永磁同步电机的SVPWM仿真毕业设计方案.doc

燕 山 大 学

本科毕业设计（论文）终期汇报

课题名称： 永磁同时电机 SVPWM控制及仿真
学院（系）： 电气工程学院
年级专业： 级自动化
学生姓名：
指导老师：
完成日期： 3月

摘要
永磁同时电机(PMSM)因其体积小、磁密度高、可靠性好和对环境适应性强等很多优点，被广泛应用于工农业生产和航空航天等领域。而伴伴随这些领域不停发展，更高调速精度、更大调速范围和愈加快响应速度成为永磁同时电机调速系统迫切要求。
本文研究永磁同时电机(PMSM)矢量控制系统。首先，采取空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）算法，在MATLAB/SIMULINK环境下，经过对坐标系转换、SVPWM逆变器、速度控制器等功效模块建立和组合，构建了PMSM控制系统速度和电流双闭环仿真模型及自适应模糊控制仿真模型。仿真结果证实了该系统模型含有很好静态、稳态性能。其次，提出了一个自适应模糊PI控制器,将模糊控制器和PI控制器结合在一起，利用模糊逻辑控制，并把MATLAB中Fuzzy Toolbox和SIMULINK有机结合起来，实现了PI控制器在线自调整。深入完善了PI控制器性能，提升了系统控制精度。仿真结果表明：该控制器达成了满意控制效果。
关键词：永磁同时电机；空间矢量脉宽调制；PI控制；模糊控制

ABSTRACT
Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) are widely used in industrial and agricultural production and the field of Aeronautics and Astronautics for their advantages, such as compactness ,high efficiency, reliability and adaptability to the environment. Along with the continuous development of these areas, wider speed-regulating range and faster response.
Vector control of PMSM was studied in the paper. For one thing, a novel method for modeling and simulation of PMSM system in MATLAB had been proposed. In MATLAB/SIMULINK, the independent functional blocks and such as vector controller blocks, hysteresis current controller blocks and speed controller , etc., had been modeled. By the organic combination of these blocks, the double loop of control system model of PMSM could be easily established. The reasonability and validity had been testified by the simulation results. For another thing, in this paper a kind of self-adaptive fuzzy PI control system is discussed, it uses fuzzy logic controller which is combined with PI controller and the organic combination of Fuzzy Toolbox and SIMULINK that makes the self-adaptive of PI controller possible. It perfects the properties of PI controller and improves the precision of control system. The result of simulation indicated that the controller gives a good control performance.
Key words: PMSM;SVPWM;PI controller;fuzzy control

第一章 绪论
1.1本课题研究意义及目标
1.1.1本课题研究意义
永磁同时电机（permanent magnet synchronous motor）是指采取永磁磁
铁为转子同时电动机。永磁同时电机含有结构简单，体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点，在工农业生产中，有大量生产机械要求连续以大致不变速度运行，比如风机、泵、压缩机、一般车床等。这类机械设备大量采取一般三相感应电动机驱动，但感应电动机效率和功率因数较低，能源浪费厉害。伴随社会对节能重视和国家对高效电机和永磁电机推广力度加大，这些节能潜力大设备全部有被永磁电机和一般高效电机替换需求。而这些机械采取永磁电机则可取得比一般电机高得多效率和功率因数。
在一些场所，负载率低，若采取一般电机，轻载时功率因数和效率低，经济运行范围窄，造成大量电能浪费。若采取永磁电机，部分设备可合适降低电机容量，能够实现高效、高功率因数和宽广经济运行范围，节省大量电能。
在部分生产机械中，要求多台电动机同时运行。一般电机转速和电源频率之间没有严格固定关系，伴随负载改变而改变，即使是同一厂家生产相同规格感应电动机，其转速也有一定差异，难以确保多台电动机以相同转速运行。永磁同时电动机转速和电源频率之间有严格固定关系，只要多台电动机供电电源频率和电动机极对数相同，就能够方便实现同时运行。这在一些纺织设备上已得到很好推广。既节省了能源，又能很方便实现电动机同时运行。这对于国家提出节能减排政策和国家社会主义现代化建设含有最要意义。
1.1.2 课题目标
本课题以永磁同时电机为被控对象，设计了两种控制器，即传统线性PI控制器和自适应模糊控制策略。永磁同时电动机矢量控制能够取得很高性能，该系统中控制器设计对系统性能起关键作用。线性PI控制器关键组成部分为百分比—积分步骤，积分控制器输出和输入偏差对时间积分成正比。这里“积分”指是“积累”意思。积分控制器输出不仅和输入偏差大小相关，而且还和偏差存在时间相关。只要偏差存在，输出就会不停累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停止。所以，积分控制能够消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个在原点开环极点，同时也增加了一个在s左半平面开环零点。在原点极点能够提升系统型别，以消除或减小系统稳态误差，改善系统稳态性能；
而增加负实零点则用来减小系统阻尼程度，缓解PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定性不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器关键用来改善控制系统稳态性能。
永磁同时电机本身参数(如电机转子电流和拖动负载参数）可能在一些应用场所会随工作情况而改变;同时，交流电机本身实质上是一个非线性被控对象。控制对象参数改变和非线性特征，使得线性常参数PID调整器常常顾此失彼，为了使永磁同时电机能够在更恶劣环境下运行，本课题又在完成课题任务基础上增加了模糊控制。
模糊控制含有以下优点：
(1)使用语言方法, 可不需要过程正确数学模型; 
(2)鲁棒性强, 适于处理过程控制中非线性、强耦合时变、滞后等问题; 
(3)有较强容错能力。含有适应受控对象动力学特征改变、环境特征改变和动行条件改变能力; 
(4)操作人员易于经过人自然语言进行人机界面联络, 这些模糊条件语句轻易加到过程控制步骤上。
1.2 永磁同时电机及电机调速概述
同时电机特点是其转速和电源频率保持严格同时关系，只要电源频率不变，同时电动机转速就保持不变，和负载大小无关。另外，经过改变励磁电流就能够调整同时电机功率因数，若使其工作在容性状态下向电网输送超前无功，则可改善电网功率因数。不过，同时电机也存在开启困难和重载时失步缺点，这一问题在很大程度上限制了它应用领域。
因为电力电子技术快速发展，多种容量和形式变频电源、整流装置研制成功和计算机技术、控制理论发展，使同时电机调速系统发展展现了崭新局面。变频装置作为同时电动机软开启设备处理了同时电动机开启困难问题；以微处理器为关键转速和频率闭环控制，又处理了同时电动机失步问题。这两个问题处理从根本上改变了同时电动机在调速系统这一领域地位。
小功率永磁同时电机，因为变频电源供电，从而组成了新一代交流伺服系统。在机器人和数控机床等领域也越来越显示出它优越性。所以永磁同时电机控制系统也逐步成为该领域研究热点。
1.2.1 永磁同时电机发展概述
永磁同时电机是交流驱动系统以永磁同时电机为驱动电机设备，它以永磁体替换电励磁电机励磁绕组。永磁同时电机出现于20世纪50年代，它运行原理和一般电激磁同时电机相同，但以永磁体激磁替换激磁绕组激磁使得电机结构简单。永磁同时电机省略了一般同时电机所特有集电环和电刷，提升了电机运行可靠性。由永磁体激磁，无须激磁电流，所以提升了电机效率和功率因数。20世纪60到80年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁相继问世，把永磁同时电机发展推入了一个新历史时代。尤其是多年来高耐热性、高磁性能钕铁硼永磁体成功开发和电力电子元件深入发展和改善，稀土永磁同时电机研究开发在中国外又进入了一个新时期，在理论研究和应用领域全部将产生质飞跃。它和电力电子技术和微电子控制技术相结合，能够制造出很多新型、性能优异机电一体化产品和装备，代表了二十一世纪电机发展方向。现在，永磁同时电机朝着高效节能、机电一体化、高性能、专用电机和轻型化方向发展。
1.2.2 电机调速系统
电气传动系统是由控制部分、功率部分和电动机三大要素组成一个有机整体。各部分能够相互组合而组成多个电气传动系统。即使调速系统在电流形式分为直流调速和交流调速两类，但在交流调速系统中，异步电动机调速系统和同时电动机调速系统已发展为两类关键调速系统。现在已形成直流电动机、异步电动机和永磁同时电动机三大类调速系统。异步电动机调速系统包含转差功率消耗型、转差功率馈送型和转差功率不变型；而同时电机转差恒等于零即无转差功率，所以只有没有转差不变型变压变频调速系统。
直流电动机含有调速优良，数学模型简单，转矩易于控制优点。其换向器和电刷位置确保了电枢电流和励磁电流解耦。也正是因为这个特点使得直流电动机存在着不可避免缺点：机械换向器和电刷造价偏高；维护困难；使用环境受限；寿命短；在容量发展上受限制。直到1960年，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展新时代。伴随电力电子技术发展，使得采取半导体开关器件交流调速系统得以实现。交流电动机调速系统不仅调速性能能够和直流电动机调速系统相媲美，而且和直流电动机相比还含有结构简单、坚固耐用、体积小、转动惯量小、价格低廉、重量轻、动态响应好、维护费用低，可靠性高优点。
新型电力电子技术器件和脉宽调制（PWM）技术等科学技术发展推进了永磁同时电机广泛应用。现代电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是关键使用变换器控制技术，常见PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制SPWM控制；基于消除指定次数谐波HEPWM控制；基于电流环跟踪CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上4种PWM变换器中，前两种是以输出电压靠近正弦波为控制目标，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机算法简单，所以现在应用最广。
永磁同时电机有以下多个控制方法：
(1)控制。定子电流中只有交流分量，且定子磁动势空间矢量和永磁体空间矢量正交，电机输出转矩和定子电流成正比。其性能类似于直流电机，控制系统简单，转矩性能好，能够取得很宽调速范围，适适用于高性能数控机床和机器人等场所。电机运行功率因数低，电机和逆变器不能够充足利用。
(2)控制。控制交直轴电流分量，保持永磁同时电机功率因数为1，条件下，电机电磁转矩随电流增加展现先增加后减小趋势。这种方法能够充足利用逆变器容量，不足之处于于输出电磁转矩小。
(3)最大转矩/电流比控制，也成为单位电流输出最大转矩控制（最优转矩控制）。它是凸极永磁同时电机用较多一个电流控制策略。当输出转矩一定时，逆变器输出电流最小，能够减小电机铜耗。
永磁同时电机本身含有非线性、强耦合和时变性，加上系统运行时还会受到不一样程度干扰，使得常规控制策略极难满足高性能永磁同时电机伺服系统控制要求。伴随控制理论不停发展，尤其是智能控制不停发展和成熟，如基于人工智能教授系统（ExpertSystem）；基于模糊集合理论（FuzzyLogic）模糊控制；基于人工神经网络（Artificia1NeuraNetwork）神经控制等，使控制系统在模型和参数改变时保护良好控制性能，大大提升了调速系统性能。
1.3 本课题关键工作
本文关键研究工作是依据电压空间矢量脉宽调制原理和坐标变换模块、SVPWM模块和整个PMSM闭环矢量控制仿真模型，使用MATLAB软件建立仿真模型结构图和观察仿真结果，永磁同时电机仿真模型采取电流环和转速环双闭环控制。仿真模型分别采取两种控制器，即线性PI控制器和自适应模糊控制。线性PI控制器关键是依据永磁同时电机参数，利用相关算法设计出模型中P和I数值，以使系统稳定。自适应模糊控制关键是对其速度环进行智能设计。在分别研究永磁同时电动机模糊自整定PID控制基础上，最终设计永磁同时电机自适应模糊控制方法。研究过程关键是依据相关文件资料和学术论文，利用MATLAB中SIMULINK建立仿真模型进行仿真。论文关键研究内容以下：
(1) 在研究永磁同时电机数学模型和矢量控制原理基础上，依据电压空间矢量脉宽调制原理和坐标变换模块、SVPWM模块制订矢量控制方案，采取仿真软件MATLAB中SIMULINK搭建系统仿真模型
(2) 研究线性PI控制在永磁同时电机矢量控制系统中应用。其中，最关键是设计PI控制器，线性PI控制器关键设计步骤为: 
将设计好PI控制器作为已搭建好系统仿真模型中速度调整器和电流调整器对整个系统进行仿真，验证线性PI控制在永磁同时电机矢量控制中可行性。
(3) 研究自适应模糊控制在永磁同时电机矢量控制系统中应用，设计自适应模糊控制，将研究关键内容是设计模糊控制器，该控制器利用模糊控制规则，相当于一个模糊关系存贮器。最终经过仿真试验证实这种方法可行性。

第二章 永磁同时电机矢量控制系统
因为稀土永磁材料含有很高剩磁密度和很大矫顽力，由此做成永磁转子在电动机内所需空间小，且它导磁系数和空气导磁系数相近，对于径向结构电动机交轴和直轴磁路磁阻均较大，可大大降低电枢反应。所以，永久磁铁励磁同时电机含有体积小、重量轻、效率高、转子无发烧问题、控制系统较异步电动机简单等特点。本章首先简明叙述了永磁同时电动机基础结构和关键分类，然后对其数学模型进行了分析，给出了永磁同时电机运动方程等，从而为对其进行矢量控制奠定了理论基础。
2.1 永磁同时电机结构和分类
和一般同时电动机一样，永磁同时电动机也是由定子和转子两大部分组成。电机定子由定子铁心(由冲有槽孔硅钢片压叠而成)、定子绕组(在铁心槽中嵌放三相电枢绕组)。转子通常由轴、永久磁钢及磁扼等部分组成，其关键作用是在电动机气隙内产生足够磁感应强度，和通电后定子绕组相互作用产生转矩以驱动本身运转。
永磁同时电动机转子磁钢几何形状不一样，使得转子磁场在空间分布可分为正弦波和梯形波两种。所以，当转子旋转时，在定子上产生反电动势波形也有两种：一个为正弦波；另一个为梯形波。这么就造成两种同时电动机在原理、模型及控制方法上有所不一样，为了区分由它们组成永磁同时电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同时电动机组成调速系统称为正弦型永磁同时电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同时电动机组成调速系统，在原理和控制方法上和直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。  
永磁同时电动机转子磁路结构不一样，则电动机运行特征、控制系统等也不一样。依据永磁体在转子上位置不一样，永磁同时电动机关键可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同时电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并在转子铁心外表面上，这种电机关键特点是直、交轴主电感相等；而内置式永磁同时电机永磁体在转子内部，永磁体外表面和定子铁心内圆之间有铁磁物质制成极靴，能够保护永磁体。这种永磁电机关键特点是直、交轴主电感不相等。所以，这两种电机性能有所不一样。
2.2 永磁同时电机数学模型
永磁同时电机在不一样坐标系上数学模型表示式是不一样。在研究永磁同时电机数学模型前，先对其作以下假设：
(1) 电动机三相绕组完全对称；
(2) 电动机气隙磁通在空间按正弦分布；
(3) 不计涡流、磁饱和等原因影响；
(4) 转子上无阻尼绕组。
在这些假设基础上，我们建立d-q轴数学模型，它不仅能够用于分析
PMSM稳态运行性能，也可用于分析永磁同时电动机瞬态性能。d-q同时旋转坐标系是一个二相旋转直角坐标系，它d轴可按不一样方向定向，其q轴逆时针超前d轴ᵒ空间电角度，该坐标系在空间以定子磁场同时角速度(也就是转子磁场同时角速度)旋转，站在d-q同时旋转坐标系上再来看交流电动机各量，这些交流物理量就为直流量了。
因为转子磁通恒定，永磁同时电机调速系统常采取转子磁场定向矢量控制技术，立即两相旋转坐标系d轴在转子磁链方向上，其矢量图图2-1所表示
q

d

图2-1永磁同时电机时矢量图

在转子d-q坐标系下，永磁同时电机定子电压方程为

式中、为定子电压矢量d、q轴分量，为转子角频率，p为微分算子。
永磁同时电机定子磁链方程为

式中，、为永磁同时电机直轴、交轴主电感，、为定子电流矢量直轴、交轴分量。
转矩方程为

在基速以下恒转矩运行区中，常采取定子电流矢量在q轴且全部用于产生转矩控制方法，即，。此时转矩方程变为

因为转子为永磁结构，为常数，转矩仅和定子电流幅值成正比，类似于直流电动机，实现了解耦控制。只要控制好定子电流幅值，就会得到满意转矩控制特征。
2.3 坐标系和坐标变换
因为是空间矢量来描述永磁同时电机坐标系，所以坐标变换称为矢量坐标变换。永磁同时电机变换关键有三种，即三相静止坐标系变换到二相静止坐标系，或二相静止坐标系变换到三相静止坐标系；由二相静止坐标系变到二相旋转坐标系，或由二相旋转坐标系变换到二相静止坐标系；由直角坐标系到极坐标系相互变换。
确定电流变换矩阵时，应遵守变换前后所产生旋转磁场等效标准。
电动机是机电能量转换装置，气隙磁场是机电能量转换枢纽。气隙磁场是由电动机气隙合成磁势决定，而合成磁势是由各绕组中电流产生，只有遵守变换前后气隙中旋转磁场相同标准，所确定电流变换矩阵才是确定。
确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵，应遵守变换前后电机功率不变标准。
在确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵时，只要遵守变换前后电机功率不变标准，则电流变换矩阵和电压变换矩阵、阻抗变换矩阵之间必存在着确定关系。这么就能够从已知电流变换矩阵来确定电压变换矩阵和阻抗变换矩阵。
所谓相变换就是三相轴系到二相轴系或二相轴系到三相轴系变换，表示为3S/2S变换或2S/3S变换。相变换作用是用一个对称二相电机替换一个对称三相电机或用一个对称三相电机替换一个对称二相电机。所谓对称是指定、转子各绕组分别含有相同匝数和相同阻抗。
三相电流变换为二相电流(3S/2S)关系为

二相电流变换为三相电流(2S/3S)关系为

当定子三相绕组为星形接法时，有

则有
写成矩阵形式得到三相/二相变换公式为

将上式逆变换可得二相/三相变换公式为

将上述两式表示成变换器模型结构图为

3S/2S

图2-2 3S/2S变换器符号表示

所谓矢量旋转变换就是交流二相α、β绕组和直流二相M、T绕组之间电流变换，它是一个静止直角坐标系和旋转直角坐标系之间变换。
二相旋转坐标系到二相静止坐标系矩阵形式为

二相静止坐标系到二相旋转坐标系逆变换关系为

同理，电压和磁链旋转变换也和电流旋转变换相同。
2.4 永磁同时电机矢量控制
2.4.1 永磁同时电机矢量控制原理
任何电力拖动系统全部服从于基础运动方程式

式中，为电动机电磁转矩，为负载转矩，为转动惯量，n为电动机转速。
由此知道，假如能快速正确地控制电磁转矩，那么调速系统就含有较高动态性能，所以，调速系统能好坏关键是对电磁转矩有效控制。
晶闸管供电转速电流双闭环直流调速系统含有优良静、动态调速特征，其根本原因在于作为控制对象她励直流电机电磁转矩就能够灵活地进行控制，因为直流电动机电磁转矩中两个控制量磁通和电枢电流在空间位置上相互正交，和相互独立无耦合，可分别进行控制。
交流电动机电磁转矩和磁通、转子电流、转子功率因数相关；磁通由定、转子磁势共同产生；另外磁通、转子电流等相互耦合，互不独立。1971年德国学者Blaschke等人提出矢量变换控制原理实现了交流电机模拟直流电动机转矩控制。
现在对永磁同时电动机控制技术关键有磁场定向矢量控制技术(Field Orientation Control,FOC)和直接转矩控制技术(Direct Torque Control,DTC)。
经典直接转矩控制是在定子静止坐标系中针对电动机定子磁链和电动机转矩实施独立控制——经过在合适时刻选择适合电压空间矢量来实现二者近似解耦控制效果。为配合该控制方法，定子磁链和电动机转矩两个调整器不再选择PI调整器而是采取含有继电器特征砰砰调整器。控制系统含有较强非线性特征，不过系统响应很快速，能够充足发挥电压型逆变器开关能力。砰砰调整器意味着必需有脉动才能够进行闭环调整，所以在相近开关频率下，直接转矩控制系统被控量展现出较大脉动分量，而且在一些工况下会出现部分低频转矩分量。
磁场定向矢量控制技术关键是在转子磁场旋转坐标系中针对激磁电流和转矩电流分别进行控制，而且采取是经典PI线性调整器，系统展现出良好线性特征，能够根据经典线性控制理论进行控制系统设计，逆变器控制采取了较成熟SPWM、SVPWM等技术。磁场定向矢量控制技术较成熟，动态、稳态性能较佳，PMSM矢量控制系统结构框图图2-3所表示。
图2-3 永磁同时电动机矢量控制系统框图

永磁同时电动机在转子坐标系中转矩公式为

从中能够看出电动机转矩分为两个部分：其一为永磁体产生磁链和定子电流转矩分量作用后产生永磁转矩；其二为转子凸极结构使得定子电流励磁分量和转矩分量产生磁阻转矩。
这两部分转矩全部和定子电流转矩分量成正比，也就是说，能够经过控制订子电流转矩分量大小来控制电动机转矩，这一电流和直流电动机电枢电流对应，所以永磁同时电动机转矩控制能够转化为定子电流转矩分量控制。其次，定子电流励磁分量会影响电动机定子磁链大小，能够经过它产生弱磁升速效果，这一点和直流电动机励磁电流类似。所以永磁同时电动机和直流电动机存在着很大相同性。控制系统中两个电流闭环分别控制和，让它们跟踪给定，这么就能够实现电动机磁场和转矩独立控制，能够实现和直流电动机调速系统相媲美调速性能。
依据转矩公式能够看出，永磁同时电动机输出同一个转矩时存在不一样转矩电流和励磁电流组合，这么就存在不一样电流控制策略。本课题采取是=0控制。=0时，从电动机端口看，永磁同时电动机相当于一台她励直流电机，定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量和永磁体磁动势空间分量正交，电动机转矩中只有永磁转矩分量，其大小为。因为电磁转矩仅仅依靠于交轴电流，从而实现了转矩表示式中交、直轴电流解耦。这种控制方法最为简单，但其缺点在于伴随输出转矩增大，漏感压降增大，功率因数降低；因为未有弱磁电流，所以电动机调速范围有限。 
在=0控制方法下电动机转矩中只有永磁转矩分量，其磁链和转矩全部能够简化为：

在=0矢量控制方法下，则可得到状态方程可写为：

式中为电机极对数，为转子永磁体产生磁链，为电动机转动惯量，为定子电阻，为dq0坐标系下自感，为负载转矩。
上式即为永磁同时电动机解耦方程，在输入电压为和输出转子转速为情况下，能够得到永磁同时电动机等效框图。
图2-4 永磁同时电动机等效框图

2.4.2 空间矢量脉宽调制(SVPWM)
SVPWM是空间电压矢量 PWM波产生，它含有电压利用率高、低谐波成份、开关次数少和功率管功耗小等特点。同时，SVPWM 还能很好结合矢量控制算法，为矢量控制得实现提供很好路径，以最大程度发挥设备性能。
SVPWM关键是使电机取得幅值恒定圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁场并以此磁场为基准，经过逆变器功率器件不一样开关模式产生有效矢量来迫近基准园，并产生三相互差120ᵒ电角度靠近正弦波电流来驱动电机。
本文关键用是三相空间电压矢量控制：基于固定开关频率电流控制，即使同时旋转坐标系轴系中电流调整器输出空间电压矢量指令，再用SVPWM策略使电压型整流器跟踪电压矢量指令，从而达成控制电流目标。

第三章 永磁同时电动机双闭环PI调速系统及参数设计
在闭环负反馈系统中，当以调整器为关键闭环多于一个时，我们称其为多环系统。常见多环系统有转速电流双闭环调速系统、带电流改变率内环和带电压内环三环调速系统。尤其以转速电流双闭环调速系统最为经典。本课题采取是转速电流双闭环调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调整器，分别调整转速和电流，二者之间实施串级联接。这就是说，把转速调整器输出看成电流调整器输入，再用电流调整器输出去控制晶闸管整流器触发装置。从闭环结构上看，电流调整环在里面，叫做内环；转速调整环在外边，叫做外环。这么就形成了转速、电流双闭环调速系统。
3.1 PI调整器
PI控制器就是依据系统误差，利用百分比、积分、微分计算出控制量进行控制，其原理图图3-1。

图3-1 PI控制系统原理图

PI控制器传输函数常见表示式有以下两种：
(1) ，；
(2) ，为百分比增益，为积分时间常数。
这两种表示式并无本质区分，在不一样仿真软件和硬件电路中也全部被广泛采取。
百分比（P，Proportion）控制是一个最简单控制方法，其控制器输出和输入误差信号成百分比关系，能立即成百分比地反应控制系统偏差信号，偏差一旦产生，调整器立即产生控制作用，以降低偏差。当仅有百分比控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
在积分（I，Integral）控制中，控制器输出和输入误差信号积分成正比关系。对一个自动控制系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，则称这控制系统是有稳态误差或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制中必需引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，伴随时间增加，积分项会增大。这么，即便误差很小，积分项也会伴随时间增加而加大，它推进控制器输出增大使稳态误差深入减小，直到等于零。所以，百分比+积分（PI）控制器，能够使系统在进入稳态后无稳态误差。积分作用强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。
3.2 PI调整器参数设计
永磁同时电机电流、速度双闭环控制系统是一个多环系统,设计多环系统通常方法是:从内环开始逐步向外扩大,一环一环地进行设计。先从电流环入手,设计好电流调整器,然后把电流环看作是速度调整系统中一个步骤,再设计速度环,所以首先考虑进行电流环设计实现。电流环作用是:提升系统快速性,抑制电流环内部干扰,限制最大电流以保障系统安全运行。速度环作用是:增强系统抗负载扰动能力,抑制速度波动。下面分别叙述电流环和速度环调整器设计。
3.2.1 电流环调整器参数设计
相对速度环而言,电流内环通常只和PWM逆变器和电机参数相关,不受外部负载改变影响,所以电流环有固定结构,图3-2所表示,电流环参数能够按一定方法计算。

图3-2 电流环传输函数

上图中，是电流PI调整器传输函数,是电流PI调整器百分比系数,是调整器积分时间常数,通常在数字实现中写成百分比和积分分开形式：

式中，为积分系数，。
在图3-2中,电流环控制对象为:PWM逆变器和电机电枢回路。PWM逆变器通常能够看成含有时间常数(=1/,为逆变器开关管工作频率)一阶惯性步骤。电机电枢回路有电阻R、电感L,也能够看成一阶惯性步骤。是电感时间常数(等于L/R,此处L,R为电机电感和电阻,对永磁同时电机来说是电机定子电感和电阻,对异步电机来说是定子漏感和定子电阻),=1/R,反应了稳态时坐标下电机电压和电流百分比关系。表示逆变器放大倍数,而是开关周期,代表逆变器延时。是电流反馈通道滤波时间常数,为电流反馈放大倍数。
图3-2中开环传输函数写成传输函数形式为：

式中,通常而言,电感时间常数远大于滤波时间常数和开关周期。逆变器放大倍数定义为实际输出电压和和给定电压比值,在数字控制中,采取SVPWM控制时,逆变器输出电压和给定电压相等,所以=1。电流反馈值采取数字AD采样值,反馈值代表了电流实际值,所以放大倍数=1。
根据调整器工程设计方法,选择电流调整器零点对消被控对象大时间常数极点,即:

所以上式能够写为：

因为和全部是小时间常数,可用一个时间常数为一阶步骤替换这两个惯性步骤,等于和之和,于是电流环开环传输函数可简化为一个经典Ⅰ型系统：

式中，，。
这时,对应电流闭环传输函数为一个经典二阶系统：

式中，。
根据二阶系统最优指标,令=0.707,则可算出对应环路增益K=1/(2),再依据各步骤放大倍数,即可确定增益。又因为等于,所以电流控制器参数就确定了,即：

3.2.2 速度环调整器设计
在系统中交轴电流控制环是速度环内环,所以设计速度环首先要得到控制环闭环传输函数,然后将其作为转速环中一个步骤再进行速度环设计。因为转速环截止频率通常较低,所以电流环传输函数可去掉高次项降阶近似为

是转速反馈滤波步骤,在转速给定路径上也加上这么一个步骤,移到环内得到速度环闭环控制系统框图,图3-3所表示。
图3-3 速度环结构图

速度环通常校正成经典Ⅱ系统,其开环传输函数为以下形式:

速度环前向通道已经有两个惯性步骤和一个积分步骤,所以速度调整器也采取PI调整器,即:

式中:为速度调整器百分比系数;为调整器积分时间常数。
考虑到和2全部很小,所以可将两个小惯性步骤合成一个惯性步骤,即用替换,其时间常数为

将转速环校正成经典Ⅱ型系统,系统开环传输函数为

根据经典Ⅱ型系统设计,依据经典Ⅱ型系统设计参数公式:

式中,为中频带宽,它选择和系统动态性能指标相关,越大,超调量越小,但调整时间并不是单调,因为当=5时调整时间最短,动态响应最快,所以选择=5为好。为转矩常数,定义为额定转矩和额定电流比值,即。带入数据能够求得和数值。
至此,经过经典系统工程设计法,系统电流环和转速环调整器全部设计出来了。根据上述方法对控制系统进行校正后能够使电动机实际电流跟踪定子电流给定信号。

第四章 自适应模糊控制系统
传统自动控制，包含经典理论和现代控制理论中有一个共同点，即控制器综合设计全部要建立在被控对象正确数学模型基础上，不过在实际工业生产中，很多系统影响原因很多，十分复杂，建立正确数学模型尤其困难，甚至是不可能。这种情况下，模糊控制诞生就显得意义重大。因为模糊控制不用建立数学模型，依据实际系统输入输出结果数据，参考现场操作人员经验，就可对系统进行实时控制。模糊控制实际是一个非线性控制，隶属于智能控制范围。模糊控制有以下突出特点：
1． 模糊控制是一个基于规则控制，它直接采取语言型控制规则，其依据是现场操作人员控制经验或相关教授知识，在设计中不需要建立被控对象正确数学模型，所以使得控制机理和策略易于接收，设计简单，便于应用。
2． 由工业过程定性认识出发，比较轻易建立语言控制规则，所以模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特征不易掌握对象很适用。
3． 基于模型控制算法及系统设计方法，因为出发点和性能指标不一样，轻易造成较大差异；但一个系统语言控制规则却含有相正确独立性，利用这些控制规律间模糊连接，轻易找到折中选择，使控制效果优于常规控制器。
4． 模糊控制是基于启发性知识及语言决议规则设计，这有利于模拟人工控制过程和方法，增强控制系统适应能力，使之含有一定智能水平。
5． 模糊控制系统鲁棒性强，干扰和参数改变对控制效果影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统控制。
4.1 模糊控制基础概念
设U为一些对象集合，称为论域，能够是离散或连续；u表示U元素，记作。
定义4.1 模糊集合(fuzzy sets) 论域U到区间任一映射，即：，全部确定U一个模糊子集F；称为F隶属函数(membership function)或隶属度(grade of membership)。也就是说，属于模糊子集F程度或等级。在论域U中，也可把模糊子集表示为元素u和其隶属函数序偶集合，记为：