【正文】 di 、 qi ，獲得永磁同步電動機(jī)的高性能控制，必須對 di 和 qi 進(jìn)行解耦控制。 在 0di ? 的矢量控制方式下，狀態(tài)方程可寫為： 13 02nf qsqqrr nfP uRiiLn LTPJJ??? ????? ???? ???? ???????? ?????????? ????? ?????? （ 24） 上式即為永磁 同步電動機(jī)的解耦方程。 當(dāng)永磁體的磁鏈和交、直軸的電感確定后，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量 si ，而 si 的大小和相位又取決于 di 和 qi ，也就是說控制 di 和 qi 便可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間旋轉(zhuǎn)時(shí)， d、 q 坐標(biāo)系也在空間旋轉(zhuǎn)，故相對于轉(zhuǎn)子來說，此坐標(biāo)系是靜止的，稱為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 [6]。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 6 (2)兩相靜止坐標(biāo)系 為了簡化分析，定義一個(gè)兩相坐標(biāo)系 α,β。 表面式永磁同步電動機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種隱極式同步電動機(jī)，因?yàn)橛来挪牧系拇艑?dǎo)率十分接近空氣，所以交、直軸電感基本相同。電機(jī)定子由定子鐵心 (由沖有槽孔的硅鋼片壓疊而成 )、定子繞組 (在鐵心槽中嵌放三相電樞繞組 )。研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)模糊控制器，該控制器利用模糊控制規(guī)則，相當(dāng)于一個(gè)模糊關(guān)系存貯器。所以研究自適應(yīng)模糊控制技術(shù)在永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。雖然這些規(guī)則的自組織方法都展示了一定的自適應(yīng)能力，但從總體上來看依然存在較大的主觀性。而結(jié)合了上述模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制勢必在伺服系統(tǒng)中具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值 [3] 。對永磁同步電機(jī)的控制策略大致可分三類 。若采用感應(yīng)電動機(jī)，為滿足抽油機(jī)大起動轉(zhuǎn)矩的要求，需配置大功率的感應(yīng)電動機(jī)，而正常運(yùn)行時(shí)平均負(fù)載率較低，效率和功率因數(shù)低，造成電能的大量浪費(fèi)?？刂茖ο蟮膮?shù)變化與非線性特性，使得線性的常參數(shù)的 PID 調(diào)節(jié)器常常顧此失彼，不能使系統(tǒng)在各種工礦下都保持設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)，也就是說系統(tǒng)的魯棒性不能盡 如人意。電機(jī)本身的參數(shù) (如轉(zhuǎn)子電阻 )和拖動負(fù)載的參數(shù) (如轉(zhuǎn)動慣量 )在某些應(yīng)用場合會隨工況而變化 。若采用異步起動永磁同步電動機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)高效、高功率因數(shù)和寬廣的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍，節(jié)約大量電能。 關(guān)鍵詞 ： 永磁同步電動機(jī) (PMSM)，矢量控制， PI 控制，模糊控制，自適應(yīng) 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 2 Title Abstract Permanent mag synchronous motor because of its structure with a highenergy rare earth alloy as rivet of iron – boron, with the traditional excitation synchronous motor, PMSM have a simple structure, size and weight and high efficiency, the power factor, high power factor the low proportion of torque and inertia ,low moment of inertia, easy to turn to the amount of heat and maintenance, the advantages and its broad scope of application, especially in a demanding control the accuracy and reliability of the occasion, such as air and space, numerical control machine, processing center, such robots have been widely used in modern munication of electric motors are very important position. Firstly the development of AC speed regulation system, the control strategies used in the PMSM control system and the mathematics model of PMSM are generalized in this thesis. Then, PMSM vector control system is set up. Good performance can be achieved when the PI controller39。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩 /慣量比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于散熱、易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)因而其應(yīng)用范圍極為廣泛，在現(xiàn)代交流電機(jī)中也占有舉足輕重的地位。本文將模糊控制與傳統(tǒng) PI 控制器相結(jié)合應(yīng)用于永磁同步電動機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng) PI 控制器，用 MATLAB\SIMULINK 進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，這種復(fù)合的模糊自適應(yīng) PI 控制器較單一的傳統(tǒng) PI 控制器能夠獲得較好的控制效果。 對節(jié)能要求高的場合：在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度運(yùn)行，例如風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、普通機(jī)床等。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，非線性解禍控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、模糊控制等各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進(jìn)一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。永磁同步電動機(jī)的矢量控制可以獲得很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的性能起主要作用。 國內(nèi)外永磁同步電動機(jī)交流伺服系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)的控制策略 目前永磁同步電動機(jī)應(yīng)用最成功的場合是油田抽油機(jī)。九十年代以后，自適應(yīng) 控制理論、魯棒控制、智能控制理論、滑模變結(jié)構(gòu)控制等先進(jìn)的控制技術(shù)在 PMSM 的控制中都有了成功的應(yīng)用，盡管還存在一定的局限性。 (c)智能控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是利用自身的控制經(jīng)驗(yàn)，并從中獲取有用的信息來調(diào)整和修改模糊控 制規(guī)則或隸屬度函數(shù)達(dá)到模糊控制器的自適應(yīng)。先進(jìn)控制的實(shí)現(xiàn)通常需要足夠的計(jì)算能力作為支持，其主要技術(shù)內(nèi)容有：過程辨識技術(shù)；過程變量的采集、處理和軟測量技術(shù)；先進(jìn)控制算法，如傳統(tǒng)的串級、比值、前饋控制等和發(fā)展中的魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等以及過程的故障檢測、預(yù)報(bào)、診斷和處理。 (2)研究模糊自整定 PDI 控制在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 永磁同步電動機(jī)的分類和結(jié)構(gòu) 磁同步電動機(jī)的基點(diǎn)是用永磁體取代繞線式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。正因如此，許多交流永磁伺服電動機(jī)都采用這種外裝式結(jié)構(gòu)?？臻g電角度。此時(shí)取永磁體基波磁場的方向?yàn)?d 軸，而 q 軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前 d 軸90186。取轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?。永磁同步電動機(jī)矢量控制最終歸結(jié)為對電動機(jī)定轉(zhuǎn)子電流的控制。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定、轉(zhuǎn)子電流對矢量控制指令的準(zhǔn)確的跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定、轉(zhuǎn)子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。 永磁同步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流環(huán)等效成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，速度環(huán)為 PI 控制器其傳遞函數(shù)為 ()AS R P IG s K K s??。其最大的特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示為語言控制規(guī)則，并用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)，從而他可以不依賴于對被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控對象的參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。對所有的 u∈ U， A 和 B的交集是定義在 U 上的一個(gè)模糊集合，其隸屬函數(shù)定義如下： 永磁同步電機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法的研究 11 ? ?m in ( ), ( )A B A Buu? ? ?? ? （ 31） 對所有的 u∈ U， A 和 B 的并集是定義在 U 上的一個(gè)模糊集合，其隸屬函數(shù)定義如下： ? ?m a x ( ), ( )A B A Buu? ? ?? ? （ 32） 對所有的 u∈ U， A 和 B 的補(bǔ)集是定義在 U上的一個(gè)模糊集合，其隸屬函數(shù)定義如下： 1 ( )AAu???? （ 33） 代數(shù)和：稱 A+B 為模糊集 A 與 B 的代數(shù)和，其隸屬函數(shù)為： ( ) ( )A B A Buu? ? ?? ?? （ 34） 代數(shù)積：稱 AB? 為模糊集 A 與 B 的代數(shù)積，其隸屬函數(shù)為： ( ) ( )AB A Buu? ? ?? （ 35) （ 2）隸屬函數(shù) 隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學(xué)中的重要概念，它決定著模糊集的模糊性。 基本模糊控制 器 基本模糊系統(tǒng)是由模糊器、模糊規(guī)則庫、模糊推理機(jī)、模糊解除器組成，如圖 31所示： 模 糊 規(guī) 則 庫模 糊 器模 糊 推 理 機(jī) 模 糊 解 除 器 圖 31 模糊邏輯系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 模糊器是由一實(shí)值點(diǎn) x? ∈ U∈ nR 向 U 上的模糊集 A 的映射。當(dāng)給定 U 上的一個(gè)模糊集合 A? ,如果用乘積推理機(jī)，則 V 上的模糊集合 B? 為 : 1 1( ) m a x s u p( ( ) ) ( ) ( )linMB A i BAI xU iy x x y? ? ? ?? ? ???? ????? (315) 如果用最小推理機(jī)，則 V 上的模糊集合 B? 為 : 1( ) m a x su p m in ( ( ) , ( ) ( ) , ( ) )lliiMB A i BAAl xUy x x x y? ? ? ? ?? ?? (316) 乘積推理機(jī)和最小值推理機(jī)的缺陷在于：如果 ()li iA x?(x∈ R)非常小，則得到的()By? 也非常小，可以用 Lukasiewicz 推理機(jī)， Zadeh 推理機(jī)或 Dienes－ Rescher 推理機(jī)解決這個(gè)問題。 (1)精確量的模糊化 模糊控制器進(jìn)行工作的是語言變量，它以自然語義的形式出現(xiàn)，而系統(tǒng)給出的是精確量，因此在送入模糊控制器處理之前，必須進(jìn)行模糊化處理。 設(shè) 控 制 的 真 實(shí) 論 域 為 ? ?max max,uu? ， 模 糊 集 合 論 域 為? ?, 1 , , 0 ,1 , 1 ,Z n n n n? ? ? ? ?, ? ?, 1 , , 0 ,1 , , 1 ,Y n n n n? ? ? ? ?,n 為在 maxu? 間控制量化分成的檔數(shù)，定義比例因子為： maxu uk n? (322) 有了比例因子 uk ，知道了量化等級 n，就可以確定控制精確量 u，即 i u iu kn? 常用的判別方法有最大隸屬度法、中心平均法等方法。在這個(gè)基本的模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)需要組建更先進(jìn)的模糊控制系統(tǒng) [8] 。因此，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大量采用的仍然是 PI 算法， PI 參數(shù)的整定方法很多，但大多數(shù)都以對象特性為基礎(chǔ)。 其設(shè)計(jì)思想是先找出 PI控制系統(tǒng)與參考值之間的偏差 e和偏差變化率 e 之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測偏差 e 和偏差變化率 e ，再根據(jù)模糊控制推理來對兩參數(shù)進(jìn)行在線修改，以 滿足在不同偏差 e 和偏差變化率 e 時(shí)對控制參數(shù)的不同要求。 PI 參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻 2 個(gè)參數(shù)的作用及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。i i ik k k? ?? 式中 pk 、 ik ：為原來先整定好的 PI 參數(shù)， pk? 、 ik? 為模糊控制器的輸出，根據(jù)被控制對象的狀態(tài)自動調(diào)整 PI 參數(shù)的取值 [9][10] 。切換式模糊 PI 控制，結(jié)合了PI 控制在局域控制范圍內(nèi)精度高的特 點(diǎn)，而模糊控制本身為非線性控制，有較好的魯棒性，而且對電機(jī)的非線性特性和參數(shù)的變化有很強(qiáng)的適應(yīng)能力的特點(diǎn)。 電流控制器輸出限幅值取電動機(jī)相電壓的電壓峰值，速度控制器其限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。而且交接點(diǎn)選擇和調(diào)整對系統(tǒng)的性能有很大影響。 pk 、 ik 的模糊規(guī)則見上表。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 22 表 42 pk 模糊規(guī)則表 pu EC NB NM NS ZO PS PM PB E NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS Z PM PM PS ZO NS NM NM PS PS PS ZO NS NS NM NM PM PS ZO NS NM NM NM NB PB ZO ZO NM NM NM NB NB 表 43 ik 模糊規(guī)則表 iu EC NB NM NS ZO PS PM PB E NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS NS ZO ZO NS NB NM NS NS ZO PS PS Z NM NM NS ZO PS PM PM PS NM NS ZO PS PS PM PB PM ZO ZO PS PS PM PB PB PB ZO ZO