【正文】 80年代以來(lái)，隨著各種相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，有關(guān)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究成果不斷涌現(xiàn)，為高性能永磁同步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)入80年代中后期后，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有代表性的幾項(xiàng)重大研究突破為：1986年，該系統(tǒng)是用于飛機(jī)上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，為其后的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的步伐；1994年，其方法是根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況，調(diào)整電流矢量的相角，充分利用內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩，增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率的輸出[9]；而后，“凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行能力”的論文，主要討論了凸極式永磁同步電動(dòng)機(jī)的恒功率運(yùn)行區(qū)域與電機(jī)凸極率的關(guān)系[10]。（2）現(xiàn)代控制理論的引入交流電機(jī)矢量控制技術(shù)的提出，明顯改善了交流電機(jī)的調(diào)速性能。永磁交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在幾十年的發(fā)展進(jìn)程中，其控制策略不斷進(jìn)步，其中具有代表性的包括：恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、智能化控制等等[16,21]。近年來(lái)，直接轉(zhuǎn)矩控制方式被移植到永磁同步電機(jī)的控制中，隨著人們對(duì)其控制原理和關(guān)鍵技術(shù)的不斷深入研究，直接轉(zhuǎn)矩控制將在大力矩、快速響應(yīng)的數(shù)字化交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。其主要思想是，根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目的性地使系統(tǒng)沿設(shè)計(jì)好的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡運(yùn)動(dòng)[23]。（7）智能控制智能控制理論是永磁交流驅(qū)動(dòng)控制發(fā)展中的一個(gè)嶄新階段，與傳統(tǒng)的經(jīng)典、現(xiàn)代控制方法相比，具有一系列突出特點(diǎn)。（2）模糊控制算法的引進(jìn)與應(yīng)用。矢量控制從理論上解決了交流電動(dòng)機(jī)非線性解耦問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩高性能控制。 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)是由繞線式同步電機(jī)發(fā)展起來(lái)的，其結(jié)構(gòu)與繞線式同步電機(jī)基本相同。通過(guò)改變定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的速度和位置。不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)系下產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)相等[31]。(a)(b)中的磁動(dòng)勢(shì)一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前兩套固定的交流繞組等效了。 永磁同步電機(jī)的矢量控制技術(shù)永磁同步電動(dòng)機(jī)用途不同，電動(dòng)機(jī)電流矢量控制策略也各不相同。此方法工作電流相對(duì)較小，有利于逆變器中功率器件的工作，但該控制算法要占用很大的CPU開(kāi)銷(xiāo)，對(duì)中央處理器的要求較高。由于存在這一關(guān)系，電磁轉(zhuǎn)矩不能實(shí)現(xiàn)精確的線性化控制。最大輸出功率軌跡與電流極限圓的交點(diǎn)C處的轉(zhuǎn)速ωc是電壓達(dá)到極限值時(shí)電機(jī)能運(yùn)行于最大輸出功率的最低轉(zhuǎn)速（低于ωc時(shí)，最大輸出功率軌跡與電壓極限橢圓的交點(diǎn)將落在電流極限圓外，即電流幅值超出電流極限值）。電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，電流波形畸變減少，而且與常規(guī)的正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM)技術(shù)相比直流電壓利用率有很大的提高，并且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[37]。因此，三個(gè)電壓空間矢量相加所形成的一個(gè)合成電壓空間矢量是一個(gè)以電源角頻率速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量[38]。其中000和111開(kāi)關(guān)模式使逆變器輸出電壓為零，所以稱這兩種開(kāi)關(guān)模式為零狀態(tài)。在DSP中程序計(jì)算中，為了方便計(jì)算，需要使用Clarke變換將其轉(zhuǎn)換到平面直角坐標(biāo)系中[40]。，以參考相電壓矢量在第0扇區(qū)為例來(lái)說(shuō)明電壓空間矢量的線性合成。因此，可以求出和 ()下面定義三個(gè)變量 ()對(duì)于上例，當(dāng)處于和扇區(qū)時(shí)。需要在轉(zhuǎn)子軸上安裝機(jī)械式傳感器，測(cè)量電機(jī)的速度和位置。永磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵在于如何根據(jù)測(cè)量的電機(jī)電流和電壓信號(hào)，估計(jì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置。這是一種有跳變的不連續(xù)系統(tǒng)。這樣，處于滑模運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性。此時(shí)，分別把s= s(x)及s(x)=0叫做切換函數(shù)及切換面。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即所謂的“滑動(dòng)模態(tài)”或“滑?！边\(yùn)動(dòng)。LPF的濾波時(shí)間要足夠小，以保留等價(jià)控制量，的低頻成分，但又能濾掉大部分高頻成分[45]。為了簡(jiǎn)化電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件，因此設(shè)計(jì)了一種變截止頻率的低通濾波器，其截至頻率隨轉(zhuǎn)速而變化，與 之比為定正常數(shù)。 PMSM無(wú)位置傳感器矢量控制模型 無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊 Control控制模塊 SVPWM生成模塊仿真采用的電機(jī)模型為實(shí)際電機(jī)參數(shù)：103H，103kg?m2，極數(shù)為4極。接著應(yīng)用MATLAB設(shè)計(jì)了無(wú)位置傳感器轉(zhuǎn)子角度和轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊，并采用定子電流最優(yōu)控制對(duì)整個(gè)體系進(jìn)行了仿真。 模糊控制的基本原理 模糊控制主要特點(diǎn)模糊邏輯控制（簡(jiǎn)稱模糊控制）就是使計(jì)算機(jī)具有活性和智能的一種新穎的智能控制方法，它是建立在人工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上。(4) 構(gòu)造容易。輸出信號(hào)需要進(jìn)行反模糊化處理后，得到精確的數(shù)字控制量，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換，變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬量后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過(guò)程中，向推理機(jī)提供數(shù)據(jù)。將推理機(jī)輸出的模糊控制量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，求得一個(gè)精確的控制量輸出，即解模糊。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。and運(yùn)算通常采用取小或者代數(shù)積的方法；合成運(yùn)算 “。 基于模糊PI控制的PMSM無(wú)位置傳感器控制系統(tǒng)仿真 模糊PI控制器的建立根據(jù)上面介紹的方法和步驟，在MATLAB仿真系統(tǒng)中建立模糊控制器，然后與傳統(tǒng)的PI控制器結(jié)合，構(gòu)成模糊PI控制器。、 與e、。第5章 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2808工業(yè)控制用DSP為核心控件。 本章小結(jié)本章首先詳細(xì)討論了模糊控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理，以及模糊PI控制器的基本設(shè)計(jì)步驟。最后，按照上節(jié)所述的模糊控制規(guī)則表編輯各輸出量與輸入量之間的模糊控制規(guī)則。本文設(shè)計(jì)的模糊控制器最終輸出的計(jì)算公式如下所示： ()式中、為PI參數(shù)的初始設(shè)計(jì)值，可以根據(jù)傳統(tǒng)的PI控制器的參數(shù)整定方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于本文所述兩輸入一輸出的模糊控制器，設(shè)模糊控制器的模糊輸入量為：x是and y是，根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行近似推理，可以得出模糊輸出量z（用模糊集合表示）為： ()其中包括了三種主要的模糊邏輯運(yùn)算：and運(yùn)算，合成運(yùn)算 “。 模糊化（1）變量變換模糊控制量的輸入信號(hào)（誤差E、誤差變化率EC）的實(shí)際范圍稱為變量的論域范圍。最基本的有扎德近視推理，它包含有正向推理和逆向推理兩類(lèi)，正向推理常用于模糊控制中，逆向推理一般用于知識(shí)工程學(xué)領(lǐng)域的專(zhuān)家系統(tǒng)中。它通常由數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊控制規(guī)則庫(kù)兩部分組成。系統(tǒng)的核心部分是模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)則由微處理器的程序?qū)崿F(xiàn)[50]。模糊控制采用人類(lèi)思維中的模糊量，如“高”、 “中”、“低”、“大”和“小”等，使得控制機(jī)理和控制策略易于理解和接受，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)和推廣。模糊控制與PI控制器兩者結(jié)合起來(lái)后，能揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PI控制精度高的特點(diǎn)。（）可以看出，轉(zhuǎn)子位置角計(jì)算和電機(jī)測(cè)量模塊實(shí)際測(cè)量值相當(dāng)接近，驗(yàn)證了算法的正確性。d、q軸電流分量經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)以及坐標(biāo)變換后得到、然后由SVPWM模塊產(chǎn)生PWM脈沖輸出。對(duì)于截止頻率固定的低通濾波器，原理上補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)值為，此時(shí)，需要根據(jù)觀測(cè)的不同轉(zhuǎn)速值對(duì)相角進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償[47]。根據(jù)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)造滑模電流觀測(cè)器如下： ()其中：， 為電機(jī)端電壓矢量給定量， ， ，控制量的反饋增益，砰－砰控制開(kāi)關(guān)增益，為轉(zhuǎn)子位置角，為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)在滑模區(qū)中的運(yùn)動(dòng)叫做“滑模運(yùn)動(dòng)”。通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換，改變系統(tǒng)在狀態(tài)空間中的切換面s(x)=0兩邊的結(jié)構(gòu)。該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡做小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑模運(yùn)動(dòng)。它可改變系統(tǒng)的幅頻和相頻特性，可隨誤差信號(hào)的大小而調(diào)整其頻率特性，這就有自調(diào)整的作用。為了克服使用機(jī)械傳感器給調(diào)速系統(tǒng)帶來(lái)的缺陷，許多學(xué)者開(kāi)展了無(wú)機(jī)械傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)的研究。 N值與扇區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系本章首先闡述了永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上分析了其在靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用坐標(biāo)變換的原理將其在靜止坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程變換成旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系的變換方，并建立了dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后介紹了在此基礎(chǔ)上的幾種常用的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制方法，最后對(duì)SVPWM技術(shù)的相關(guān)原理及計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。，參考相電壓矢量由其在坐標(biāo)系中分量和表示； 表示和的分量和，表示和的分量和，可得 ()如上所述，線性時(shí)間組合的電壓空間矢量是倍的和倍的的矢量和，并已知當(dāng)逆變器單獨(dú)輸出零矢量和時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶勘３植粍?dòng)。如果想獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)。而兩個(gè)零矢量幅值為零，位于中心。圖中V1～V6是六個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT管有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，我們規(guī)定：當(dāng)上橋臂IGBT為“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)（此時(shí)下橋臂IGBT必然是“關(guān)”狀態(tài)），開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1，反之為0。三相定子正弦波相電壓、分別施加在三相繞組上，形成三個(gè)相電壓空間矢量、。磁鏈跟蹤型的PWM又稱電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)，它是由三相功率逆變器六個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件的特定開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波。對(duì)于B點(diǎn)（最大轉(zhuǎn)矩/電流軌跡、電流極限圓和電壓極限圓的交點(diǎn)），其速度ωb即為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行能達(dá)到的最高速度。由上述電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程可得到以，為狀態(tài)變量的永磁同步電機(jī)狀態(tài)方程。(3)最大轉(zhuǎn)矩/電流控制最大轉(zhuǎn)矩/電流控制是在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)域，電機(jī)輸出給定轉(zhuǎn)矩條件下，控制定子電流最小的電流控制方法，也稱作單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩的控制[34]。計(jì)算中涉及到的三種坐標(biāo)系：基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的dq坐標(biāo)系、基于定子靜止磁場(chǎng)的坐標(biāo)系和三相abc定子坐標(biāo)系，它們相互之間的轉(zhuǎn)換滿足：， ， ()其中： 永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型建立永磁同步電機(jī)dq軸轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型，其電壓、磁鏈及轉(zhuǎn)矩等方程分別如下所示[32]：永磁同步電動(dòng)機(jī)dq坐標(biāo)系下的磁鏈方程： ()對(duì)三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程進(jìn)行坐標(biāo)變換，可得永磁同步電動(dòng)機(jī)dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子電壓方程： ()轉(zhuǎn)矩方程為： ()當(dāng)=時(shí)，磁阻轉(zhuǎn)矩等于0。(c)中的兩個(gè)匝數(shù)相等并且相互垂直的繞組d和q，其中分別通以直流電流和，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢(shì)F，其位置相對(duì)繞組來(lái)說(shuō)是靜止的。為了便于實(shí)現(xiàn)矢量控制，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。隱極式轉(zhuǎn)子則是將永磁鐵嵌入在轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，因此交軸的電感大于直軸的電感，并且，除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還有磁阻轉(zhuǎn)矩存在，有助于提高電機(jī)的過(guò)載能力和功率密度，易于弱磁控制。相比異步電動(dòng)機(jī)而言，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子采用高性能永磁材料（如鐵釹硼），轉(zhuǎn)子直徑減少使電機(jī)小型化；轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁損耗，效率較高；發(fā)熱主體在定子側(cè)，散熱容易；且永磁同步電機(jī)的矢量控制較異步電機(jī)簡(jiǎn)單，模擬式、數(shù)字式控制方式都較易實(shí)現(xiàn)。（5）硬件平臺(tái)和軟件算法的具體實(shí)現(xiàn)。本文主要在基于模糊PI的永磁交流電機(jī)無(wú)位置傳感器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面做如下研究工作：（1）通過(guò)永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，揭示了永磁同步電機(jī)矢量控制的實(shí)質(zhì)與關(guān)鍵，并建立永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真模型。目前，應(yīng)用于永磁交流電機(jī)控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辨識(shí)自校正控制等等。但是，非線性系統(tǒng)反饋實(shí)現(xiàn)線性化的前提是要獲得電機(jī)模型的參數(shù)和對(duì)系統(tǒng)的精確測(cè)量或觀測(cè)，而電機(jī)在運(yùn)行中參數(shù)會(huì)隨著各種因素的影響而發(fā)生變化，磁鏈觀測(cè)的準(zhǔn)確性也很難論證，從而影響系統(tǒng)的魯棒性，甚至造成系統(tǒng)性能惡化，目前這種控制方法需要在實(shí)踐中深入研究和完善。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制由Depenbrock教授于1985年提出的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，是在定子坐標(biāo)系下分析交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在近似圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的前提下強(qiáng)調(diào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行直接控制，省掉了矢量控制中坐標(biāo)變換等復(fù)雜計(jì)算。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能控制已經(jīng)成為現(xiàn)代控制的重要分支，智能化電氣傳動(dòng)控制也成為目前電氣傳動(dòng)的重要發(fā)展方向，開(kāi)辟了電氣傳動(dòng)技術(shù)新紀(jì)元[20]。最后用線性系統(tǒng)的各種設(shè)計(jì)理論完成系統(tǒng)的綜合。然而，永磁同步電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，不能像直流電機(jī)和異步電機(jī)那樣進(jìn)行控制。早期對(duì)永磁同步電機(jī)的研究主要集中在固定頻率供電下的電機(jī)運(yùn)行特性研究，特別是其穩(wěn)態(tài)特性和直接起動(dòng)性能的研究。但必須注意到的是，傳統(tǒng)做法中機(jī)械位置傳感器的安裝給永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)帶來(lái)了諸多缺點(diǎn)。 選題背景及意義相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)而言，基于正弦波反電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電機(jī)因其優(yōu)異的性能已日漸成為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行電機(jī)的“主流”。MATLAB仿真和實(shí)驗(yàn)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。但是永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)是整個(gè)系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(xué)位論文。為進(jìn)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(qiáng)、能夠克服非線性因素的影響等特點(diǎn)的模糊控制方法得到了越來(lái)越多的關(guān)注。 Vector Control。我國(guó)稀土資源豐富，號(hào)稱“稀土王國(guó)”，稀土永磁材料和稀土永磁電機(jī)的研究達(dá)到了世界先進(jìn)水平。由于無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以減少電機(jī)端的線路與傳感器空間，降低系統(tǒng)成本與復(fù)雜度，增強(qiáng)惡劣條件工作能力，提高了應(yīng)用的范圍[6,7]。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的電流控制方法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行特性有很大影響，必須研究不同電流控制方法時(shí)系統(tǒng)所具有的動(dòng)靜態(tài)特性[8