土永磁) 的相继问世，使永磁电机的发展进 入了新的历史时代。我国稀土资源丰富，号称“稀土王国”，稀土永磁材料和稀 土永磁电机的研究达到了世界先进水平。自二十世纪八十年代以来，各国相应的 研究机构及著名的电气公司竞相把稀土永磁材料、电力电子技术、自动控制理论 以及微电子技术的最新成就应用于永磁同步电机及其控制系统的研究开发之中， 使其成为当代电机技术发展的一个重要方向。随着永磁材料性能和电力电子器件 性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发 展，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电机理论分析、设计和控制策略中不断 出现有待进一步深入研究的新课题”1 。 电力电予器件的发展为电机调速奠定了物质基础。由于i g b t 兼有m o s f e t 驱 动功率小和g t r 导通管压降低的优点，在电气传动、电源技术等方面获得了广泛 应用，i g b t 己应用2 0 k h z 的硬开关以及频率更高的软开关中。m o s 控制晶闸管 ( m c t ) 综合了晶闸管的高电压、大电流特性和m o s f e t 管的快速开关特性。电力 电子器件正向着大功率化、高频化、模块化和智能化方向发展。目前应用于电机 调速的智能功率模块( i p m ) 采用i g b t 为功率开关，内含驱动电路及过流、短路、 超温、欠压等保护电路，提高了器件的可靠性，使用和维护更加方便o “”。 与此同时，交流电机的控制技术取得突破性进展。2 0 世纪七十年代，德国 工程师f b l a s h k e 提出了矢量控制原理，使得交流调速技术发生了一次质的飞 跃。基于永磁同步电机模型的特点，即多变量、强耦合、非线性，永磁同步电机 矢量控制也引入了坐标变换，将原本复杂的永磁同步电机模型等效为由转予同 步旋转坐标系下的模型，即通过按转子直轴永磁磁场定向的同步旋转交换实现定 天津大学硕士学位论文第一章绪论 子电流直轴分量与交轴( 力矩) 电流分量之间的解耦，达到对永磁同步电机的磁 链和转矩分别控制的目的，化简为简单的类似于直流电机的模型。由于坐标变换 后的永磁同步电机模型考虑了瞬态情况，不仅可以较准确地控制电机的稳态性 能，也能保证实现良好的动态性能。因此，以矢量控制思想作为主要控制算法的 永磁同步电机调速系统很快地发展起来“”“”1 。 另外，p w m 控制技术的应用也日益广泛，促进了永磁同步电机控制的发展。 p r m 技术，即脉冲宽度调制技术，是由控制器按照一定控制规律来实时地改变触 发功率器件的驱动信号，使其输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，实现 调频、调压、消除谐波的目标，以达到控制电机运转的技术。合理地控制开关器 件驱动信号，可以达到减少谐波和转矩脉动的目的。p w m 技术是德国人 a s c h o n u n g 于1 9 6 4 年率先提出的，其输出电压波形远比六阶梯波好，从而得到 了迅速的发展。主要应用方法有正弦p w m ( 即s p w m ) 、最优p w m 及空间电压矢量 p w m ( 即s v p w m ) 等。矢量控制思想与不同的p w m 方法结合，形成的控制方案也 会有不同。其中空间电压矢量p w m 方法是在实现对电动机的速度、转矩等控制要 求的前提下，将功率开关器件的开关次数、电流脉动等因素都加以考虑，建立一 个综合的目标函数，进行优化研究达到目标函数的最优控制。因它具有电压利用 率高的显著优点，而得到了广泛的应用嘲旧川。 此外，数字化、智能化控制是永磁同步电机控制技术发展的一个显著特点， 在数字化控制发展的热潮中，高速3 2 位数字信号处理器嘞伸川剃嘞1 刚咖( d s p ) 的应用越来越多，这带来了许多优点： i 、控制电路集成化、模块化、性能提高而成本降低。 2 、控制器件的减少提高了系统的可靠性。 3 、不同的控制策略可由不同的软件实现，而硬件则采用同一套装置，从而 提高了系统的灵活性，也易于系统性能的改进、提高。 4 、集中的处理器通讯、管理和检测。检测程序检测系统的运行，通过程序 可对半导体器件的电压、电流、温度以及电源的电压、通讯口等实现连续监测和 控制。 5 、可高速实现复杂的算法提高了系统的开关频率，从而提高了系统的性 能。 6 、通过系统硬、软件的控制，可实现对硬件错误的自动复位并自动产生保 护工作。 天津大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 2 永磁同步电机无位置传感器控制概述“”1 高性能永磁同步电机调速系统的应用日益广泛，为了满足永磁同步电机传动 系统工作稳定性的需要，一般来说必须实时的知道永磁电机转子的位置并实现速 度闭环控制。位置和速度信息的获取，传统的做法是在电机上安装机械位置传感 器。但必须注意到，机械位置传感器的安装给永磁同步电机控制系统带来了诸多 缺点。 首先，机械位置传感器的安装增加了交流电机控制系统的成本，降低了产品 的市场竞争力。如果能在不安装机械位置传感器的情况下获取电机的位置和速度 信息。将大大降低电机调速系统的成本。这也是近几年来无机械位置传感器电机 调速系统的研究十分活跃的重要原因之一。 其次，机械位置传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电 路，使系统易受干扰，降低了系统的可靠性。 再者，对于小容量的电机而言，机械位置传感器的安装增加了电机转子轴的 转动惯量，加大了电机的空间尺寸和体积。 另外，机械位置传感器的使用受温度、湿度和振动等条件的限制，使调速系 统不能广泛适应各种应用场合。 为了克服使用机械位置传感器给调速系统带来的缺陷，近1 0 年来，各国学 者致力于无位置传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的 物理量进行永磁转子位置估算以取代位置传感器。永磁同步电机是一个多变量、 强耦合的非线性系统，于是人们将现代控制理论、非线性理论和一些其它领域的 研究成果应用于永磁同步电机无位置传感器调速系统中。由于无位置传感器技术 不需要位置检测硬件，免去了位置传感器的安装维护麻烦，提高了系统可靠性， 降低了成本，也能保证系统稳定，因而引起广泛的研究兴趣。随着微控制器的发 展，使得较复杂的控制得以实现，大大简化了硬件结构，降低了成本，使控制系 统具有更大的灵活性。 永磁同步电机无位置传感器控制系统的性能好坏取决于合理的控制方案与 位置估算环节的结合。从容易测量的电机端量，如电机的定子电压、定子电流入 手，利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等不同手段，估算出与位置 有关的量，从而得到转子的位置和速度信息，并将其运用到速度反馈及矢量变换 控制中。目前，适用于永磁同步电机位置估算的主要策略有： l _ 利用定子端电压和电流直接计算出0 和( - 0 ”3 。 2 观测器基础上的估算方法。 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可直 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 接测量的物理量如输出矢量和输入矢量作为它的输入信号，并使其输出信号i 【，) 在一定的条件下等价于原系统的状态x ( f ) 。通常，称i ( o 为x ( ，) 的重构状态或估 计状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。i ( f ) 和x ( ，) 之间的等价性 一般采用渐进等价法。目前主要采用的有全阶状态观测器“”、滑模观测器“9 “”3 “。1 、降阶状态观测器“”、扩展卡尔曼滤波器“3 。 3 模型参考自适应方法“”( m r a s ) 。 4 人工智能理论基础上的估算方法”“。 1 3 滑模变结构控制概述” 所谓变结构是指在系统工作过程中，根据运行参数的变化使系统中的环节之 间的联结方式发生变化，或者某些极性发生变化。具有上述特征的控制系统均可 称为变结构控制系统，通常简称v s c 系统。它起源于对继电和b a n g b a n g 控制系 统的研究，早在1 9 6 0 年由f i l l i p o v 提出，并建立了相应的数学模型，前苏联学 者在这一领域作了大量的开创性工作。但在发展的初期，变结构理论并不被控制 界所看好，其原因在于：一是对非线性的变结构控制应用于线性系统没有兴趣； 二是变结构的良好的鲁棒性及控制系统的鲁棒性尚未成为控制界的热门话题；三 是变结构控制发展成为控制系统的- - 9 中具有普遍性综合方法的可能性尚未明显 的显现。近2 0 年来，由于微处理器的高速发展及高速切换电路的产生，变结构 控制理论已经在许多领域得到了成功的应用。 滑模变结构控制是一种非线性控制方法，其对于系统的摄动、不确定性及外 扰动具有完全的自适应性。但是它的自适应与自适应控制有本质的差别，自适应 控制是利用对系统参数的在线辨识，从而修改控制器的参数来更好地消弱系统不 确定性的影响；而变结构控制是依靠其自身的滑动模态，通过改变切换状况来抵 御不确定性。 变结构控制的根本思想是反向控制，而反向控制独特的性能是强制性。在传 统的控制理论中，线性系统是利用线性微分方程或差分方程来描述的，控制系统 被设计成为单一模式固定结构的控制方式，并采用增加阻尼的策略来使系统稳 定。严密的数学推证以及精确的解析表达，使传统的控制理论有着强大的诱惑力， 传统的控制是基于精确模型的控制，传统控制中的控制决策也来源于模型，故传 统的控制论可称之为模型论。控制的本质在于科学的控制决策，将反向控制的思 想引人控制决策，有利于处理控制过程暂态和稳态响应之间的矛盾，是增强决策 智能性的重要途径。 变结构控制对系统参数的摄动、不确定性及外扰动的完全自适应性的独特性 天津人学硕士学位论文第一章绪论 能来源于滑动模态，产生用滑动模态的主要原因是引入了反向控制，故而变结构 控制系统具有极强的鲁律性。从物理的角度而言，变结构控制总是产生最大作用： 最大加速，最大减速。而且加速过程中没有减速的参与，减速的过程中也没有加 速的参与。这正如汽车驾驶员加速时只踩油门，不踩刹车；制动时关闭油门仅 踩刹车。 抖动是滑动变结构应用存在的主要问题。变结构控制中控制量u + ( x ) 和 u 一( x ) 强制系统在滑模面s ( x ) = o 上滑动，从而使系统镇定，这样能够使系统的暂 态响应的稳定性与系统的阻尼无关，从而使系统暂态响应平稳、快速消失。但是， 系统进入稳态响应之后，即使系统的输入为阶跃函数，控制作用的切换也不会停 止，而且会产生切换的频率更高的抖动。 滑模变结构控制的机理决定了其输出必然存在抖动。正是这种开关模式实现 了系统的鲁棒性。完全消除抖动也就消除了变结构控制的可贵的抗摄动、抗外扰 的强鲁棒性。因此，对于变结构控制出现的抖动现象，e 确的处理方法应该是消 弱或抑制。 滑模变结构虽然存在不足之处抖动，然而它的强鲁棒性、快速性却有着 极强的诱惑力。因此，滑模变结构控制在交流调速系统中得到了广泛的应用与研 究，并取得了许多有意义的成果。 1 4 论文研究的背景和意义 永磁同步电机具有多方面的优点，因而在许多领域得到了越来越广泛的研究 和应用。但是当没有阻尼绕组的永磁同步电机使用市场上通用的变压变频变频器 ( 用于驱动感应电动机的v v v f 通用变频器) 来驱动开环运行时，有时会出现永 磁转子温升比定子温升还要高的异常现象，电机效率有所下降，容易造成居里温 度较低的钕铁硼永磁体退磁，危及电机安全运行；有时甚至还会出现失步现象， 电机突然停止旋转，系统无法运行。这主要是由于永磁同步电机与v v v f 通用变 频器各自的工作特点所决定的。因为v v v f 通用变频器输出电压的p w m 电压其主 要成分是基波为正弦波，而永磁同步电机由于设计、制造、工艺、部分磁路饱和、 永磁材料磁性能不一致、充磁等各方面的原因，造成永磁同步电机转子永磁磁场 空间分布非正弦，除基波磁场外，还包含有一系列高次谐波磁场，使得永磁同步 电机的反电动势波形不一定是正弦的，变频器与永磁同步电机两者不匹配；以及 系统处于开环运行时永磁转子功角振荡而造成的。 避免出现上述现象的方法就要保证稳态运行时，定子电流应该按j 下弦规律变 化，保证电枢反应合成磁动势是圆形旋转的；同时，还必须实时的知道永磁转子 天律大学碗士学位论文第一章绪论 能来源于滑动模态，产生用滑动模态的主要原因是引入了反向控制，故而变结构 控制系统具有极强的鲁律性。从物理的角度而言，变结构控制总是产生最大作用： 最大加速，最大减速。而且加速过程中没有减速的参与，减速的过程中也没有加 速的参与。这正如汽车驾驶员加速时只踩油门，不踩刹车；制动时关闭油门仅 踩刹车。 抖动是滑动变结构应用存在的主要问题。变结构控制中控制量u + ( x ) 和 u 一( x ) 强制系统在滑模面s ( x ) = 0 上滑动，从而使系统镇定，这样能够使系统的暂 态响应的稳定性与系统的阻尼无关，从而使系统暂态响应平稳、快速消失。但是， 系统进八稳态响应之后，即使系统的输入为阶跃函数，控制作用的切换也不会停 止，而且会产生切换的频率更高的抖动。 滑模变结构控制的机理决定了其输出必然存在抖动，f 是这种丌关模式实现 了系统的鲁棒性。完全消除抖动也就消除r 变结构控制的可贵的抗摄动、抗外扰 的强鲁棒性。因此，对于变结构控制出现的抖动现象，乖确的处理办法应该是消 弱或抑制。 滑模变结构虽然存在不足之处抖动，然而它的强鲁棒性、快速性却有着 极强的诱惑力。因此，滑模变结构控制在交流调速系统中得到了广泛的应用与研 究，并取得了许多有意义的成果。 1 4 论文研究的背景和意义 永磁同步电机具有多方面的优点，因而在许多领域得到了越来越广泛的研究 和应用。但是当没有阻尼绕组的永磁同步电机使用市场上通用的变压变频变频器 ( 用于驱动感应电动机的w v f 通用变频器) 来驱动开环运行时有时会出现永 磁转子温升比定子温升还要高的异常现象，电机效率有所下降，容易造成居里温 度较低的钕铁硼永磁体退磁，危及电机安全运行：有时甚至还会出现失步现象， 电机突然停止旋转系统无法运行。这主要是由于永磁同步电机与v v v f 通用变 频器备自的工作特点所决定的。因为v v v f 通用变频器输出电压的p w m 电压其主 要成分是基波为正弦波，而永磁同步电机由于设计、制造、工艺、部分磁路饱和、 永磁材料磁性能1 i 致、充磁等各方面的原因，造成永磁同步电机转子永磁磁场 空白j 分布非正弦，除基波磁场外，还包含有一系列高次谐波磁场，使得永磁同步 电机的反电动势波形不一定是正弦的，变频器与永磁同步电机两者不匹配；以及 系统处于开环运行时永磁转予功角振荡而造成的。 避免出现上述现象的方法就要保证稳念运行时，定子电流应该按正弦规律变 化，保证电枢反应合成磁动势是劂形旋转的；同时，还必须实时的知道永磁转子 化，保证电枢反应合成磁动势是劂形旋转的；同时，还必须实时的知道永磁转子 天津火学硕士学位论文第一章绪论 磁场的位置，实现闭环控制。也就是说，要想定子电流按j 下弦规律变化，可以通 过空间矢量p w m 技术实现。要想让永磁同步电机处于闭环运行，驱动系统就应实 时知道永磁转子的磁极位置。因此，转子位置和速度信号的获取是整个系统中相 当重要的一个环节。目前最常用的方法是在转子轴上安装位置传感器( 来获取转 予的位置和速度信息，但是都存在如前面所述的各种缺点，使系统不能广泛适用 于各种场合。 比较好的解决办法是采用无位置传感器控制技术，通过测量电动机的电流、 直流母线电压等可测量的物理量，通过特定的观测器转子位置估算技术，提取永 磁转子的位置和速度信息，实现闭环控制。根据永磁同步电机的运行特点，设计 出了永磁同步电机无位置传感器控制策略，应用滑模观测器方法柬估算转子的位 置和速度，不需要准确地知道电机参数。这种方法的实现可以大大减少系统的成 本，提高系统可靠性，减小系统维护的工作量。所以永磁同步电机无位置传感器 调速系统在工业应用中有广阔的应用前景，对推广电机的应用范围有重要的价 值。 1 5 论文的主要研究内容 论文对滑模变结构理论进行了详细的研究和分析，在理解滑模变结构理论模 型的基础上，把滑模变结构理论应用于永磁同步电机转速和转角的估计，对永磁 同步电机无位置传感器调速系统进行了深入的研究，设计了本系统的硬件电路， 对整个控制系统作了大量的调试工作，编制了相应的程序，并用m a t l a b 软件对 提出的控制策略和控制系统进行了仿真研究。 本文以永磁同步电机为被控对象，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 数字信号处理器( d s p ) 为微处理器，采用滑模变结构原理来估算转子位置和速度信息，以矢量控制策略 实现速度、电流双闭环控制。课题的主要研究内容有以下几个方面： 1 深入研究了p m s m 的数学模型、矢量控制以及电压空间矢量p w m 控制的基 本原理和方法，在阐述了s v p w m 波形的产生原理之后给出了在d s p 下具体的实现 方法。 2 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 系列d s p 芯片为核心设计接口与控制电路。充分利用 d s p 芯片的高速特性，通过采样电机的三相电流和直流母线电压用软件来估算转 子位置和速度，并将估算位置和速度作为反馈信号，实现速度、电流的双闭环控 制和矢量控制，且保证了控制过程满足实时性要求。设计电流环和速度环的闭环 控制回路，速度和电流的控制都采用数字比例积分( p i ) 控制器，以实现对电机 的精确控制。 大津大学硕十学位论文 第一章绪论 3 通过对永磁同步电机工作原理的深入分析，建立永磁同步电机的数学模 型、设计状态观测器( 滑模观测器) 及电流环、速度环控制器。在永磁同步电机 的静止坐标系下，研究了基于滑模观测器的永磁同步电机的无位置传感器控制， 并在计算机上用m a t l a b 进行仿真，并调节控制参数以得到比较满意的系统响应 特性。进行了对比试验，将采用无位置传感器控制的永磁同步电机转子的估计位 置与转子实际位置进行比较，观察两者的波形误差值，并提出相应的算法改进估 计效果。 天津大学硕十学位论文第二章滑模控制基本原理 第二章滑模控制基本原理 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 0 1 ) 出现于2 0 世纪5 0 年代，经 历了4 0 多年的发展，已形成了自己的体系，成为现代控制理论的一种通用的设 计方法。它适用于线性与非线性、连续与离散、确定性与不确定、同步与时滞、 集中参数与分布参数等系统。我们采用的变结构控制具有滑模( s 1 i d i n gm o d e ) 特性，称为滑模变结构控制( s m v s c ) ”“”“。3 。 滑模变结构具有完全自适应性和鲁棒性，被广泛应用于机器人控制、飞机自 适应控制、卫星姿势控制、电机控制、电力系统控制等。本章简要介绍滑模控制 的基本概念和基本原理。 2 1 滑模控制的原理 2 1 1 开关控制与滑模控制 变结构自动控制系统是一类特殊的非线性系统，其非线性表现为控制的不连 续性。这些系统与其它的控制系统的主要区别在于它们的结构并非固定，而是在 控制过程中不断地改变。 滑模控制是变结构控制策略之一，在状态空间中为控制系统设计一特殊超平 面，利用不连续的控制规律，不断地变换系统的结构，即在一定条件下沿着规定 的状态轨迹做切换，迫使系统状态沿着这个特定的超平面向平衡点滑动，最后渐 近稳定予平衡点或平衡点的某个允许邻域内。 下面我们以二阶系统为例讨论基本概念。 p 引2( 2 一1 ) l x 2 a l x ! 口2 x 2 + b u b 0 、。 式中轴x 2 是状态变量，设状态变量x = i x , 它们的精确值可以是未知的。 考虑不连续控制 i 矿s o “= i “一s 0( 2 3 ) 直线s = 0 是切换线，在这个切换线上，控制“是不连续的。设，= 0 时，状 态x 在s 0 一侧，且在“+ 的作用下，在某个有限时刻f ：达到切换线s = 0 ，如图 2 1 所示。 x 2 s o ( 2 - 5 ) “i ( x ，f )( x ) 0 ( 2 - 1 6 ) 紫鲁删( s ) 广o ( 2 - 1 7 ) 时满足终止条件，则滑动模态存在。式( 2 一1 6 ) 、( 2 - 1 7 ) 也可写作 l 驴瓦d s o ( 2 1 8 ) 天津大学硕十学位论文 第一章滑模控制基本原理 式( 2 1 8 ) 是一般的滑模存在的条件式。在实际应用中常将式( 2 掉，写为： l 妒罢 0 ( 2 - 3 4 ) 这是一种既简单又具有良好品质的趋近律。适当选择正数s ，k 的值，可以使 趋近过程品质好，趋近快而且抖振小，偏差也小。 ( 3 ) 幂次趋近率； = 一k l l “s g n ( s ) ， k o ，0 0 。当适当地选择占值及函数f ( x ) 的形式时， 可得到以上各种趋近律。 总之，切换面的到达条件有两种形式： i 没有给定趋近方式的到达条件： s 0( 2 - 3 8 ) 2 3 2 滑模运动段系统的运动 滑模运动段系统的运动实际上由两部分组成：一部分是系统运动点r p 在切 换面s = 0 附近上下穿行，该部分运动的产生是由于系统运动点r p 到达切换面时 s = 0 ，或各切换开关具有时间或空间的滞后；另一部分是系统沿滑动模态的极 限运动。这部分的运动微分方程可以根据菲力普夫理论来定义，而且实际上它相 当于同时满足条件s = 0 及d s d t = 0 ，于是可以利用等效控制来求得该微分方程， 有时也称它为滑模控制系统的滑动模态附近的平均运动方程、这种平均运动方程 描述了系统在滑动模态下的主要动态特性。通常希望这个动态特性既是渐近稳定 天津大学硕十学位论文 第二章滑模控制基本原理 的，又具有优良的动态品质。此时，滑模运动的微分方程必须取决于式( 2 - 3 1 ) 及( 2 - 3 2 ) 的联立。显然，滑模运动的动态品质( 包括渐近稳定性) 取决于切换 函数s ( x ) 及其参数的选择。 2 4 滑模控制的性质 1 模型降阶 在滑动模态下，系统的运动被约束在某个子空间内所以采用一个低阶方程 便可描述系统的行为。实际上，既然滑模轨线位于m 维超平面s ( x ) = 0 上，所以， 子空间m 为行一m 维，因而滑模方程的阶次为, l m 比原系统降低了m 阶。 2 系统解耦 在滑模控制系统中，系统状态与系统参数和系统结构无关，仅取决于滑模平 面的设计，故实现了系统的解耦。 3 鲁棒性和不变性 滑模控制的最大优点是系统一旦进入滑模状态，系统状念的转移就不再受系 统原有参数变化和外部扰动的影响，对系统参数和外部扰动具有完全的或较强的 鲁棒性和不变性。因此，它能同时兼顾动态精度和静态精度的要求。它的性能类 似于一个高增益控制系统，却无需过大的控制动作。滑模控制系统的鲁棒性和不 变性已经成为滑模控制得到普遍重视和应用的一个重要特性。 4 。“抖扳”问题 变结构控制系统的滑模运动是系统状态沿着希望轨线前进的运动。由于执行 机构存在一定的延迟或惯性，所以在状态滑动是总伴有“抖振”。即系统状态实 际上是沿着希望轨线来回穿行而不是滑动。实际应用中得不到理想滑模，“抖振” 的危害性比较大。“抖振”是阻碍滑模控制应用于实际系统的主要障碍之一。 总之，变结构控制理论是一种综合方法。重点在于切换平面的选择和控制函 数的求取。 天津大学硕士学何论文第三章永磁同步电机的矢量控制 3 1 引言 第三章永磁同步电机的矢量控制 永磁同步电机( p m s m ) 由定子、转子和端盖等部件构成，定子与普通感应电动 机基本相同，转子磁路结构是p m s m 与其它电机最主要的区别，转子磁路结构不 同，电动机的运行性能、控制系统、制造工艺和适用场合也不同。按照永磁体在 转子上位盟的不同，p m s m 的转子磁路结构分为表面式和内置式。p m s m 采用三相 交流供电，其数学模型比直流电动机复杂得多，具有多变量、强耦合及非线性等 特点，所以控制较为复杂，为使p m s m 具有高性能的控制特性，基本上都采用转 子磁场定向的矢量控制技术进行线性化解耦。 1 9 7 1 年，由德国的b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制 ( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论，从理论上解决了交流电动机非线性解耦问题， 实现了交流电动机的转矩高性能控制。其基本思想是在普通的三相交流电动机上 设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在转子磁场定向坐标上，将定子电流矢量 分解成产生磁通的直轴( 励磁) 电流分量0 和产生转矩的交轴( 转矩) 电流分量 t ，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后进行调节。这样，交流电动机的转矩 控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，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通过解耦改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实 到对定子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电 动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间上以同步转速旋转，调节、控制 和计算均不方便。因此，需要借助于坐标变换，使各物理量从定子静止坐标系转 换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空问矢量都变 成了静止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩 控制公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间