基于负载观测器的永磁同步电机滑模控制_图文

1、天津大学硕士学位论文基于负载观测器的永磁同步电机滑模控制姓名：魏林瑞申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：史婷娜20070601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

2、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。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，在胡缌琳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

3、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，并完成该控制器算法的函数实现。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（），（）。，。，耐蹦琳，。，：（），（

4、），稍，（）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

5、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，签字日期：？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。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

6、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，秃功功率节电率露达；有功功率带电率可达，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】。世纪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（），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。直至世纪年代，美国贝尔实验室诞生了人工永磁材料（即铝镍钻合金）以

7、后，实用的永磁电机才真正的产生了。到本世纪年代帮年代，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广泛的硪究和开发】。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对磁极，产

8、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，通过控锖逆变器斡频率实现对窀祝调速。这类电机豹转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。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

9、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（）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，并使各种调制方式得以实现。目前伺服驱动器中大多应用和模块。是

10、将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。年，德国学者和提出了交流电机的矢量控制理论，从理论上解决了交流电机转

11、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羽。目前在交流伺服系统中应用的各种控制策略

12、大致可以分为如下三类：（）针对交流电机数学模型的控制策略，即传统的控制策略，如。反馈控镧。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。，（）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

13、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。（）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【。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

14、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。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，设计了大量的电机专用控制芯片，从位机、位机发展到位机，运行频率由凡兆到现在的上千兆，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

15、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。控制器由于其本身的特点成为永磁电机控制的必然选择。（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。、等厂商将用于电机控制的各种外围器件封装于中，生产出电机控制的专用芯片，简化了硬件设计电路，提高了可靠性。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。由于采用了多总线的

16、哈佛结构，内部设置了专用硬件乘法器以及专翔的命令，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倍，能够实时实现复杂控制算法。由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。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。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

17、多不利予系统性能提高的因素，如：（）非线性因素：电机力矩波动、磁路饱和、耦合力矩、干扰力矩等；（）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；（）机械谐振及高频未建模动态；（）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

18、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（，）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（，），即滑模变结

19、构控制】。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。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

20、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弭：（）使用语言方法，不需要掌握过程的精确数学模型；（）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；（）对控制对象参数的变化具有较强的适应性；（）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（如控制）楣结台旧，构成复合的控制系第章绪论统，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

21、将二者结合起来，用模糊控制降低滑模控制器的抖振】。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。，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：（）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坐标系下的线性解耦状态方程。对空间矢量脉宽调制方法（）作了研究，并采用转予位置定向的矢量控制方

22、案，在，玳环境下构建了永磁网步电机伺服系统的仿真模型。（）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。（）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函数的实现，并搭建了仿真模型、做了仿真分析。，第二章永磁同步电机的矢量控箭第

23、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：要：乏互盘。（）式中，（）折算到电机轴上的总转动惯量；（）电机转速；（）一电磁转矩；（）折算到电机轴上的总负载转矩。从（）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。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

24、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

25、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：控利；妒控制；转矩电流比最大控制；恒磁链控制等。本文主要选择豇这种控制方斌进行讨论。坐标变换交流电机的

26、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】。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、，且彼此在空间上互差电角度，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轴重合，轴在空间上逆时针超前伐轴。电角度。当、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，为定予三相静止坐标系到定子两相静止坐标系的变换阵（以下简称变换阵），在满足功率不变的前提条件下，可得到变换阵

27、污，一巫一巫（）若要从两相坐标系变换到三相坐标系，对矩阵求逆后，可寻变换阵，厘吒妇 小点（）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。所以可得如下的变换关系盼阡 后。仨万啦辱。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 （）（）转子坐标系固定在转予上，其轴位于转子磁极轴线，轴在空间上逆时针超前轴。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所示“审蠢二乃球一图、多坐标系到文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、轴和、轴

28、上的分量；为转子旋转角速度。定义为理、坐标系到、坐标系的变换矩阵匕鞠定义懿郴为、坐标系到疆、坐标系的变换矩阵捌； （）（）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、坐标系与、坐标系的变换关系为：眺出幽（。¨）觚（。州）嘲协）冀逆交换为：，二嚣式中移为、旋转坐标系戆轴乓糨绕组辘线之阂豹夹懿。董。永磁同步电视数学模型（）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

29、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：（）定予绕组形连接；（）定予磁场里正弦分布，不考虑谐波及饱和：（）不诗瓣流彝磁滞损耗；（）转予上没有阻尾绕组，永磁体也没有阻尼作用。由式（）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投严铲鳓搿舻一娠珏，。叹。奄崦三一一汝埯毽趣§第二章永磁同步电机的矢量控制式中、“、为备相绕组相电压；、珀、为三相定子绕组的相电流；陬、鳓、她为备相绕组总磁链；感

30、为各相绕组电阻；为微分算子（）。磁链方程为刚豢麓，铆式中萨国，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厶，如岛厶鹚鹚，如鼻毛（？）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，可以得到坐标系下的永磁同步电机的定子磁链方程为杪÷妒（）咿式中甄，为、轴定子磁链；如，毛为、轴定子电流；

31、，三为、，咿伊”洲枷一一盼卜弋，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篇聂。气妙一缈杪掰。矿，式中，鞠为、轴定子电压；震为定子棚电阻；是微分算子。电磁转矩可由下式求得瓦三鼓心一虬蠢将式（）代入整理得乏盼（厶一）屯朝（）（）（）由式（）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轴，无轴分量。此时，控制轴电流为零（如），使励磁磁场与电枢磁场正交，这

32、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拦（）“鼋拦。妙国吵，魏冁二（）由转矩方程式（一）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永磁同步电机矢量控制调速系统图是永磁同步电机矢量控制（毛）调速系统框图。图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

33、样模块；三、速度控制器和电流控制器；四、坐标变换模块；五、计算模块；六、整流和逆变装置。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，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、坐标系上的

34、三相对称电流，不是、，所以必须进行坐标变换。由于，所以公式（，）可以简化为式（）。跏朝协。）由此可冤，电流检测只需检测任意两相电流即可。狮吣“。蝴删蓄永磁同步电机矢量控制调速系统的控制过程如下：（）通过转子位置传感器检测出转子角位置，同时计算出转子的速度，检测定子的两相电流、岛，经、轴到、轴的矢量变换后得到“屯：（）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（）输出交轴电流给定；（）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），然后分别经电流调节器，输出交、直轴电压值和“。，和材。再经过坐标变换，生成馐、多轴系上的电压值蚝和；（）确定醵和的合成矢量位于空间电压矢

35、量所围成的个扇区中的位置，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，最后给的个全比较单元的比较寄存器赋值，输出六路驱动，产生可变频率和幅值的三相正弦电流，输入电机定子绕组。空间矢量脉宽调制空间电压矢量脉宽调制（）是一种新的方法，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。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，它与传统的正弦波不同，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。和传统的方法相比，是一种优化的方法，具有直流电压利用率高、转矩脉动小的优

36、点，并且易于实现数字仡澎。图厶是三相电压源逆变器原理图。，图三栩电压源逆变器原理圈直流侧中点为参考点，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（，）代表三相的开关状态，表示上桥臂开通，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。的基本控制矢量，它们分另对应逆变器的八个开关模式。在八个开关模式中，（）和（）对应输出的电压空间矢量为零，我们把这两个电压空间矢量称为零矢量。其它六个矢量称为有效矢量，有效矢量的模为玑。电压空间矢量脉宽调制的目的就是通过控制个功率开关的种工作状态采逼近电机工作所需要的任意时刻电压矢量以从丽达到较高

37、的控制性能。逆变器输出的电压矢量及扇区如图所示。，。冬图逆交器输出鳇电盛矢囊及扇区由于变换器实际所能产生的矢量（有效矢量和零矢量）有限，不可能输出角度连续变化的空间矢量。为获得旋转的电压空间矢量，只有利用各矢量的作用时闻的不同来等效地合成所需要的矢量。对任意给定的参考矢量，当它位于由酞和瓯组成的扇区内时，利用两个非零电篷矢量氓、和嚣个零电压矢量合成参考电压矢量。参考电压矢量合成的原理如图所示。于是有图参考电鹾矢量台成原理图砜五珞瓦珞写（）式中为系统周期；瓦为酞作用时间；取为作用时间；磊为瓯（）作用时间。式（）的意义是，电压矢量在时问内所产生的积分效果与、婊及零矢量分别在瓦、取，和磊时间内的积分

38、效果相同。零矢量只是补足五、靠以外的时闻，它对矢量的合成不产生影响。由伏安平衡法则和矢量合成的平行四边形法则，剥用三角形的正弦定理可得各电压的作用时间为：露石（妒），疋压，（）嚣一墨在每个调制周期内，为使逆变器输如波形对称，把每个基本矢量的作用时阗都一分为二，同时两个零矢量碥和的作用时间相同。当参考电压位于第扇区时，一个调制周期内产生的开关序列为砜一矾一醵一一一砜一一乩（）这样即可以提高直流电压的利用率，又可以降低逆变器输出的谐波含量。在第扇区内，则式（）可以表示为罗芯磊矾）编）（）波形如图所示。：卜卅：；：广：胁；：；：（】；）：（）：（）：（呔图第燃痢区、理波形总结起来，有以下特点】：（）

39、每个小区间均以零电压矢量开始和结束；（）每个小区闯内虽有多次开关状态的切换，但每次切换只牵扯到一个功率开关器件，因而开关损耗小；（）利用电压空间矢量直接生成三相波，计算简便；（）电机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区闯时间丁的长短，丁越小越逼近圆形，但的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约；（）采用电压空闯矢量控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧电压，这比一般酶逆变器输出电垂赢。系统仿真实现是公司推沿的一套高效率的数值计算和可视纯软件。它除了具有强大的矩阵运算功能外，还提供丰富的图形绘制、数据处理、图像处理等便利工具。集成在中的是一个集建模、仿真和系统分析为一体的软件包，主要用于系统的

40、动态仿真。它不但具有直观、便捷、准确的优点。而且中的工具箱和模块库必我们实现多种控割策略提供了强有力的工具【矧。本系统就是在的环境下，完成对永磁同步电机矢量控制调速系统的仿真。图为仿真模块的整体框图。图厶整体框图图为自带的永磁同步电机本体及信号检测模块，其中电机内部的参数可以根据仿真对象的不同进行调整。副哪图永磁同步电枧本体及信号检测模块由已经得到的模型，并根据里自带的永磁同步电机模块和信号检测模块，可组成永磁同步电机调速系统的整体仿真模型，在此模型基础上便可对永磁同步电机的矢量控制调速系统进行仿真分析。系统整体仿真结构如图所示。图系统整体仿真结构图由图可知，本仿真模型主要由模块、速度控制模块

41、（滑模控制器）、测量模块、观测器模块以及电机本体模块五部分组成。以后各章的系统整体仿真框图和图相同，只是速度控制器的内部结构图不同。以嚣各章只给出控制器的仿真结构图。本文仿真用的电机主要参数为：额定功率；额定转矩；颧定电压魄；额定转速耘额定电流船；定予电感定子电阻；永磁体磁链电机极对数踟。本章小结本章首先介绍了广泛应用的矢量控制理论；接着结合坐标变换原理，给趱了永磁同步电机在坐标系下的数学模型，弗详细讨论了永磁同步电机的矢量控制方法，为后续章节的理论分析和应用提供了重要的理论基础；最后在懋环境下构建了永磁同步电机矢量控制系统的仿真模型，为后续章节的仿真奠定了基础。第三章永磁同步电机的滑模交结构

42、控制第三章永磁同步电机的滑模变结构控制因为永磁同步电机本身是一个非线性系统，所以采用传统的线性控制器容易受电机参数变化和负载扰动等不确定性豹影响，系统的动态响应和抗扰能力不能很好地兼顾。滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，系统的“结构并不固定，丽是可以在动态过程中，根据系统当前状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定的“滑动摸态运动。滑动模态是可以设计的，且与系统的参数及扰动无关。所以滑模变结构控制对外部扰动和系统参数变化不敏感，具有很强的鲁捧性。恧且滑模变结构控制还具有响应速度快、容易与其他方法综合和实现简单的优点，所以很适合于电机调速控制系统¨射。永磁同步电机的状态方程本文

43、采用的是西装式永磁同步电机，即永磁同步电机的交、直轴电感相同三气矗。同时假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布。利用矢量控制的方法，即令，则永磁同步电机可取如下的数学模型电出出事争围辘件）式中、毛为轴上的定子电压和定予电流；题为定子相电阻；热为极对数、，为转动惯量、为摩擦系数；辨为永磁体磁链；冕为负载转矩；为转子机械角速度。式（）即为永磁同步毫机的线性解耦状态方程。则永磁同步电机的运动方程为式中墨半。西；（赫一加一五）（）墨三童查壁塑生鱼塑塑塑竖壅竺塑笙型定义状态变量，薯一国（蛳力系统参考转速，假设为一常数，控制量材为，则状态方程为上式可表示为毫二二等五号掰专瓦手（）毫嘲式

44、中一；浯堡；掰毛；型争考虑方程中的不确定性，有（）毫（）掰矗）（）式中躁、曲、耐即为对应项的不确定因素。整理缛毫熙÷豁）式中势总的不确定性，表示为（）盈（）常规滑模控制器（）滑模变结构控制在状态空阈中为控制系统设计一个特殊的超平面，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撰定的状态轨迹傲切换运动，迫使系统状态沿着这个规定的超曲面向平衡点滑动，最后渐近稳定子平衡点或平衡点的某个容许的邻域内。下蕊以二阶系统为例讨论基本概念。，（）【宕一第三章永磁同步电杌的滑模交结构控铹式中而、恐是状态变量；材为控制董；口、和是定常或时变参数。考虑不连续控制丘葶材【群一毒式中控制量群掰一，葶是切换函数。嚣恐（）（）壹线是切换线，在这个线上，控制量掰是不连续的。当时阉时，状态在一侧，且在材的作用下，在有限时间内到达切