【正文】 碩士學位論文碩士學位論文基于模糊控制的永磁同步電機無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng) VSensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System Based on Fuzzy ControlbyXIAO Yangliu. (Shijiazhuang Railway Institute) 2007A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of EngineeringinElectrical Engineeringin theGraduate SchoolofHunan UniversitySupervisorProfessor ZHOU LawuApril，2010基于模糊控制的永磁同步電機無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)碩士學位論文湖 南 大 學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于保密163。，在______年解密后適用本授權(quán)書。不保密。（請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)和永磁材料制造工藝的發(fā)展，以及永磁同步電機(PMSM)自身的結(jié)構(gòu)和運行特點，PMSM驅(qū)動系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。但是永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)的良好性能都是建立在閉環(huán)控制基礎(chǔ)之上的，因此如何獲取轉(zhuǎn)子位置和速度信號是整個系統(tǒng)中相當重要的一個環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中位置主要由旋轉(zhuǎn)變壓器或者光電編碼盤提供，但此類位置傳感器均有著成本高，維護困難，惡劣工況適用性差等本質(zhì)上的缺陷。因此，在一些特殊及精度要求不高的場合，由只根據(jù)采樣電流、電壓等易測量，通過特定方法估算轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的無位置傳感器控制策略將得到廣泛應(yīng)用。為進一步提高PMSM調(diào)速系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和魯棒性，具有易于構(gòu)造、輸出量連續(xù)、可靠性高、超調(diào)量小、魯棒性強、能夠克服非線性因素的影響等特點的模糊控制方法得到了越來越多的關(guān)注。本文以永磁同步電機無位置傳感器驅(qū)動控制系統(tǒng)為研究對象，主要工作分為MATLAB/SIMULINK仿真與系統(tǒng)的軟、硬件實現(xiàn)兩部。第一部分工作建立了永磁同步電機的數(shù)學模型，并在此基礎(chǔ)上介紹了相關(guān)矢量控制原理，尤其是本文所采用的定子電流最優(yōu)控制策略。同時根據(jù)無位置傳感器相關(guān)原理建立了用于替代傳統(tǒng)機械位置傳感器的滑模觀測器，并引入基于模糊控制理論的模糊PI來替代傳統(tǒng)PI，完成了系統(tǒng)的MATLAB仿真。第二部分工作制作了以TMS320F2808DSP為核心控制芯片的硬件平臺，軟件的編寫和工廠現(xiàn)場調(diào)試。MATLAB仿真和實驗結(jié)果均表明了系統(tǒng)的有效性以及良好的控制性能，是一種較為理想的控制方案。關(guān)鍵詞: 永磁同步電機；無位置傳感器；定子電流最優(yōu)；模糊PI；DSPAbstractWith the development of microprocessor technology, power electronics technology and permanent magnetic materials manufacturing techniques, as well as tructure and operating characteristics of permanent magnet synchronous motor (PMSM), the PMSM drive system is widely applied in the areas of industrial and agricultural production. But the good performances of PMSM drive system are based on closedloop control, it is quite important of how to obtain the rotor position and speed signals in this system. Traditionally, the rotor position of the control system is mainly supplied by the resolver or optical encoder disk, but such position sensors have the nature defects of high costs, maintenance difficulties and poor performances in bad working conditions. Thus, sensorless control strategy which only according the sampling of the current and voltage to estimate the rotor position and speed by specific methods will be widely applied. To enhance the speed, stability and robustness of PMSM drive system further, fuzzy control method which has the characteristic of easy configuration, continue output, high reliability, small overshoot and strong robustness has gained more and more attention.In this paper, sensorless permanent magnet synchronous motor drive system for the study is mainly divided into two parts of MATLAB/SIMULINK simulation and system software and hardware achievement. In the first part, the auther established a mathematical model of PMSM, and on this basis, introduced the relevant principles of vector control, particularly the optimal control strategy used in this paper. At the same time, the author not only established a sliding mode observer to replace traditional mechanical position sensors according to the relevant principles, but also fuzzy PI to replace traditional PI under the introduction of fuzzy control theory, and then pleted MATLAB simulation of the system. The second part included the designing of a hardware experiment platform using TMS320F2808DSP for core control chip, software development and plant debugging.The results of MATLAB simulation and experiment, which show the prime control performance of the program and effectiveness of the system, prove that this program is an ideal control method．Key Words: PMSM。 Sensorless。 Vector Control。 Fuzzy PI。 DSP目 錄學位論文原創(chuàng)性聲明和學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 I摘 要 IIAbstract III目 錄 IV第1章 緒 論 1 選題背景及意義 1 2 2 3 4 6第2章 永磁同步電機的控制原理 7 永磁同步電機的結(jié)構(gòu) 7 8 永磁同步電機在三相靜止坐標系下的模型 8 坐標變換 9 永磁同步電機在dq坐標系下的數(shù)學模型 11 永磁同步電機的矢量控制技術(shù) 12 定子電流最優(yōu)控制 14 空間電壓矢量調(diào)制原理 15 16 19 22 22第3章 基于滑模觀測器的無位置傳感器控制 23 滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理 23 變結(jié)構(gòu)控制概述 23 24 25 滑模觀測器仿真及分析 28 28 28 30 本章小結(jié) 31第4章 永磁同步電機模糊PI控制 32 模糊控制的基本原理 32 模糊控制主要特點 32 模糊控制系統(tǒng)組成 33 模糊控制器原理 33 模糊PI控制器設(shè)計 34 模糊控制器結(jié)構(gòu)的確定 34 模糊化 35 模糊控制規(guī)則的確定 36 模糊推理 36 解模糊化 37 基于模糊PI控制的PMSM無位置傳感器控制系統(tǒng)仿真 37 模糊PI控制器的建立 37 控制系統(tǒng)仿真 39 本章小結(jié) 39第5章 永磁同步電機控制系統(tǒng)的實現(xiàn) 40 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 40 系統(tǒng)主回路設(shè)計 40 系統(tǒng)控制電路的組成 43 系統(tǒng)軟件設(shè)計 46 開發(fā)軟件介紹 46 系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu) 46 SVPWM算法實現(xiàn) 48 實驗結(jié)果及分析 49 電機低速運行 50 電機額定轉(zhuǎn)速運行 51 突加負載實驗 53 本章小結(jié) 54結(jié) 論 55參考文獻 57致 謝 61附錄A 攻讀學位期間發(fā)表的學術(shù)論文 62碩士學位論文第1章 緒 論近幾年來，隨著產(chǎn)業(yè)應(yīng)用形態(tài)的不斷改變、進步，電機成為現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品不可或缺的零部件，廣泛的應(yīng)用于各式各樣的機械工具和一般消費品。尤其是標志著一個國家工業(yè)實力的高精機床、工業(yè)機器人等對其“驅(qū)動源”提出了越來越高的要求。伴隨著材料科技的蓬勃發(fā)展，具有高效率、易維修且控制簡單的交流永磁同步電機 (Permanent magnet synchronous motor，簡稱PMSM)應(yīng)用日益普及，漸漸的取代了傳統(tǒng)的直流電機和異步電機的地位。 選題背景及意義相對于直流電動機和異步電動機而言，基于正弦波反電動勢的永磁同步電機因其優(yōu)異的性能已日漸成為電驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行電機的“主流”。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展以及控制理論的不斷進步，以永磁同步電機作為執(zhí)行機構(gòu)的交流驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展得以極大的發(fā)展[1,2]。永磁電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展密切相關(guān)，二十世紀六十到八十年代，釤鈷永磁和釹鐵硼永磁（二者統(tǒng)稱稀土永磁）的相繼問世，使永磁電機的發(fā)展進入了新的歷史時代。我國稀土資源豐富，號稱“稀土王國”，稀土永磁材料和稀土永磁電機的研究達到了世界先進水平。自二十世紀八十年代以來，各國相應(yīng)的研究機構(gòu)及著名的電氣公司競相把稀土永磁材料、電力電子技術(shù)、自動控制理論以及微電子技術(shù)的最新成就應(yīng)用于永磁同步電機及其控制系統(tǒng)的研究開發(fā)之中，使其成為當代電機技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著永磁材料性能和電力電子器件性能價格比的不斷提高，現(xiàn)代控制理論、微機控制技術(shù)和電機制造工藝的迅猛發(fā)展，新磁路結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，在永磁同步電機理論分析、設(shè)計和控制策略中不斷出現(xiàn)有待進一步深入研究的新課題[3,4]。高性能永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用變得日益廣泛，為了滿足永磁同步電機傳動系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的需要，一般來說必須實時的知道永磁電機轉(zhuǎn)子的位置以及速度并實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。而位置和速度信息的獲取，傳統(tǒng)的做法是在電機上安裝機械位置傳感器[5]。但必須注意到的是，傳統(tǒng)做法中機械位置傳感器的安裝給永磁同步電機控制系統(tǒng)帶來了諸多缺點。隨著控制理論與電力電子技術(shù)的發(fā)展，從1980年開始，眾多研究學者將目光轉(zhuǎn)向了無位置傳感器的方案，即采用電壓傳感器或電流傳感器的輸出信號，間接估測轉(zhuǎn)子位置，使這些電機不需要霍爾傳感器等傳統(tǒng)的機械位置傳感器，稱之為無傳感控制。雖然省去了霍爾元件，但還是要利用電氣性的傳感器，如電壓傳感器、電流傳感器，作為回路控制，其精確名稱為無位置傳感器控制。由于無傳感器驅(qū)動技術(shù)可以減少電機端的線路與傳感器空間，降低系統(tǒng)成本與復(fù)雜度，增強惡劣條件工作能力，提高了應(yīng)用的范圍[6,7]。眾多的優(yōu)點與特性，使此技術(shù)成為近幾年電機驅(qū)動系統(tǒng)的主流，目前歐美日市場上已經(jīng)有很多的無傳感器的驅(qū)動器問世。對于遭遇技術(shù)