《高速永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計》12000字（論文）

第第頁高速永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u17585第一章緒論 140951.1研究背景與意義 179701.2國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀 380701.2.1中高速永磁同步電機的發(fā)展現(xiàn)狀 3210251.2.2中高速永磁同步電機的無傳感器發(fā)展現(xiàn)狀 4100911.3本文章節(jié)結(jié)構(gòu) 417762.1引言 556732.2三相PMSM數(shù)學(xué)模型 5151862.2.1繞組的電壓方程 6324592.2.2永磁同步電機磁鏈方程 6228372.2.3轉(zhuǎn)矩方程 7251912.2.4運動方程 7104152.3三相PMSM的坐標變換 8283372.3.1坐標變換 8222222.3.2Park變換與仿真建模 1087012.4小結(jié) 1121423.1引言 11254793.2SVPWM算法的實現(xiàn) 1189113.2.1SVPWM合成原理 11194173.2.2SVPWM算法的實現(xiàn)步驟 13206133.3.1永磁同步電機矢量控制的雙閉環(huán)整體框架 17260703.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計方法 18307813.4小結(jié) 2059704.1引言 21201704.2.1滑?？刂频幕驹?21156594.2.2滑模觀測器控制器設(shè)計 21314554.3基于滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器控制 2445234.4仿真實驗結(jié)果與分析 25241264.4.1空載情況下的實驗結(jié)果 269134.5小結(jié) 28308845.1全文總結(jié) 2860705.2展望 28第一章緒論1.1研究背景與意義這幾年下來，在電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)突猛發(fā)展的背景下，中高速電機以及矢量控制系統(tǒng)也跟隨著電力電子的腳步在迅速的發(fā)展，它慢慢被人們熟知，成為了生產(chǎn)制造業(yè)和人民生活的不可或缺的重要組成部分[1]；隨著自動控制原理和控制技術(shù)的發(fā)展以及微型計算機的再次繁榮，到現(xiàn)在為止調(diào)速系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位的直流調(diào)速系統(tǒng)逐漸失去了主導(dǎo)地位[2]。隨著高性能的磁性材料的制造、性能的改善，電力電子技術(shù)和電機的設(shè)計理論不斷提高的背景之下，為以設(shè)計新型電機來達到特殊目的的這種夢想開啟了新思路，指明了方向[3]。永磁同步電機(PMSM)由于有諸多的優(yōu)勢在高性能機床、機器人和位置控制等領(lǐng)域的應(yīng)用原來越多，越來越受歡迎[4]。它具有下列優(yōu)點:永磁同步電機上沒有電刷，而且有滑環(huán)，降低了摩擦從而降低了轉(zhuǎn)子損耗，從而工作效率就被大大提高了；由于永磁電機的優(yōu)勢，兩個同等體積的電機當中，永磁式電機輸出的功率比正常的電機輸出的更多[5]；由于轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩脈動都比較小，從而得到的轉(zhuǎn)矩就比較平穩(wěn)，誤差小。不管是高速還是中高速，甚至是低速的情況下都能夠符號高精度位置控制的各種需求[6]。當前，已有兩種控制高速永磁同步電機的方法分別為：矢量控制法與轉(zhuǎn)矩控制法。關(guān)鍵不是選用哪個方法，而是獲取準確的轉(zhuǎn)子位置與速度信號等關(guān)鍵因素，才能做到電機的高效率，高性能運行。相比傳統(tǒng)的永磁同步電機的電機轉(zhuǎn)速和定子電流頻率高速永磁同步電機有了很大的改善，因而高速永磁同步電機信號質(zhì)量更好。電機控制系統(tǒng)性能需求的不同而需要不同的傳感器，靈敏度越好的傳感器越適合性能要求越高的系統(tǒng)[7]。因而，多樣化的系統(tǒng)需求同時面臨著以下幾個問題：（1）

成本問題：質(zhì)量越好的傳感器會導(dǎo)致其購買所用的成本和系統(tǒng)其他組件成本一起變高。（2）可行性問題：電機安裝場地的溫度，空氣濕度等物理因素會影響其正常運行效率和性能，這要求系統(tǒng)要有更高的抗干擾能了[8]。如今，證明表示矢量控制法可以成為永磁同步電機的一種高性能的控制策略。因此，需要進行更深的研究實現(xiàn)其方案。當前，應(yīng)用最為常見的脈寬調(diào)制技術(shù)為正弦脈寬技術(shù)，但隨著調(diào)制技術(shù)的發(fā)展有人提出了新的矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，由于它相比正弦脈寬技術(shù)線性范圍寬，高次諧波少等特點得到了更好的認可。Matlab具有Simulink插件，因此有強大的仿真建模能力，本文將講解基于Simulink中建立永磁同步電機仿真模型的設(shè)計方案與實驗結(jié)果。1.2國內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀1.2.1中高速永磁同步電機的發(fā)展現(xiàn)狀19世紀20年代，在艱難的條件用永磁材料制作出來的電機出現(xiàn)在世上，由于當時的技術(shù)方面的限制，做出來的電機大體積，低效率和地可靠性的缺點，雖然有這么多缺點，但對往后的研究發(fā)展開啟了新思路，指明了方向。因此,人民們不停地探索和研究永磁體材料,對永磁材料從不怎么熟悉到更加深入的了解了,在后來的十年時間里,人們成功的找到了一種可以用來作為永磁體原子的鋁、鎳、鈷等材料。然后到了20世紀50年代學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了一種比鐵氧體更強磁性的材料,這個發(fā)現(xiàn)對研究永磁材料方面做出了一個升級，而且在農(nóng)業(yè)和軍事等方面得到了較為廣泛的應(yīng)用。20世紀70年代學(xué)者們?yōu)榱丝朔婉詈?、線性以及變量少的直流電動機，為了做出相對高性能的調(diào)速控制系統(tǒng)，便對交流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究。這時候存在的一個問題就是所采用的控制算法還是比較復(fù)雜,與此同時它們所控制的系統(tǒng)價格還相對昂貴。除此之外，最大的問題是此類永磁材料依舊存在剩磁密度過低的不利之處，因此為了補這個洞，于20世紀70年代至90年代間依次發(fā)現(xiàn)個研究出了稀土鈷、釤鈷和釹鐵硼三種永磁材料。價格昂貴，性能優(yōu)越的釤鈷材料用在航天航空所用的高速電機上是最好的選擇。在后來八十年代由美國和日本合作的金屬公司研究出的的釹鐵硼材料被學(xué)者們稱作為第三代稀土永磁材料，這種釹鐵硼材料不僅僅有更高的熱穩(wěn)性，還具有超強的耐腐蝕性，還在價格方面降低了不少，提高了性價比。因此，釹鐵硼材料上成為了國內(nèi)外諸多專家學(xué)者研究永磁材料目標點。在國內(nèi)清華大學(xué)等著名高校前后圍繞釹鐵硼材料，研究了高性能永磁同步電機，并獲得了比較好的成果。然而，在電力電子技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，永磁同步電機的控制方法和調(diào)速方法得以完善，永磁同步電機的工業(yè)上的應(yīng)用了也變得較為廣泛。在電力電子技術(shù)及控制技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，中高速電機以及矢量控制系統(tǒng)也跟隨電力電子的腳步在迅速的發(fā)展，它慢慢被人熟知，成為了生產(chǎn)制造業(yè)和人民生活的不可或缺的重要組成部分；隨著自動控制原理和控制技術(shù)的發(fā)展微型計算機的再次繁榮，使直流調(diào)速系統(tǒng)失去了帶頭位置，并且被交流調(diào)速系統(tǒng)所替代了。1.2.2中高速永磁同步電機的無傳感器發(fā)展現(xiàn)狀到了20世紀60年代，在永磁電機領(lǐng)域無傳感器控制方面的研究從此就開始了，此時在電力電子技術(shù)領(lǐng)域比較有名的學(xué)者REKalman提出了一種估計算法，這種估計算法能夠考慮到誤差計算，稱之為卡爾曼濾波器。這種算法在電力技術(shù)領(lǐng)域有著一席之地,該算法可以很容易地在計算機上使用,因此被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)在。到了上世紀70年代，AAbbondanti等學(xué)者巧妙的設(shè)計出了一種無位置傳感器控制系統(tǒng)，而且這種系統(tǒng)巧妙之處在于這系統(tǒng)安裝在感應(yīng)電機上，這被認定成的感應(yīng)電機無傳感器和控制系統(tǒng)技術(shù)進一步發(fā)展的標志。之后,學(xué)者們繼續(xù)進行研究,于1983年rjoetten在對感應(yīng)式電機的無傳感器原有基礎(chǔ)上還實現(xiàn)了矢量控制,這一路以來的艱苦奮斗，對永磁同步電機無傳感器系統(tǒng)的進一步發(fā)展起到了特別大的作用，開啟了新的方向[9]。采用開環(huán)式調(diào)速,調(diào)速自動控制系統(tǒng)經(jīng)過改變一個供電電源的工作頻率即可以直接實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié),因此,并不必再在設(shè)備上安裝高速位置傳感器和轉(zhuǎn)速自動控制傳感器。但調(diào)節(jié)頻率難以平穩(wěn)的頻率調(diào)節(jié)大小,若頻率上升過快導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速提升過快,最終導(dǎo)致磁場相位差變大,而當相位差超過了穩(wěn)定運行的范圍就造成混亂,影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。1.3本文章節(jié)結(jié)構(gòu)本文章節(jié)安排如下：第一章：緒論。首先闡述了中高速電機的意義和背景，并且對無該控制技術(shù)的發(fā)展背景和趨勢進行簡單闡述。第二章：電機的模型分析。本章節(jié)圍繞電機的結(jié)構(gòu)展開，講述常用的四種方程和常用的坐標變換的原理及其意義，再搭建永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。第三章：三相永磁同步電機系統(tǒng)的矢量控制。首先介紹SVPWM的基本原理和合成方法，再SVPWM和PMSM作比較，講出各自優(yōu)缺點。接著講雙臂好的整體框架以及雙閉環(huán)參數(shù)的設(shè)置方法。第四章：設(shè)計與實驗結(jié)果?；？刂频幕驹硪约霸O(shè)計方法，再引入滑模面再獲取擴展反電動勢來確實電機轉(zhuǎn)子的位置信息。第五章：總結(jié)與展望。總結(jié)本設(shè)計的整體結(jié)果并發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，對于今后的改進提出相對應(yīng)的方法。2三相永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型與坐標變換2.1引言三相永磁同步電機(PMSM)系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)之一,具有耦合性強、復(fù)雜度高等特點，因此控制該系統(tǒng)比較麻煩。對此坐標變化用處極大，并用坐標變換的方法對電機更加深入的了解，與此同時對此簡單化處理，建立出等效模型。本章首先介紹了PMSM的分類和基本物理結(jié)構(gòu)，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型所需要的四種數(shù)學(xué)方程的基本用處得以搭建PMSM的數(shù)學(xué)模型。其次對坐標變換的理論進行簡單的概述，介紹了兩種坐標的作用以及相互轉(zhuǎn)換，然后繼續(xù)介紹了在兩種坐標系下進行建模。2.2三相PMSM數(shù)學(xué)模型傳統(tǒng)的交流電機跟永磁同步電機的結(jié)構(gòu)基本一樣，結(jié)構(gòu)上就差了永磁體，其余有電磁結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)兩部分[10]。機械結(jié)構(gòu)有很重要的作用：是保護電機的正常平穩(wěn)的運行的同時減少電磁結(jié)構(gòu)上的損耗，而電磁結(jié)構(gòu)的作用是機電能轉(zhuǎn)換。如今有三種永磁同步電機：表貼式、內(nèi)埋式和嵌入式結(jié)構(gòu)的，這就是按照同步電機上永磁體位置的不同而分成了兩種。具體如圖2.1所示。圖2.1電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖圖2.1（a）內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)的永磁體放到轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯周圍，磁導(dǎo)率高，電機里面的氣隙不均勻。圖2.1（b）嵌入式結(jié)構(gòu)的永磁體跟內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)的基本一樣，只是電機的氣隙沒有內(nèi)埋式結(jié)構(gòu)的那么不均勻。圖2.1（c）表貼式結(jié)構(gòu)的永磁體放置于貼心表面，磁導(dǎo)率比其余兩個的磁導(dǎo)率低很多，電機內(nèi)部的磁路對稱，氣隙相對均勻。表貼式是陰極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而插入式和內(nèi)埋式的凸機式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。下圖2.2表示的三相凸極電機的最基本數(shù)學(xué)模型。其中三相繞組是用字母A、B、C表示，在電機的定子上分布的均勻?qū)ΨQ，f表示的勵磁繞組，在電機直軸d軸轉(zhuǎn)子上分散的毫無規(guī)律，短路繞組D、Q分別表示的是直軸、交軸阻尼繞組。圖2.2三相電機的數(shù)學(xué)模型為了分析方便，假設(shè)：永磁電機磁路的飽和線性忽略不計，把磁路默認為線性磁路。電機中的渦流的影響和磁滯產(chǎn)生的損耗不加以考慮。電機磁動勢呈正弦基波的形式均勻分布在電機氣隙中，此時要忽略電機械波。在這假設(shè)的前提下，計算繞組的四種方程，具體如下：2.2.1繞組的電壓方程同步電機包含六個繞組[3]，六個繞組的具體電壓方程式如下圖2.1所示： (2-1)2.2.2永磁同步電機磁鏈方程電機繞組磁鏈有互感和自感磁鏈。電機內(nèi)部電流作用之后產(chǎn)生的磁鏈是自磁鏈，其余的為互感磁鏈。由圖（2.2）電機上各個繞組的相對分布位置為依據(jù)，可得電機的磁鏈方程： (2-2)或L=(2-3)其中為磁鏈，L、I分別為電感矩陣、電流列向量。由于電機定子和轉(zhuǎn)子，定子和定子之間不是相對靜止，而是進行著相對運動，所以定子和轉(zhuǎn)子，定子和定子之間產(chǎn)生的互感不是常數(shù)，隨著時間的變化而變化。只有轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的自感、互感為常數(shù)，不隨時間改變而改變。2.2.3轉(zhuǎn)矩方程由于磁路是簡單的線性結(jié)構(gòu)，由此可得電機的磁共能為 (2-4)其中i為電流列向量，L為電感矩陣。根據(jù)虛功原理和公式（2-4），可以得出轉(zhuǎn)矩方程： (2-5)2.2.4運動方程 (2-6)阻尼系數(shù)。研究到這，便得該電機的數(shù)學(xué)模型，但由于定、轉(zhuǎn)子之間進行著相對運動的緣故，使得電感矩陣跟隨著時間而變化，這種成周期性，從而就導(dǎo)致三相同步電機的模型是一種微分方程，而且是復(fù)雜度很高，難以分析，所以要對模型進行簡化處理。2.3三相PMSM的坐標變換由于PMSM的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，對各個物理量之間進行耦合處理比較麻煩，因此，本節(jié)將提供對模型進行簡化處理的方法，采用最為方便的坐標變換，如常微分和時微分之間的轉(zhuǎn)換，從而達到簡化目的。PMSM有三種數(shù)學(xué)模型，有兩組常用的坐標變換[4]。PMSM三種坐標圖具體如下圖2.3。圖2.3PMSM三種坐標圖2.3.1坐標變換三相同步電機的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜度高主要由兩個原因造成的。第一，是三相定子繞組的分布結(jié)構(gòu)，他的分布成對稱和非正交性，這對電機模型的耦合性有很大的促進作用[11]；第二，運動的相對性，定、轉(zhuǎn)子之間的運動是相對的，而且是時刻保持著相對運動，這個對電機模型的時變性有很大影響。因此為了從根本上解決這兩個問題，不要用三相定子繞組,而對耦合性沒有影響的兩相靜止的繞組;為了減少或者消除電機模型的時變性，不要用兩相靜止繞組要用對電機模型時變性沒有影響的兩相旋轉(zhuǎn)繞組。坐標變換中常用的有三種坐標系，而同步旋轉(zhuǎn)坐標系、兩相和三相靜止坐標系都是經(jīng)常用于矢量控制系統(tǒng)中的坐標系，把這兩類坐標系可以表示在同一個復(fù)平面上。變換（3/2變換）Clark變換用于簡化的，將三相交流電以兩相的方式考慮的過程。該變換的坐標變換如下：（2-7）其中，字母f表示的是電機的電壓等變量，根據(jù)三相坐標往兩相靜止坐標進行投影，可得到Clark變換的坐標變換矩陣如下： （2-8）其中可以為電機的電流和磁鏈等參量；坐標的引入是為了滿足矩陣可逆性而定義的，在電機三相沒有出現(xiàn)任何差錯和異常的時候。逆變換如下： （2-9）圖2.7變換示意圖當把約束條件設(shè)為幅值時，變換矩陣前的系數(shù)是2/3。從兩相到三相的變化，Clark變換的逆過程叫做反Clark變換，具體公式如下：（2-10）（2-11）2.3.2Park變換與仿真建模根據(jù)兩相(α-β)的旋轉(zhuǎn)靜止運動坐標向量和d-q坐標軸方向進行旋轉(zhuǎn)投影,可以分別計算得到一個Park旋轉(zhuǎn)坐標正交變換矩陣(稱為旋轉(zhuǎn)運動坐標正交變換矩陣)的變換公式定義如下,由圖可知，它被我們稱為正交變換矩陣,所以這個Park旋轉(zhuǎn)坐標矩陣變換的本質(zhì)上來說就是一個正交變換。Park變換是將兩相靜止電流以旋轉(zhuǎn)電流的方式考慮的過程，該變換公式如下：（2-12） （2-13）反變換就是變換逆過程，具體變換坐標如下：（2-14）反變換矩陣變換如下： 圖2.9變換示意圖 （2-15）MATLAB/Simulink搭建Park變換仿真模型如下：圖2.10反/Park變換矩陣2.4小結(jié) 本章節(jié)從三相PMSM的基本數(shù)學(xué)模型出發(fā)，簡單地講述了基本結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點，電機中常用的四種方程的原理以及用途，再進行分析和研究兩種坐標變換的意義，再結(jié)合四種方程和坐標變換來推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型。第三章三相永磁同步電機系統(tǒng)的矢量控制3.1引言本章主要講述SVPWM的背景以及優(yōu)勢，合成原理和實現(xiàn)步驟以及建模和仿真設(shè)計,還有SVPWM技術(shù)與SPWM相比較,講出SVPWM技術(shù)的優(yōu)勢。永磁交流同步電機的設(shè)計采用了軸和向量運動控制雙元的閉環(huán)運動整體設(shè)計框架,轉(zhuǎn)速驅(qū)動環(huán)境和PI運動調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其對電流驅(qū)動環(huán)境的仿真構(gòu)成模型。3.2SVPWM算法的實現(xiàn)SVPWM最近幾年發(fā)展迅發(fā)，廣受人民青睞的一種比較可靠而且新奇的控制方法之一，在二十世紀末德國科學(xué)家提出的脈寬調(diào)制技術(shù)的一種[7]。由于SVPWM有消耗少、利用率高、諧波成分少以及容易實現(xiàn)數(shù)字化等特點，因此該方法在調(diào)速領(lǐng)域得到了一致的認可，應(yīng)用越來越廣泛。3.2.1SVPWM合成原理考慮到三相永磁同步電機的三相分布是既對稱又均勻，各自所映照的空間電壓矢量表達式如下： （3-1）其中。如圖3.1所示，表示橋臂上三個開關(guān)的兩種狀態(tài)，其值為0的時候，表示開關(guān)不導(dǎo)通，反之亦然。按要求來講上下橋臂不可能同時開通，不然會發(fā)生短路現(xiàn)象，開關(guān)狀態(tài)總共有8種，這些開關(guān)狀態(tài)當中任意一種電壓矢量都與之相對應(yīng)的相匹配的，其表達式為 （3-2）其中Udc為直流母線電壓。 圖3.1三相逆變器工作電路Uref為其中一個區(qū)域電壓，該區(qū)域由相鄰非零向量和零矢量按照時間的變化而變化組合。再根據(jù)SVPWM輸出電壓來探討最大電壓值，如圖3.3所示。圖3.3電壓矢量的合成由正弦定理可得 （3-4）由式（3-4）解得 （3-5）正常情況下，，零電壓矢量來補充其他的作用時間，由此可得，工作時間要滿足一下條件： （3-6）由上式（3-6）可知，當時，合成電壓矢量取最大值，其值為 （3-7）所以SVPWM式的逆變器輸出相電壓當時，最大值為，線電壓最大幅值為 （3-8）然而SPWM的線電壓最大值為，SVPWM和SPWM的線電壓之比為 （3-9）因此SVPWM和SPWM相比。SVPWM式逆變器輸出電壓提高了約15%3.2.2SVPWM算法的實現(xiàn)步驟若要得到需要合成的扇區(qū)電壓點與向量,必須首先要準確地把握下列幾個關(guān)鍵:(1)需要合成的扇區(qū)電壓位于向量所所在處的扇區(qū)(2)首先確定需要合成的扇區(qū)電壓點與向量的相互作用和切換時間;(3)通過測量和計算扇區(qū)電壓中切換的時間點來相對精確的計算。（1）合成電壓矢量的扇區(qū)判斷通過觀察大小確定所在扇區(qū)，而是在軸上的投影。相對應(yīng)的表如下：表3.2扇區(qū)與的關(guān)系扇區(qū)條件ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ定義UT1、UT2和UT3，令 （3-10）再定義三個輔助變量A、B、C，通過分析計算可得：當<0,則A<0,否則A>0;若<0,則B<0,否則B>0;若<0,則C<0,否則C>0;通過觀察可發(fā)現(xiàn)4C+2B+A與扇區(qū)的具體關(guān)系，如表2.3所示。為方便將4C+2B+A用N表示。表3.3，N（4C+2B+A）和扇區(qū)的關(guān)系表：N315462扇區(qū)ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ（2）電壓矢量作用時間的計算以扇區(qū)I為例，根據(jù)伏秒平衡原理整理可得I扇區(qū)的表達式： （3-11）通過（3-11）計算可得： （3-12）根據(jù)同樣的方法，得出其余扇區(qū)工作時間。令 （3-13）表3.4扇區(qū)-ZZX-X-YYXY-YZ-Z-X（3）扇區(qū)矢量切換點的確定為了減少不必要的麻煩和提高工作效率,把基本向量進行劃分:在每一次切換狀態(tài)轉(zhuǎn)移期間只需要切換一相開關(guān)。零電壓向量在一定的時間內(nèi)均勻地分布,再出現(xiàn)看起來對稱的PWM，PWM原有的諧波含量逐漸被降下來。首先定義 （3-14）則表示的是電機開關(guān)時間的切換點，其與各扇區(qū)相對應(yīng)的具體關(guān)系如表3.6所示，以及切換點的變換取值。扇區(qū)123456Tcm1tatbtctctbtaTcm2tbtatatbtctcTcm3tctctbtatatb考慮到七段式SVPWM的特點，基本矢量分成對稱分布的兩部分。因此可以進行扇區(qū)矢量切換點的控制，用等邊三角形載波和比較器來控制更為方便準確?；驹砣鐖D3.4所示：圖3.4扇區(qū)矢量切換點圖其中,分別管理和控制橋臂上的作用時間以及頻率信號,他們的對戲?qū)ο笫侨遣?以便確定各個開關(guān)管的工作狀態(tài),仍然以一個指令電壓在第I扇區(qū)出現(xiàn)的情況作為實際案例,用于解釋頻率變化的過程以及變化的緣由,如圖3.5所示。 圖3.5扇區(qū)矢量切換點示意圖3.3三相PMSM系統(tǒng)的矢量控制矢量控制是在交流電機學(xué)領(lǐng)域廣受青睞的一種的調(diào)速技術(shù)。永磁同步電機相比傳統(tǒng)電機體積小、效率高等等諸多優(yōu)勢，在控制系統(tǒng)領(lǐng)域的租用日益廣泛，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，采用不同的控制方法，常用方法有四種，具體如下：（1）控制根據(jù)永磁同步電機的空間矢量圖和相量圖以及轉(zhuǎn)矩公式綜合考慮，當控制時，則同步旋轉(zhuǎn)坐標系上只有交軸分量，直軸分量為0，因此此時永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩的變化上發(fā)揮作用的是電流iq。該控制簡單且有效，尤其是對沒有凸極效應(yīng)的永磁同步電機而言。但該控制方法最大不足之處是當id=0時，面對弱磁控制很難實現(xiàn)這一功能。（2）恒磁鏈控制該方法最直接影響到的是輸出轉(zhuǎn)矩，該控制方法控制直接控制對象是定子電流，控制電流變化影響電機內(nèi)部的氣隙和氣隙磁鏈幅值，使得氣隙均勻磁鏈幅值相等，從而達到最大輸出轉(zhuǎn)矩的目的。但是該控制方法也存在著問題，比如：由于轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)成負相關(guān)，電流和轉(zhuǎn)矩的逐步上升使功率因數(shù)值逐漸降低，從而抑制輸出轉(zhuǎn)矩的最大范圍的變化。（3）最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制是把輸入電流約束條件，讓它恒定不變，達到電機的輸出轉(zhuǎn)矩最大的控制，該控制方法比較適用于內(nèi)置式和插入式永磁同步電機。該控制方法中輸出轉(zhuǎn)矩和電流大小密切相關(guān)，電機轉(zhuǎn)子在某一特殊速度轉(zhuǎn)動時，電機上流過的定子電流實現(xiàn)最小化，從而減少電流損耗，提高電機的性能。該控制方法也存在著問題，比如：該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜，成本高，運算量高，效率低。（4）控制控制主要控制相位，使定子電流在d、q軸上分量的相位差等于0。該控制方法下轉(zhuǎn)矩和磁鏈不是恒定不變的，轉(zhuǎn)矩跟隨著定子電流的變大而變大，隨著負載的變化，電機繞組產(chǎn)生的總磁鏈也會變化。該控制最大的有點是可以減少電機的損耗。存在的問題是，永磁電機的退磁變快，從而降低系統(tǒng)的性能和效率。3.3.1永磁同步電機矢量控制的雙閉環(huán)整體框架永磁同步電機雙環(huán)系統(tǒng)中發(fā)揮作用的有內(nèi)外兩環(huán)，因此經(jīng)常稱它為雙環(huán)控制系統(tǒng)，如：速度控制系統(tǒng)和電流控制系統(tǒng)[12]，圖2.6是該系統(tǒng)框圖。雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)目前是相對優(yōu)勢比較多的傳動系統(tǒng)之一，它最大的特點就是動態(tài)響應(yīng)速度非常迅速，抗干擾能力非常的強。速度調(diào)速系統(tǒng)中常用的信號有外界輸入的額定速度和實際檢測到的速度，把這兩個速度之間的誤差作為控制信號，用PI速度處理器來控制d軸q軸電流大小[13]。電機的旋轉(zhuǎn)速度被某一特定的系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)就是轉(zhuǎn)速控制環(huán)的作用，能讓電機即調(diào)整速度又在穩(wěn)定的速度前提下運行；而電流控制環(huán)在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中起到加快調(diào)節(jié)速度的作用，從而讓電機定子電流和給定的電力矢量之間的距離達到更接近的狀態(tài)。圖3.6雙閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖3.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計方法上一節(jié)講了雙閉環(huán)的整體介紹和框架圖，在此詳細的介紹轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)設(shè)計手法。（1）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計設(shè)計電流控制系統(tǒng)的過程當中，需要充分的將反電動勢項和電流項之間的相互作用的影響考慮進去，這反而增加了電流環(huán)設(shè)計難度[14]。但與此同時由于電機的轉(zhuǎn)速影響到反電動勢項的幅值，因此反電動勢就成為了電機的參考指標，代表了電流系統(tǒng)被電機轉(zhuǎn)速影響程度。而一般，機電時間常數(shù)相比系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)大得多，因此電流環(huán)內(nèi)部的變化速度相比電機轉(zhuǎn)速的變化快得多，這要求以電機反電動勢默認為恒定值，其對調(diào)節(jié)過程的影響忽略不計。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能要求，為了準確的控制電流環(huán)，電流中不能有靜態(tài)；根據(jù)動態(tài)性能要求，為了確保系統(tǒng)的安全性，電流要有很大的超調(diào)，為了滿足這兩個要求，只能要用Ⅰ型電流環(huán)系統(tǒng)。圖3.8是電流環(huán)傳遞函數(shù)示意圖。其中表示電流PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為了提高分析的方便性，逆變器和SVPWM看做是一個整體，此時整體是一階慣性環(huán)節(jié)，因此其傳遞函數(shù)為，其中和分別表示開關(guān)周期和放大增益[15]，在單獨SVPWM控制作用時，K=1，永磁同步電機的傳遞函數(shù)可以等效為，其中L和Rs分別表示為定子電感和電阻。 圖3.8電機電流環(huán)傳遞函數(shù)示意圖 （3-14）為了使電流環(huán)達到理想的作用效果，將電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)上的零點和極點進行抵消，以及將電流環(huán)工作在欠阻尼環(huán)境下，以實現(xiàn)電流環(huán)理想的作用效果，此時電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)如下： （3-15）將式（3-14）化簡之后可得 （3-16）當令時，電流流環(huán)閉環(huán)傳函如下式（3-17），是一個二階系統(tǒng)： （3-17）當=0.707時，則，此時電流PI調(diào)節(jié)器相關(guān)的比例、積分系數(shù)如下： （3-18）（2）速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計在電流環(huán)的設(shè)計章節(jié)講過電流環(huán)是一個典型的一階慣性環(huán)節(jié)。具體方程如下： （3-19）在轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計中經(jīng)常將給定速度和反饋速度之間的誤差作當做是控制輸入，跟電流環(huán)設(shè)計類似的將轉(zhuǎn)矩作為干擾項，而干擾項作用之前，為了消除轉(zhuǎn)速中的靜差，必須要用積分環(huán)節(jié)來達到目的。由于電機原本就有稱機械運動方程的積分環(huán)節(jié)，速度環(huán)中總共有兩個積分環(huán)境，所以要用經(jīng)典Ⅱ型系統(tǒng)的方法來設(shè)計速度環(huán)系統(tǒng)。圖3.9是速度環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，分別表示的是電流PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)和角速度，其中J和Kt分別為電機轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)。 圖3.9速度環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖速度環(huán)開環(huán)傳函為 （3-20）Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計 （3-21） （3-22）由上式（3-21、3-22）可得 （3-23） （3-24）其中h是中頻帶的帶寬，通常h選在3~10之間。3.4小結(jié)本章從控制矢量基本原理和定義出發(fā)，詳細的介紹了SVPWM的合成原理，實現(xiàn)算法的詳細步驟；再介紹了三相PMSM系統(tǒng)的基本知識，比如雙閉環(huán)的整體框架圖，再詳細講解雙閉環(huán)的設(shè)計。第四章永磁同步電機無傳感器控制設(shè)計與實驗4.1引言變結(jié)構(gòu)控制理論是在上個世紀中葉出現(xiàn)的，隨后由于變結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)了滑膜觀測器。該控制與PI控制之間的最大的區(qū)別是其是間斷的控制，與此同時敏感度很低，最重要的是反應(yīng)響應(yīng)迅速[16]。只要系統(tǒng)模型參數(shù)變化或者受到較大的擾動，傳統(tǒng)的PI控制技術(shù)無法完成性能方面相關(guān)的要求，而滑?？刂魄『媚軌蚝芎玫奶幚磉@一問題。因此在此章節(jié)簡單講解變結(jié)構(gòu)控制方法的基本原理、設(shè)計方法、建模仿真以及仿真結(jié)果分析。4.2滑模觀測器的設(shè)計4.2.1滑?？刂频幕驹碜兘Y(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)很特殊的非線性系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)最特殊點是它不連續(xù)性的控制[17]。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)跟其他系統(tǒng)的最大的也是最主要區(qū)別在于它不是固定的，在工作過程中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨著時間的改變而改變。系統(tǒng)優(yōu)點體現(xiàn)在，在設(shè)計的超平面內(nèi)，以不連續(xù)的控制規(guī)律按照規(guī)定的狀態(tài)軌跡不斷的變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這便讓系統(tǒng)在超平面內(nèi)向平衡點移動達到平穩(wěn)狀態(tài)。4.2.2滑模觀測器控制器設(shè)計滑模觀測器是利用滑模控制原理而形成一種有效觀測器。滑模觀測器是設(shè)計需要考慮到的重要點是“可達性、穩(wěn)定性和存在性”。無傳感器控制系統(tǒng)是利用兩相靜止坐標系下的電流和電壓經(jīng)過觀測器的計算，輸出正弦波類型的反電動勢，而用反電動勢的相位和幅值來求得轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速信息。在這需要用到一種特殊的面叫做滑模面，用電流觀測值與估計值來設(shè)計該面。只要滑模觀測器到達或者無線接近滑模面，當電流的觀測值和估計值之差值取正之后一直保持比某一極小閾值還小，系統(tǒng)狀態(tài)就可以穩(wěn)定在該面上。具體操作如下：如今大多數(shù)情況下根據(jù)設(shè)計兩相靜止坐標下的模型法來設(shè)計傳統(tǒng)SMO算法，此時電壓方程如下： （4-1）其中表示擴展反電動勢的是，其表達式如下： （4-2）由上式（4-2）可得。電機的反電動勢的大小值與電機定子電流id、iq的大小成正相關(guān)。關(guān)于位置滑模觀測器的設(shè)計方法，因為利用擴展后輸出的反電動勢正弦波跟轉(zhuǎn)子有直接的關(guān)系，因此只要獲得擴展后的電動勢，就可以估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。為了便于觀察，，將式（4-1）化簡成電流狀態(tài)方程形式： （4-3）其中。為了更方便更直觀的觀察到擴展反電動勢的估計值，上式（4-3）簡化成如下式： （4-4）其中和分別表示的是定子電流觀測值和滑膜等速趨近率，其具體表達式如下: （4-5）其中為比例系數(shù)。把式（4-4）和（4-5）相減，即可得誤差方程： （4-6）其中都為觀測誤差值。設(shè)計滑膜控制的過程中，最為重要的是選好滑膜面函數(shù)和控制函數(shù)u，這里要設(shè)計的滑模面的誤差為零，也就是觀測值和估計值之差為零；為了確保0的滿足，可以推出如下式： （4-7）同理可得 （4-8）考慮到滑模控制系統(tǒng)的重要條件，比如穩(wěn)定性和可達性，得出下面的表達式： （4-9）為了滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性，要確保使（4-7）和式（4-8）的值不大于0，此時的定義域為： （4-10）當表達式（4-9）的條件得以滿足時，整個系統(tǒng)將會處于穩(wěn)定狀態(tài)，方便估計準確的值，但也要注意不要選取很大的比例系數(shù)，不然系統(tǒng)的抖顫會加深，影響系統(tǒng)的動態(tài)特點。當估計值和觀測值相等之后，控制變量可以認定成等效控制變量，那主要是因為狀態(tài)變量始終保持不變的處在滑模面上。 （4-11）分析到這，便可獲取擴展反電動勢，并使用式（4-12）分析出轉(zhuǎn)子位置和速度。（3）通過式（4-11）可知，所謂的等效控制本質(zhì)上說來是一個高頻開關(guān)信號，因此我們很有必要附加一個低通濾波器來提取出連續(xù)的正弦形式的反電動勢 （4-12）再次，一階低通濾波器的時間常數(shù)由T來表示。根據(jù)（4-12），采用反正切函數(shù)便可求得到轉(zhuǎn)子的實際位置 （4-13）然而，這樣得到的轉(zhuǎn)子位置有誤差且比較大，因為低通濾波器會產(chǎn)生不可避免的延遲，這要求我們需要附加一個輔助量提高準確度[17]。最后角度的估算值為： （4-14）綜合上述結(jié)論，滑膜觀測器示意圖如圖4.1所示。 圖4.1滑膜觀測器示意圖4.3基于滑模觀測器的永磁同步電機無傳感器控制本節(jié)需要采用Matlab/simulink環(huán)境來搭建該系統(tǒng)的仿真模型，在這個平臺下我們將充分測試我們的滑模算法，觀察相應(yīng)的性能。仿真的條件以及仿真所選的電機參數(shù)如下表4.1和4.2所示。表4.1仿真條件表參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值逆變器直流電壓值仿真所用時間逆變器的開關(guān)頻率1000Hz仿真所用算法ode3電機的仿真步長2e-7理想的轉(zhuǎn)速600000r/s表4.2 電機參數(shù)表取值40.175Wb8.5mH8.5mH關(guān)于本次設(shè)計方案最終搭建的控制模型如圖4.3所示。 圖4.3電機無位置傳感器控制圖由于不可能直接通過傳感器獲得永磁同步電機的轉(zhuǎn)子位置，因此這要求我們用上一章提到的滑膜觀測器，而不是用傳統(tǒng)的傳感器。將永磁同步電機的三相定子電流、電壓作為輸入，運用滑模控制原理，高精度的觀測到用于獲取位置信息的擴展反電動勢,最后利用反正切函數(shù)成功提取出永磁同步電機的轉(zhuǎn)子信息[18]。242354.4仿真實驗結(jié)果與分析在MATLAB/Simulink環(huán)境下建模，根據(jù)前面相關(guān)內(nèi)容的討論和分析，現(xiàn)將仿真結(jié)果分成三種情況來進行對比分析，第一種是電機空載工況下，第二種是電機帶負載的工況下，第三種是滑膜觀測器的比例系數(shù)k=400，相應(yīng)一階低通濾波器截止頻率為30000rad/s。4.4.1空載情況下的實驗結(jié)果考慮到一般情況下的電機額定轉(zhuǎn)速，將給定的電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定成為，仿真圖中看到的波形如下圖所示。 圖4.4 電機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)波形通過分析圖4.4可知，電機的轉(zhuǎn)速相應(yīng)迅速，不到秒的時間之內(nèi)轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到了設(shè)定速度1000r/min，啟動剛到0.006秒時達到轉(zhuǎn)速最大值1040r/min，超調(diào)量為4%，從中可以得出轉(zhuǎn)速超調(diào)的誤差都很小，而且沒有超出可接受的范圍。 圖4.5電機交直軸電流的響應(yīng)波形 圖4.6電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)波形 圖4.7電機轉(zhuǎn)子位置誤差的響應(yīng)波形圖4.8電機轉(zhuǎn)子響應(yīng)波形通過分析和對比圖4.5和圖4.6可知，沒有帶任何負載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩、交直流軸的