PMSM伺服系统模糊速度调节器的设计.doc

PMSM伺服系统模糊速度调节器的设计.doc 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途第一章 绪论1。1 本课题的意义 随着科学技术的飞速发展,人类已经进入了电气时代和信息时代，电气传动技术保障了人们所需的电能到机械能转化的顺利进行.伺服技术广泛地应用到了工业、农业、航空航天交通、国防军事以及日常家电产品中，人们对伺服产品的性能、功能、质量及成本都有着越来越高的要求。电气传动产品覆盖了国民经济的方方面面。国家“八五”、“九五”、“十五”一直把电气传动产品作为重点支柱产业来抓. 交流伺服应用的一个重要领域是机械加工制造业，加工制造的水准关键在数控技术。伺服技术是数控技术的重要组成部分。1.2 伺服系统的分类1.2.1 按照使用的执行元件分类(1）电液伺服系统,执行元件为液压元件,控制模块为电器元件，数控技术早期多采用电液伺服系统。(2)电气伺服系统，执行元件是电气，电气伺服系统体积小；控制灵活；广泛用于各种领域。1。2.2 按系统的构造特点及调节理论分类：（1)开环伺服系统,开环伺服系统就是没有位置反馈的系统.这种系统使用的驱动元件主要是功率电机或电液脉冲马达,位移正比于脉冲个数，脉冲频率表示了移动速度，开环系统结构简单，易于控制，精度取决于传动链和驱动元件本生的误差。开环系统的缺点是精度较低,而且运动不平稳。（2）半闭环伺服系统,半闭环伺服系统是误差控制的随动系统，测出实际位移量与给定位移量相比较，求得误差，对误差进行补偿构成闭环系统。半闭环伺服系统是闭环伺服系统，只是在测量实际位置移动是采用间接测量方法，位置测量元件没有直接装在进给坐标的最终运动部件上,中间经过了机械传动部件的位置转换.半闭环伺服系统存在测量转换误差，而且环外传动误差没有得到补偿。（3）全闭环伺服系统是一种闭环伺服系统,其结构与半闭环伺服系统结构是一致的；与半闭环伺服系统不同的是,把测量元件直接按装在运动部件上，对系统最终位移进行直接测量，可以补偿整个传动链的全部积累误差.闭环系统内包括较多的机械传动部件，系统受机械变形影响较大，系统稳定性难以调整，随着时间的推移，机械传动部件的变形或其他因数的改变容易使系统稳定性和精度发生变化，因此多数用户在控制精度要求较高时使用全闭环伺服系统.1。2。3 按照系统信号的特点分类：（1)模拟伺服系统，系统全部采用模拟元件构成,系统的控制和传输信号全部为模拟信号.它的特点是抗噪声能力强，一般不因峰值噪声产生误动作,可以用常规示波器,仪表等进行状态测量。它的缺点是对微弱信噪分离困难，在零点附近容易漂移。(2）数字伺服系统,系统的控制与调节采用数字技术，它的位移指令与反馈都采用逻辑电平信号。数字伺服系统的特点是：精度高，通过增加数字信息的位长,达到要求的控制精度。零点定位精度，对逻辑电平以下的漂移、噪音不予响应；容易与计算机进行数据交换;可以实现一些复杂的控制策略。数字伺服系统的缺点是：噪音峰值大于逻辑电平时，对数据的最高和最低位的干扰出错程度是相同的，这是系统无法正常工作。 数字伺服系统根据数字化程度进一步分为：(1）全硬件伺服系统，属于数字模拟混合结构，闭环控制调节主要靠偏差计数器完成.（2）半软件伺服系统，位置控制由计算机软硬件实现,速度环、电流环采用模拟形式。（3）软件伺服系统，系统的位置速度控制均由微机软件实现,电流环采用模拟形式.(4）全数字伺服系统，系统的所有调节、控制全部由软件完成，最后直接输出逻辑电平型的PWM信号功率晶体管放大器对伺服电动机进行控制。1.3 交流伺服系统控制策略 自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动机一直被直流电动机所垄断，直流电动机在容量、体积制造成本、运行和维护方面都不及交流电动机。从60年代开始,国外开始重视交流电动机调速系统研究。尤其是70年代以来随着微电子技术的飞速发展,以及控制理论的突破，仿真工具的完善，各种类型的交流调速系统诸如串级调速系统、变频调速系统、无换向器电动机系统及矢量控制系统等得到了飞速的发展。目前，在传动领域交流电动机已有取代直流电机的趋势.国外从90年代起，新上项目基本上全部采用交流调速方案。1。3。1 控制理论方面 交流电动机模型是耦合、时变、非线性系统，控制复杂，每一个控制理论的突破与新型理论的诞生，都伴随调速特性的提高.1。 矢量控制理论 20世纪70年代，德国科学家F。Blaschke先生提出了电机矢量控制方法，这种理论的思想核心是把交流电动机模型模拟成直流电机,通过坐标变换，分别控制励磁电流分量和转矩电流分量,使交流电动机同直流电动机有同样优良的控制特性，这种控制策略目前已比较成熟，已经形成商品化产品。但矢量控制的缺点是：系统结构复杂、运动两大、电动机参数变化影响系统性能。2。 直接转矩控制理论1985年，德国的德彭布罗克（Depenbrolk）教授提出一种新的控制方法，直接转矩控制（DTC）方法。该方法的主要特点是将转子磁通定向更换为定子磁通定向，该控制方法对电动机参数的变化不敏感.直接转矩控制通过对转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，没有复杂的坐标转换，计算过程简单，实时性强。 直接转矩存在的问题是低速时转矩波动较大而且转矩难以观测,直接转矩控制理论离产化话还有一些问题需要解决。3。 模糊控制理论 模糊理论是1965年由美国加里福尼亚大学著名的控制论专家L。A。Zzdehj教授提出的，该理论是将数学和模糊性统一起来，让数学吸取人脑对于模糊现象认识和推理的特点.模糊数学在工业中的应用是在70年代以后，模糊理论的发展大致分为三个阶段： 第一阶段（19651974），初级阶段，主要是模糊数学的形成和发展阶段。 第二阶段（19741979），简单模糊控制阶段，控制器自适应能力和鲁棒性有限，稳态精度也不理想。 第三阶段（1979至今），高性能模糊控制器阶段，模糊控制器具有自学习功能对控制量可以自动调整，系统性能大为提高。 模糊控制策略不仅依赖与被控对象精确的数学模型，能克服非线性等因素的影响，对调节对象的变化具有较强的鲁棒性。模糊控制策略在交流调速和伺服系统中的典型应用有：电动机速度控制器，电机参数的模糊辨识，电机效率的优化模糊控制等。 近年来，模糊控制往往与其他控制方法相结合，充分发挥各种控制策略的优势结合，模糊控制是一种比较成熟的智能控制，它不依赖与受控系统策略的数学模型特别适与非线性、强藕合、多变量的控制对象，因此,在交流电动机的控制应用中有较强的优势。4。 神经网络控制神经元系统模型的研究开始与50年代。神经元计算方法是信息科学的一个领域。神经网络的计算是将计算函数嵌如物理网络之中，对计算过程的每一个基本操作都存在与之对应的连接。神经网络在处理信息的过程中，在处理信息内容的导引下，自行改造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非凡的能力。神经网络具备快速并行计算能力，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，神经元控制器结构简单扼要，有自学习能力，对被控模型精度要求不高，抗干扰能力强，应用与交流调速系统中，可以克服系统中非线因素的影响，提高调速系统的性能，这是传统控制方法所无法比拟的。但神经网络在电视控制系统中的应用还处于起步阶段。神经元控制策略将是今后智能控制理论的重要研究方向。神经网络理论经过几十年的发展，目前仍存在许多问题需要解决,如在学习算法、神经元模型结构等还需进一步研究,再如网络的结构调整学习与参数的结合问题，网络的收敛速度与算法的稳定性等。5. 滑模变结构控制 60年代初,前苏联学者欧曼尔扬诺夫（S。V。E）、犹金(V。I）和依特克斯(U.L）等人开始研究变结构控制系统,其系统的特点是“结构”可以在瞬变的过程中,依据系统的状态（偏差和各阶导数等）以跃变方式，有目的地变化,使系统沿预定的“滑动模态”的状态轨迹运动.“滑动模态可设计，且与被控对象的参数及扰动无关。变结构控制具有响应速度快，对参数及外扰动变化不灵敏等特点。滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略,主要特点是控制的不连续性，系统“结构”有随时变化的开关特性。处于滑动模态的系统具有良好的鲁棒性。滑模变结构控制策略的难点是状态轨迹到达滑模平面后,难于沿着滑模平面向平衡点滑动，而要在滑模面两侧来回穿越，产生颤动，而且设计复杂，这给它的应用带来了困难和障碍.6. 专家控制 专家控制是在1983年被提出的。“它模仿控制专家的思路、方法经验、策略去解决控制问题，它是一种行之有效的控制策略。它主要适用与工业过程控制，但在理论体系和设计方法上还不完善。7. 各种控制策略的渗透与复合 每一种控制策略都有起特长，但又或多或少在某方面存在一些问题，因此，各种控制策略互相渗透，取长补短，优势互补，结合形成复合的控制策略，克服单一策略的不足,更好的提高控制性能，更好的满足各种应用需要，复合控制策略将是今后控制策略的发展方向和趋势.复合控制策略的类型很多，例如，模糊PID复合控制，模糊变结构控制，直接转矩滑模变结构控制，自适应模糊控制，模糊神经网络控制,专家PID控制等等。随着应用研究的发展，今后复合控制策略的类型将不多的衍生和增多，复合控制策略的优势也越来越明显。 纵观电机工业的发展过程，几乎每一次大的发展都是由理论方面的突破所引发的，现在对于一些成熟的现代交流系统，再提出具有划时代意义的理论比较困难。今后的发展，很长一段时间内主要是将各种控制理论加以结合，互相取长补短，或者将其他学科理论方法引入电机控制，走交叉学科复合控制的道路解决问题。近年来，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的有模糊控制，神经网络控制和基于专家系统的控制。智能控制无须对象的精确数学模型，具有较强的鲁棒性，因而,许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究。笔者认为今后智能控制与现代交流控制理论相结合,必将开创电力电子和运动系统的新纪元。1.3。2 控制器方面 优良的控制器是实现控制策略的保证.控制系统的基本要求是可靠性高,实时性好，精度高，成本低,体积小.最初的电机控制系统大多是采用分立元件的模拟电路,体积大，可靠性低，抗干扰能力差，成本高.随着电子技术的进步，采用集成电路和专用集成电路,控制系统的体积减少,可靠性和抗干扰能力都得以提高。 发达国家的半导体厂家都有自己的电机控制专用集成电路。但各厂家之间无统一标准，产品分散、产品更新快。当前电动机控制的发展越来越趋于多样化，复杂化，性能要求也越来越高，可以由电机控制系统的研究人员自己开发电机专用控制芯片。 现场可编程门阵列（FPGA）也是一种解决方案，在电动机控制系统中得到了应用。FPGA可以方便地实现多次修改，而且集成度非常大，一片FPGA含有几千、几万或几十万个等效门，所以单片FPGA就可以实现非常复杂逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路.FPGA与传统的硬件设计不同，传统的硬件设计是从门级电路开始向上至整体系统.FPGA则首先进行系统功能描述,并进行功能仿真，然后进行逻辑表达式的描述，并进行仿真，最后是门级描述,进行门级仿真，生正门级网络表,进行FPGA编程。 ASIC使模拟数字混合电路的体积大大减小了，在数字化广泛流行的今天，科研工作者一直在探索控制数字系统的解决方案. 目前较为通用的变频器大多是采用单片机控制，应用较多的是8096系列产品,数字交流伺服也有采用但片控制的,如华中理工大学研制的数字交流伺服就采用8096做为控制器。单片机速度低，计算精度不高,处理能力有限，对于处理大量数据,往往不能满足要求，特别是高速性能比较差.因此目前高性能的数字伺服系统都采用数字信号处理系统(DSP)为控制器. 与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大,内置播特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速同步串行口和标准异步串行口，部分DSP内集成了A/D和采样保持电路、可提供PWM输出。DSP为精减指令系统计算机器件，大部分指令在一个周期内完成,采用并行处理技术，一个指令周期内可以完成多条指令。高性能的DSP采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作。DSP内置高速硬件乘法器，取指、译码操作采取多级流水线，因而DSP器件有了较大的高速运算能力。单片机为复杂指令系统计算机,多数指令要在23个周期来完成，单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据。算术累加器只能做加法，乘法需要由软件来实现，占用很多的指令时间。 1998年以来，国外DSP生产厂家为了在电机控制市场抢占名额，纷纷推出自己的的DSP电机专用控制电路.美国德州仪器公司推出了电动机专用DSP-TMS320C24X（TMS320F24X),TMS320C24X采用TI公司的16位定点核心，集成了一个电动机控制事件的管理器。TMS320C24X可以支持电动机的转向、数据通讯、电流反馈采集、速度反馈采集PWM输出和系统监控等功能。TMS320C24X包括一个20MIPS的DSP核，一个事件管理器，两个串口，两个A/D转换器，一个32为数字I/D转换器。TMS320C24X是第一个数字电动机控制器专用DSP系列，可以提供单片式数字电动机控制方案。美国模拟设备（A/D）公司与英特尔（Intel）和国家电器公司（NEC）也正在开发专用电动机的DSP。性能与TI公司的TMS320C24X相近，也是基于16点的DSP核ADS2171来设计的，此外还集成了三相PWM产生器和A/D转换器。摩托罗拉公司（Motorola)和国家电器公司(NEC）也正在开发研究专用的DSP。采用DSP电动机专用集成电路可以降低系统对外围器件的要求,通过采用先进的控制策略和复杂的算法实现提高控制性能,降低成本，提高可靠性，有利于专利技术的保密。近年来，各种集成化单片DSP得到很大的提高，软件和开发工具也越来越完善，价格大幅下滑，目前底端产品已接近单片机价格水平，具有更高的性能价格比,在电动机控制领域DSP取代高档单片机的时机已经成熟.文档为个人收集整理，来源于网络个人收集整理，勿做商业用途1。3。3 电力电子技术方面 电力电子技术一直是电动机控制技术发展重要的物质基础，大功率半导体器件的发展水平制约着电动机控制的水平。电力电子器件的发展经历了三个阶段：晶闸管阶段；GTO和GTR阶段；IGBT阶段.从最初的晶闸管到第三代的IGBT，大功率半导体器件的性能逐渐提高。GTR比晶闸管控制方便是全控型自关断器件，开关频率高；IGBT则是集MOSFET的电压控制与双极性大功率晶闸管晶体管的大电流、低导通电阻的特点于一体。目前一般水平的IGBT的开关频率在10至20KHZ，比GTR高一个数量级,电流浪涌耐量、电阻阻值峰值,导通电流密度、门级驱动功耗等电压电流指标均超过GTR.IGBT的趋势是开关频率越来越高,目前达到150KHZ，接近于MOSFET的水平，耐压逐渐升高，导通压降不断降低,体积缩小，功耗降低、效率提高,从最初没平方功耗30MW降低到目前的0。9MW。随着封装技术的发展和新材料的出现，这种发展趋势势将发展下去。 近年来国外厂商推出IPM智能功率模块，(IPM)已经为许多可户所接受，IPM是向第四代器件功率集成电路（PIC）的过度产品.IPM模块除具有提供一定功率输出能力外，还有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，具有过流、短路、负压、过压保护等功能.设计者只要提供PWM信号给智能模块，就可以实现复杂的主电路及其外围电路的功能。集成化将是今后大功率半导体器件发展的方向。1.3。4 计算机辅助设计方面 随着计算机技术和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度越来越快，应用的领域越来越广泛.除为系统提供控制器外，计算机辅助设计为辅助人员提供了一种新的设计模式和实验手段。传统的设计规律是，先进行原理设计，然后实验检测，最后根据实验结果进行方案、参数的调整,再实验，再调整，系统满足要求则系统定型.传统的设计周期长，费用高，系统的实验有一定的盲目性。采用计算机辅助设计技术，设计人员可对控制策略、算法模型、确定参数的电路进行仿真，观测其效果功能，随时对方案、电路、参数进行修改，这将大大加快设计速度、减少出错率。 电力传动系统辅助设计的软件中，MATLAB是较为常用的。MATLAB功能强大、工具箱丰富，其中有一个Simulink, 它是非常友好的图形界面仿真工具。早期的MATLAB，只能对控制系统进行纯数字仿真,而不能实现在线仿真，最新版本的MATALAB5。3可以将Simulink 生成的控制系统转化为 C语言的文件,将这个文件编译成可执行文件，在计算机上运行,通过接口卡与控制系统的执行部分相连接，就可以实现控制系统的在线仿真,仿真用的控制系统变成了实际的控制算法，如仿真通过，仿真控制软件就可变成计算机控制系统软。这样仿真技术的实用性又大大向前迈进了一步。 此外，还有一些软件，如Mathematica，Pspice，Protel 99等，也都可以对控制系统起到辅助设计的作用。Mathematica是一个数学软件,具有很强的运算能力,可以对控制系统的控制理论进行仿真设计.Pspice是一个模拟电路仿真软件，可以实现对控制系统的的主电路和执行元件进行仿真设计。Protel软件是进行电路的原理和PCB设计软件，最新的Protel 99，增加了原理图仿真功能，可以实现在原理图上对电路模块进行功能仿真，以检查设计的正确性。计算机辅助设计的作用在今后将越来越重要。1。4研究课题产生的背景1。4。1全球制造业的发展趋势当今世界的竞争，主要是综合国力的竞争。在各个国家的生产力竞争中,制造技术的作用往往占60左右,制造业是国民经济部门的装备部和技术改造部，直接体现一个国家的发展水平和经济实力。今天的机械制造技术,已不是传统意义的机械制造技术,它是集机械、电子、光学、信息技术，已不是传统意义的机械制造技术，它是集机械、电子、光学、信息技术与许多其他领域最新成就的新兴技术产业，它与电力电子及电气传动技术密不可分。21世纪的机械制造技术发展趋势体现在以下几个方面。（1）。 精密化精密加工和超精密加工技术，微型机械时现代机械制造技术发展方向之一。超精密加工技术已向纳米级发展。纳米技术已在纳米机械学、材料科学、光电、测量学、电子学的发展.（2)。 自动化自动化技术将得到更广泛的应用，它不仅提高了效率，而且保证了产品质量.在未来自动化技术实施过程中，将更加重视人在自动化系统中的作用。（3）。 信息化信息、物质和能量是制造系统的三要素。随着计算机、自动化与通讯网络技术在制造系统中的应用，信息的作用越来越重要。信息可以使一种产业，它包括在制造业之中，一些企业开始利用网络技术进行计算机联网，通过信息高速公路、卫星传递数据等实现异地生产，使生产分散网络化.（4）. 柔性化柔性是指一个制造系统适应各种生产条件变化的能力，它与系统方案，人员和设备有关.随着科学技术的发展和市场竞争越来越激烈,产品更新换代的速度和互相关系并进行优化重组而实现的.集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术的实现。集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式。(5）. 集成化集成是将原来独立运行的多个单元系统集成一个能协调工作的和功能更强的新系统。集成不是简单连接,是经过统一规划设计，分析原单元系统的作用和相互关系并进行优化重组而实现的。集成要借助现代管理技术、计算机技术、自动化技术和信息技术实现。集成化生产将成为面向21世纪占主导的生产方式。（6). 智能化智能制造技术(IMT）是将人工智能融入制造过程的各个环节,通过模拟人类专家学者的智能活动，取代或延伸制造系统中的部分脑力活动，在制造过程中系统能自动监测其运行状态，在受外界干扰或内部激励能自动调整其参数，以达到最佳状态和具备自组织能力.智能化是柔性自动化和集成自动化的新发展和重要组成部分。(4). 柔性化1。4。2数控技术的发展趋势数控设备是现代加工设备的基础，又是精密，高效高可靠性加工技术的支撑,发展先进制造技术，必须发展数控技术。随着机械制造业与数控技术结合的日益紧密，机械制造设备的数控化已成为衡量一个国家制造技术水平的重要技术。数控机床的发展趋势是：（1） 通过提高数控系统分辨率、主轴速度、伺服进给速度，改善插补功能,使数控技术向高精、高速、高效方向发展。（2） 系统内部数据可以与外部的控制设备互相控制，系统向开放结构的方向发展。（3） 改善和发展伺服技术，主轴系统和伺服系统向高速高精方向发展。（4） 改善PLC开发环境，在PC机上开发PLC,利用RS232或PC卡进行传送，也可在线编制、调试、诊断,而且所有PLC结点都可用汉字表述,甚至可调用多个PLC画面,使PLC编制变得很容易.（5） 全数字化伺服系统和主轴驱动系统已成为不可逆转的趋势,而且在结构上有模块化的趋向，以利于降低成本。（6） 数控系统实现网络化,远程控制趋向日益明显。计算机技术、网络通讯技术被广泛采用,CNC技术使FMS、CIMS成为可能,FMS、CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯功能，以实现CIMS环境下的信息集成和系统管理,现代CNC系统一般都具有通讯和DNC功能.在数控系统中配置网络接口，使其能与网络连接起来，实现机床的远程通讯功能.可以设想在不久的将来在办公室甚至在家里就能对现场设备进行监控、操纵、调试或诊断故障。1.4。3交流伺服的发展趋势电子器件本身不断向集成化、智能化方向发展，现代控制理论不断向电气传动领域渗透；微电子技术和计算机技术迅猛发展，特别是大规模集成电路电动机专用控制芯片的出现与发展，给电气传动领域带来了前所未有的发展机遇,交流电动机调速技术正向高频化和智能化方向发展.交流伺服的发展趋势是：（1）数字化，高性能的全数字伺服系统是当代交流伺服系统发展的趋势，这种系统广泛应用于高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中。（2）智能化，由于微电子技术的发展，微处理器的运算速度不断提高、功能不断增强，以及DSP电机控制芯片的采用，全数字伺服系统在实现电流控制、速度控制和位置控制全部数字化的同时,极大的增强了伺服系统设计和使用的柔性.系统具有很强的状态自诊断、使伺服系统智能化.（3）控制策略复杂，复杂策略经常被采用，除常规的PID控制外，开始转向应用现代控制理论的最新成果。(4）电动机的调速比越来越大，精度越来越高.性能价格比进一步提高，结构趋于小型化.（5)向高频化、大容量进军，主回路电子器件的应用不断向高频化方向发展，智能模块被广泛应用，逆变器已实现高频化、小型化和无噪音。（6）光电编码器等传感器的分辨率大幅提高，可靠性进一步改善，并向多功能一体化方向发展.（7)无传感器伺服系统也是近来伺服领域研究的热点之一，无传感器伺服系统,其体积减小，成本低，应用范围广,这一研究课题有着广阔的前景，但目前只是理论上进行探讨，离实用化还有一些距离。总之,交流电动机调速技术的研究取得了极大的发展，并已广泛应用于实际生产中，它的技术性能发展水平与现代电力电子技术和现代控制理论以及计算机技术的发展密切相关，随着工业生产领域对交流电气传动性能要求的不断提高，交流电动机调速技术的研究将是十分重要的，其应用前景将是十分广阔的。1。5 目前我国全数字交流伺服系统存在的问题首先，目前国产数字交流伺服系统的输入模式比较单一，普遍只能接受模拟输入指令，不能广泛适用于各类数控系统；其次数字化程度较低，一些保护部分，参数设置仍采用模拟方式，速度环采用数字方式，使伺服精度低,抗干扰能力差；伺服系统工作模式单一，大部分伺服只能进行速度控制,不能进行位置控制，使伺服系统的应用领域受到极大的限制，特别是随着环境的变化，电机参数发生变化,伺服系统的控制性能变差。第二章 交流永磁同步电机的数学模型2。1 交流永磁同步电动机的种类和结构2。1.1 交流永磁同步电动机的种类及其结构三相交流用此同步电动机是由绕线式同步电动机发展而来,它用永磁体代替了电励磁。从而省去了励磁线圈、滑环和电刷,其定子结构与绕线式同步电动机基本相同，输入为三相交流永磁同步电动机.交流永磁同步电动机与绕线式同步电动机相比，没有励磁线圈、滑环和电刷，交流永磁同步电动机在某些技术性能上优于无刷直流电动机和感应伺服电动机，因此交流永磁同步电动机在高性能伺服驱动系统中得到了广泛应用，目前应用的功率范围在十几千瓦范围内。交流永磁同步电动机的结构原理如图2-1所示.图 2.1 交流永磁同步电动机结构原理图Fig 2.1 exchange of permanent magnet synchronous motor schematic structure交流永磁同步电动机也是由定子和转子组成，定子的结构形式与感应电动机一样由导磁的定子铁芯和导电的三相绕组以及固定铁芯用的机座和端盖等部件组成。转子用永磁材料制成无明显磁极的隐极式,采用适当的几何结构，使磁势波形接近空间分布正弦波.当定子通以相位相差120度的三相正弦交流电时,定子产生空间匀速旋转的磁场，磁场旋转的速度与定子正弦波频率有关，定子将接收的电能转换为旋转的磁场。定子磁场与转子磁场相互作用产生推动转矩，使转子旋转，完成电能到机械能的转化。交流永磁同步电动机按转子结构可分为面装式和插入式两种。2。1.2 面装式结构面装式转子结构如图2.2所示：图 2.2 面装式转子结构图Fig 2。2 Constructional of surface laden type rotorLg为永磁体表面到定子表面的距离，Lm为永磁体的厚度，Lmg为等效气隙长，永磁材料的磁导率与空气近乎相等，面装式转子结构可以认为是均匀的。 （2.1）r为相对磁导率,对面装式永磁同步电动机，其交直轴路对称，所以有 （2.2)式（2。2）中，Lmd和Lmq是的的do轴的励磁电感，若忽视铁芯磁阻，则有： （2。3）式（2。3）中，Ns为定子绕组匝数，Lr为转子铁芯有效长度, rg为气隙半径。 （2。4）式（2.4）中，为极对数，为磁感应强度，永磁体基波场过d轴轴线磁链。2.1.2 插入式转子结构 插入式转子结构如图2.3所示： 图 2。3 插入式转子结构图Fig 2。2 Constructional of push-in type rotorL g为永磁体表面到定子表面的距离，L m为永磁体的厚度,Lmg为等效气隙长,插入式结构的交直轴磁路不同，永磁体全部埋置在转子铁芯内，在永磁体占据的区间，等效气隙长度为： （2。5) Lg为永磁体与定子内圆间的气隙长度，Lg值很小。 （2。6） （2。7） （2.8）式（2.8）中，为真空中的磁导率，对于插入式永磁同步电动机，。2。2 交流永磁同步电机的基本方程被控制对象的数学模型的精确程度是控制系统成功的关键,数学模型应准确反映被控系统的静态的动态特性。电动机的运动方程为: (2。9)式(2。9)中，M为输出转矩（N。M），J为转动惯量（kg。）。由式（2。9）知,速度的动态特性在负载转矩一定时,取决于转矩M的特性.电动机的转矩是由磁场和电流共同决定的,因此，对电动机转矩的控制实际是对磁场和电流的控制。假定：忽略铁芯饱和；不记涡流和磁滞消耗；永磁材料的导电率为0；三相绕组对称、均匀；绕组中感应电感波形是正弦波，可得永磁同步电动机的等效结构坐标图,如图2。4所显oa、ob、oc为三相定子绕组轴线。转子轴线与定子A相绕组轴线夹角角度。图2.4 永磁同步电动机的等效结构坐标图Fig 2。3 The equivalent structure coordinate chart of the permosyn motor永磁电动机的物理方程为： （2。10） (2。11)、 三相定子绕组的电压。、 三相定子绕组的电流。、 三相定子绕组的磁链、 三相定子绕组的电阻=R是转子磁场的等效磁链。电动机转矩方程为： （2.12）为伺服电动机极对数。又电动机转矩方程知，交流永磁伺服电动机为多变量耦合，非线性时变系统.2。3 数学模型的线性化 两相相位正交对称绕组通以两相相位相差90度的交流电时，也能产生旋转磁场，因此从产生旋转这一物理意义上讲，两相系统和三相系统是等效。在永磁同步电动机中，建立固定转子的参考坐标，去磁极轴线为d轴，顺着旋转方向超前90度电角度为q轴,以A相绕组轴线成参考轴，d轴与参考轴之间的电角度为。 图 2.5 dq旋转坐标图Fig 2.4 Chart of dq spin round2.3。1 进行坐标或矢量交换dq旋转坐标 （2。13） （2。14）2。3。2 转矩方程在dq选择坐标系中，由于以下等式成立： 所以： (2。15）括号内第一项是又定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩，称为励磁转矩.定子电流空间矢量与定子磁动势空间矢量同轴,角是定子三相基波磁轴线间的空间电角度，角定义为转矩角，是转子凸极效应引起的，称为磁阻转矩.对于插入式的转子结构，LdLq；对于面装式的转子结构，LdLq，不存在磁阻转矩，因此， (2.16）此方程为线性连续方程.2.4 交流永磁同步电动机参数和等效电路是dq轴线圈的漏感。对面装式交流永磁填补电动机,dq轴系中: （2。17） （2。18）为归算后的等效励磁电流,=/，永磁同步电动机的等效电路如图所示:(a)d轴（b）q轴图 2.6 永磁同步电动机dq轴表示的电压等效电路图Fig 2.5 Permosyn motor dq ax stand for tension equivalent circuit diagram面装式交流永磁同步电动机,Ld、Lq、Lm相等，逆变器由电动机馈入的电压和电流基波分量构成了三相对称系统。稳态情况下,可用时间相量来描述各相变量。我们用正弦电流源取代励磁电流，=，以d轴为时间参考轴，参考量，记为，可得电流为电流源的电压等效电路如图27所示：图2-7 If电流源的等效电路图Fig 27 If current source of the equivalent circuit 定子电流 相对于 的相位角为，是 与 （d轴）间的空间的角度，也是三相基波合成旋转磁动势波的轴线与用磁体基波励磁磁场轴线(d）间的位置夹角,是控制量,为转矩角。用正弦电动势源取代电流源，可得电压等效电路:图28 用正弦电动势表示的电压等效电路Fig 2-8 with sine EMF that the voltage equivalent circuit （2.19） （ 2。20） （2。21） 为轴线圈的漏感，为电磁功率，为电磁转矩。 (2.22） （2.23)由式（2.17)、(2。18） (2。24） （2.25）式（2。24）,（2。25）中，为定子电阻，为电角频率，为转子磁链,为极对数，= .以电压uq为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图如图29所示：图29交流永磁同步电动机系统框图Fig 29 exchanges permanent magnet synchronous motor system diagram以速度为控制对象的永磁同步电动机驱动系统框图如图2-10所示：图2-10 永磁同步电动机驱动系统框图Fig 2-10 permanent magnet synchronous motor drive system diagram第三章 模糊控制简介3。1交流永磁同步电动机伺服系统模糊速度调节器的研究概述近年来，永磁同步电动机在工业控制领域得到广泛的应用，由于交流伺服系统存在参数时变、负载扰动以及交流电动机自身和被控制对象的严重非线性、强耦合性等不确定因素，使用传统控制方法效果不够理想，在此情况下，PI控制器显得力不从心。针对此问题，本论文将智能控制引入交流永磁同步电动机伺服系统控制中，速度调节器由智能控制方案取代PI控制.智能速度调节器选用模糊控制器，在永磁同步电动机的转速控制中，使模糊控制器根据指定转速与实际转速的偏差值、偏差积分及转速偏差的变化自动调节控制参数。三维输入以上的模糊调节器,由于模糊控制规则多，模糊推理复杂，严重影响了模糊控制器的应用，特别是在实际性要求较高的控制系统中的应用。针对模糊控制器的缺点，本论文提出了一种基于三维模糊PID双映射复合模糊控制规则生成法，易于软件在线或离线实现生成及修改规则库，比普通模糊控制所需规则减少了71。本论文还研究提出了一种基于向量空间的模糊推理过程，模糊推理方法简易且精度更高，适于软件方法的实现。通常，模糊推理需要对所有的控制规则计算条件满意度,而该方法对于n输入最多只需要2的n次方条规则,对于三维输入只需8条输入规则，且不涉及输入模糊变量的隶属函数，计算量小，该推理方法实现了对输入变量的连续处理，提高了控制精度，简化了解模糊化过程。 本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途该模糊PID控制器性能好于普通PID调节器，且