【正文】 )控制控制方法是控制交、直軸電流分量，保持永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)恒為1的控制方法。假定在某坐標(biāo)系下的某電路的電壓和電流向量分別為和，在新的坐標(biāo)系下，電壓和電流向量變成了和，其中 ， ()而 ， ()定義新相量與原向量的坐標(biāo)變換關(guān)系為： ()假設(shè)變換前后功率不變，則 ()將式()代入式()有： 因此 ()式()就是在功率不變條件下變換矩陣的關(guān)系。的兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢。忽略磁路飽和、磁滯和渦流的影響；(2) 定子通入三相對稱正弦波電流時，氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢而沒有高次諧波；(3) 永磁磁極在氣隙中產(chǎn)生的磁勢為正弦分布，也無高次諧波，即定子的空載電勢為正弦波；(4) 不計(jì)鐵心損耗。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子可以按其永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置分為兩類：凸極式和隱極式，(a)(b)所示[1]。借助于坐標(biāo)變換，使得各個物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，然后，從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角度來考察，電動機(jī)的各個空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標(biāo)系上的各個空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式的幾種形式，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量的各個分量之間的關(guān)系，實(shí)時的計(jì)算出轉(zhuǎn)矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。（4）無位置傳感器技術(shù)的起動和低速運(yùn)行問題。利用智能控制的非線性、變結(jié)構(gòu)、自尋優(yōu)等各種功能來克服交流驅(qū)動系統(tǒng)變參數(shù)與非線性等不利因素，可以提高系統(tǒng)的魯棒性[25~27]。但滑模變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性使其實(shí)際系統(tǒng)中抖振必定存在且無法消除，從而其應(yīng)用受到了限制。轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)包括一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)。（2）矢量控制由德國學(xué)者Blaschke于1971年提出的矢量控制理論使交流電機(jī)控制由外部宏觀穩(wěn)態(tài)控制深入到電機(jī)內(nèi)部電磁過程的瞬態(tài)控制，從而使得永磁同步電機(jī)的控制性能得到了本質(zhì)的提高。（3）人工智能技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)典或者現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的控制策略都依賴于電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)模型參數(shù)變化時，想獲得優(yōu)良的控制性能是研究人員面臨的重要課題。（1）電機(jī)數(shù)學(xué)模型分析方法的發(fā)展永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)控制精度，非線性系統(tǒng)狀態(tài)反饋線性化理論被逐步引入到電機(jī)控制中來，但由于該方法理論的復(fù)雜性，限制了它在電機(jī)控制系統(tǒng)中的推廣和應(yīng)用。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)定子繞組中感應(yīng)電動勢不斷增加，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到一定程度時，由于逆變器容量恒定，其輸出電流將不能跟蹤電流給定，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，性能變差。本文設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)，采用滑模觀測器計(jì)算轉(zhuǎn)速，用矢量控制的策略在傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上引入模糊控制方法，并在MATLAB/ SIMULINK下建立仿真模型來分析永磁同步驅(qū)動系統(tǒng)的各方面性能，然后基于DSP實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試，達(dá)到了比較理想的效果。高性能永磁同步電機(jī)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(jī)傳動系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的需要，一般來說必須實(shí)時的知道永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置以及速度并實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制。尤其是標(biāo)志著一個國家工業(yè)實(shí)力的高精機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等對其“驅(qū)動源”提出了越來越高的要求。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(jī)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。不保密。碩士學(xué)位論文碩士學(xué)位論文基于模糊控制的永磁同步電機(jī)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(jī)無位置傳感器驅(qū)動系統(tǒng)碩士學(xué)位論文湖 南 大 學(xué)學(xué)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(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。在______年解密后適用本授權(quán)書。第一部分工作建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)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。 DSP目 錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)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(jī)的控制原理 7 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 7 8 永磁同步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的模型 8 坐標(biāo)變換 9 永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 11 永磁同步電機(jī)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(jī)模糊PI控制 32 模糊控制的基本原理 32 模糊控制主要特點(diǎn) 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(jì) 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(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 40 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 40 系統(tǒng)主回路設(shè)計(jì) 40 系統(tǒng)控制電路的組成 43 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn) 48 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 49 電機(jī)低速運(yùn)行 50 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行 51 突加負(fù)載實(shí)驗(yàn) 53 本章小結(jié) 54結(jié) 論 55參考文獻(xiàn) 57致 謝 61附錄A 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 62碩士學(xué)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(jìn)步，電機(jī)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(jī)械工具和一般消費(fèi)品。隨著永磁材料性能和電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高，現(xiàn)代控制理論、微機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)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(jī)理論分析、設(shè)計(jì)和控制策略中不斷出現(xiàn)有待進(jìn)一步深入研究的新課題[3,4]。對于遭遇技術(shù)瓶頸和國外技術(shù)封鎖的國內(nèi)高性能交流驅(qū)動技術(shù)及產(chǎn)品來說，研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的交流控制技術(shù)，尤其是最具有應(yīng)用前景的永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制技術(shù)，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。為了滿足實(shí)際需要，在額定轉(zhuǎn)速以下電機(jī)按恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，以盡快加速到額定轉(zhuǎn)速；在額定轉(zhuǎn)速以上，電機(jī)滿容量下按恒功率運(yùn)行。隨著新型電力電子器件的出現(xiàn)、DSP技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的運(yùn)用，永磁同步調(diào)速系統(tǒng)的研究出現(xiàn)了一些新的方向，主要包含以下幾個方面[17]。自適應(yīng)控制技術(shù)是指在一定的數(shù)學(xué)模型、確定的算法下，可以在系統(tǒng)運(yùn)行情況變更時自動辯識系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，修改系統(tǒng)運(yùn)行程序，以期改善系統(tǒng)在控制對象和運(yùn)行條件發(fā)生變化時的控制性能。恒壓頻比控制依據(jù)的是電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，不能控制電機(jī)動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩，從而導(dǎo)致動態(tài)控制性能不夠理想，目前永磁交流驅(qū)動系統(tǒng)基本上不采用這種早期的控制模式。其中，轉(zhuǎn)子磁鏈子系統(tǒng)包括兩個慣性環(huán)節(jié)。在過去十多年里，將滑模變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用于交流傳動一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并已取得了一些有效的成果。在復(fù)雜系統(tǒng)中，智能控制還具有分層信息處理和決策的功能。電機(jī)系統(tǒng)中傳感器的存在阻礙了電機(jī)向高速化、小型化發(fā)展。因此，矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁材料組成，如鐵釹硼等，這樣的永磁稀土材料具有很大的剩磁和矯頑力，加上它的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率相仿，對于徑向結(jié)構(gòu)的電動機(jī)交軸和直軸磁路磁阻都很大，可以在很大程度上減少電樞反應(yīng)。為了建立永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通常先做如下假設(shè)：(1) 認(rèn)為磁路是線性的，可以用疊加原理進(jìn)行分析。通以時間上相差90186。故坐標(biāo)變換的目的就是計(jì)算得出與、以及、三者之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系。(1)控制控制又叫磁場定向控制，這是一種比較簡單的電流矢量控制方法[33]，該方法電流算法的計(jì)算量小，很適合以普通單片機(jī)為主控單元；另外，使用該方法不存在電樞反應(yīng)對永磁電動機(jī)的去磁問題，而且具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩控制特性，因此許多小功率的永磁同步電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)都采用的控制方法。換句話說，他勵直流電動機(jī)可以通過降低勵磁電流而弱磁擴(kuò)速。一般情況下，為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，通?？刂?0，則電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流的關(guān)系如式()，此時，即電磁轉(zhuǎn)矩僅與電樞電流成正比，三相永磁同步電動機(jī)在=0的情況下d、q軸電流分量得到了很好的解耦控制，此時三相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型就類似于他勵直流電動機(jī)。d軸電流分量為 () 空間電壓矢量調(diào)制原理脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的思想是德國的A．Schonung等人在1964年率先提出的。電動機(jī)的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標(biāo)系。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運(yùn)動軌跡的形狀問題。這八個矢量和就稱為基本電壓空間矢量，根據(jù)其相位角的特點(diǎn)分別命名為、和。當(dāng)矢端移動到B點(diǎn)后，如果此時將單獨(dú)輸出的基本電壓空間矢量改為為的輸出，則定子磁鏈?zhǔn)噶康氖付艘蚕鄳?yīng)由B點(diǎn)改為C點(diǎn)，即完成了從B點(diǎn)到C點(diǎn)的移動。其中和分別代表和的作用時間，是作用時間。 不同扇區(qū)時用X、Y和Z表示的和的值從前面的分析可知，確定位于哪個扇區(qū)是非常重要的，因?yàn)橹挥兄牢挥谀膫€扇區(qū)，我們才能知道用哪一對相鄰電壓空間矢量去合成。 （2）機(jī)械傳感器的使用增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，使系統(tǒng)易受干擾，降低了可靠性。根據(jù)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了永磁同步電機(jī)無位置傳感器控制策略，應(yīng)用滑模觀測器方法來估算轉(zhuǎn)子的位置和速度，不需要準(zhǔn)確地知道電機(jī)參數(shù)。在VSS中，控制量在整個反饋控制過程中取為狀態(tài)量的一種非連續(xù)函數(shù)，通過一個開關(guān)按一定的法則從一個函數(shù)切換到另一個函數(shù)。其目的是使系統(tǒng)運(yùn)動達(dá)到和保持一種預(yù)定的滑動模態(tài)。 切換面示意圖在切換面上的運(yùn)動點(diǎn)有三種情況：一般點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)動點(diǎn)RP(Representative Point)運(yùn)動到切換面s=0附近時，穿越此點(diǎn)而過（點(diǎn)A）； 起始點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)動點(diǎn)到切換面s=0附近時，從切換面的兩邊離開（點(diǎn)B）；終止點(diǎn)：系統(tǒng)運(yùn)動點(diǎn)到切換面s=0附近時，從切換面的兩邊趨向于該點(diǎn)（點(diǎn)C）。這樣，處于滑模運(yùn)動的系統(tǒng)就具有很好的魯棒性。至于誤差帶E的選取，需要根據(jù)不同的電機(jī)實(shí)際測試確定，[46]。F和G由電機(jī)參數(shù)確定，為滑模系數(shù)，為濾波截止頻率（Hz）。 定子電流iabc dq軸電流id、iq 電磁轉(zhuǎn)矩Te 實(shí)際轉(zhuǎn)速n、估計(jì)轉(zhuǎn)速n* 轉(zhuǎn)子電角度θ、θ* 轉(zhuǎn)子電角度θ、θ*()本文所用控制策略為定子電流最優(yōu)控制，、：（1）開環(huán)恒轉(zhuǎn)矩起動段：初期（）短暫的大電流恒轉(zhuǎn)矩帶負(fù)載起動，迅速從0rpm加速到3200rpm，采用最大轉(zhuǎn)矩/電流控制，對于本實(shí)驗(yàn)所用隱極電機(jī)來說就相當(dāng)于id=0控制。而實(shí)際工業(yè)控制過程中經(jīng)常會遇到大滯后、時變、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。若把操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)出來，就是一種定性的、不精確的控制規(guī)則，再用模糊數(shù)學(xué)將其定量化就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論[48]。模糊控制系統(tǒng)無論被控對象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。 模糊控制器原理圖模糊控制器通常由模糊化接口、知識庫、推理機(jī)和精確化（反模糊化）組成[51]。若能夠保證專家知識的準(zhǔn)確度，那么，規(guī)則條數(shù)越多，規(guī)則庫的準(zhǔn)確度就越高[52]。通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)定義為模糊控制器的維數(shù)。本文中輸出變量、亦為{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}選擇輸入量e，ec隸屬度函數(shù)為高斯型(gaussmf)，其中e的中間密以增加其穩(wěn)態(tài)精度；輸出、的隸屬度函數(shù)為三角形(trimf)。但在實(shí)際使用中，特別是在模糊控制中，必須要有一個確定的值才能去控制或驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而速度環(huán)PI控制器e和ec選取[100，+100]、[500，+500]，輸出變量、為[，]、[，]。仿真結(jié)果如下： 定子電流iabc dq軸電流id、iq 電磁轉(zhuǎn)矩Te 實(shí)際轉(zhuǎn)速n、估計(jì)轉(zhuǎn)速n*對比第三章所對應(yīng)圖可以看出，采用模糊PI控制器后轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動小，系統(tǒng)魯棒性得到加