【文章內容簡介】 出發(fā)設計的控制器往往其可靠性得不到保證，如何結合現(xiàn)在控制理論的發(fā)展，采用先進的控制策略，改進控制器的性能 具有一定的理論和工程實際意義。 本文內容安排如下： 第 1 章 ： 緒論， 對 交流伺服系統(tǒng) 及其發(fā)展 過程 和趨勢，以及控制策略 的 作了綜述 ，然后介紹了 本文 研究 的目的和意義 。 第 2 章 ： 介紹了 PMSM 的結構及其各種坐標下的數學模型。 第 3 章：介紹了交流伺服系統(tǒng)的控制方案，首先 在 PMSM 數學模型的基礎上，對矢量控制的原理進行 推導，確定 了 伺服控制方案 ，設計了 三個閉環(huán)的控制器 ， 其中位置環(huán)和速度環(huán)采用滑模變結構控制方法，位置環(huán)采用 PI 控制方法。 第 4 章 ： 對系統(tǒng)在 MATLAB 下進行仿真，驗證了整個控制系統(tǒng)的可行性。 第 5 章：介紹了 系統(tǒng)的硬件電路設計。包括：主功率電路、位置速度檢測電路、采樣電路、 A/D 轉換電路、保護電路和電源電路等。 第 6 章 ： 介紹了 系統(tǒng)的軟件設計。包括：主程序、 T1 中斷程序、鍵盤處理顯示程序、 SVPWM 程序和 FPGA 模塊設計等。 第 7 章 ： 最后總結了本文的工作，并對下一步的工作進行展望。 7 第 2 章 PMSM 的結構和數學模型 PMSM 的結構 永磁同步電動機的轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。因此，當轉子旋轉時，在定子上產生的反電動勢波形也有兩種：一種為正弦波；另一種為梯形波（方波）。因此，永磁同步電機可分為正弦波永磁同步電機（ PMSM）和方波永磁同步電機。方波永磁同步電機也稱為直流無刷電機（ BLDCM）。本文中所說的永磁同步電機均是指正弦波永磁同步電機。 永磁同步電機 結構 可分為永磁同步電機定子結構與普通同步電機相比，差別不大，由三相電樞繞組和鐵心構成，且三相電樞繞組通常按星形連 接。 在定子空間上三相對稱繞組通入時間上對稱的三相電流就會產生一個空間旋轉磁場，旋轉磁場的同步轉速 n 為： psnfn 60? （ 21） 式中 n 是同步轉速， f 為定子電源頻率， pn 為永磁同步電動機的極對數。 其 轉子采用永磁體，省去了勵磁繞組、滑環(huán)和電刷，電機結構顯得比較簡單。永磁同步電機需要安裝轉子位置檢測器，用于檢測轉子磁極位置，對電樞電流進行控制，從而控制永磁同步電機。永磁同步電機常用的轉子位置檢測器有旋轉變壓器或光電編碼器，與轉子同軸安裝。 圖 2l 給出了 PMSM 的結構圖。 圖 21 永磁同步電機的結構 ( a ) 永磁同步電機結構圖NSABBCCA定子轉子定子繞組( c ) 隱極式( b ) 凸極式磁性材料轉子定子 8 PMSM 的數學模型 一、 坐標變換 為了消除交流電動機數學模型中定、轉子繞組間的時變電感， 需 進行坐標變換， 簡化數學模型的結構，以利于問題的求解?，F(xiàn)代交流調速系統(tǒng)發(fā)展了多種形式的參考坐標系 ： CBA ?? 坐標系、 ??? 坐標系、 qd? 坐標系 ，及 MT 坐標系 ： 三相定子坐標系 ( CBA ?? 坐標系 ) 永磁同步電機的三相定子繞組在空間上互差 120176。，沿其軸線分別定義為A 、 B 、 C 軸，則構成了一個 CBA ?? 坐標系。 兩相靜止坐標系 ( ??? 坐標系 ) 該坐標系是一個在空間具有相對固定不動正交軸線的坐標系統(tǒng)，不隨轉子旋轉而轉動，屬于靜止坐標系。它放在電機定子上， ? 軸與 A 相重合， ? 軸超前 ?軸 90176。電角度。采用兩相等效正交繞組來代替三相繞組，實現(xiàn)三相定子繞組之間互感的解耦，可以起到簡化電機數學模型的作 用。 兩相旋轉坐標系 ( qd? 坐標系 ) 該坐標系固定在電機轉子上，其 d 軸與轉子磁極軸線重合， q 軸逆時針超前d 軸 90176。， d 軸與 ? 軸之間的夾角為 ? (電角度 )。該坐標系和轉子一起在空間以轉子速度旋轉，故相對于轉子來 說，此坐標系是靜止的，又稱為同步旋轉坐標系。 定向坐標系（ MT 坐標系） 該的 M 軸固定在定向的磁鏈矢量上， T 軸超前 M 軸 90176。，該坐標系和磁鏈矢量一起在空間同步旋轉，由于 M 軸位于磁鏈軸上，又稱為定向磁鏈軸，而和M 軸垂直的 T 軸上的定子電流分量只產生電磁轉矩，又稱為轉矩軸。 前三種坐標系的關系 如 圖 22 所示 NSβαdCqBAθω 圖 22 常用的三種坐標系及其關系 ??? 坐標系轉變?yōu)?qd? 坐 標系，稱為 Park 變換。變換 及 其逆變換公式為： 9 Park 變換： ?????????????????????????? FFFFeeeeqd c oss ins inc os （ 22） Park 逆變換： ???????????? ????????qdeeee FFFF ? ????? c oss ins inc os （ 23） CBA ?? 坐標系轉變?yōu)???? 坐標系，稱為 Clark 變換。變換 及其 逆變換公式為： Clark 變換：????????????????????????????????cbaFFFFF232302121132?? （ 24） Clark 逆變換：????????????????????????????????????????FFFFFcba232123210132 （ 25） 由于在轉子磁場定向坐標系中， M 軸是定向在轉子磁鏈 f? 上，并與它同步旋轉，即 M 軸的軸線與轉子的幾何軸線 d 軸重合 [11]。所以在轉子磁場定向控制中， MT 軸和 qd? 軸系重合， PMSM 在兩坐標系中的數學 模型完全相同。 為了分析方便，得到簡化的 PMSM 數學模型，我們認為 PMSM 是理想電機，假設： [12][13] （ 1）不考慮 漏磁通 、磁飽和現(xiàn)象 的影響 及電機的凸極效用 ；氣隙分布均勻，各相繞組的電感和轉子的位置無關； （ 2） 定子各相繞組的電樞電感值 及各 相繞組的 電阻值 相等 ，分別用 L1 及RS 表示； （ 3） 轉子磁鏈在氣隙中呈正弦分布，轉子磁鏈在各繞組中的交鏈分別為： ??????????)()()(eCreBreAr?????? =f?????????????)3/4cos()3/2cos()cos(?????eee （ 26） 其中 f? 為轉子磁鏈的幅值， e? 為空間電角度， )( eAr ?? ， )( eBr ?? ， )( eCr ?? 為轉子磁鏈在 A， B， C 相繞組中產生的交鏈。 二、 三相定子坐標系中的數學模型 PMSM 三相定子繞組 的 電壓回路方程 為 ： 10 ??????????CBAuuu ＝??????????SSSRRR000000??????????CBAiii ＋p??????????CBA??? （ 27） 其中 Au 、 Bu 、 Cu 為各相定子繞組的端電壓， SR 為電樞繞組電阻， Ai 、 Bi 、Ci 為各相繞組電流， p 為微分算子 dtd/ ， A? 、 B? 、 C? 為各相繞組的總磁鏈 。 PMSM 磁鏈方程 如下 ： ??????????CBA??? ＝??????????)()()()()()()()()(eCCeCBeCAeBCeBBeBAeACeABeAALMMMLMMML???????????????????CBAiii ＋??????????()()(eCreBreAr?????? （ 28） )( eXYM ? 為各相繞組間的互感 ， )( eXXL ? 為各相繞組的自感。 根據假設 的第二條有： )(11 eL ? ＝ )(22 eL ? ＝ )(33 eL ? ＝ 1L ， )(12 eM ? ＝ )(13 eM ? ＝ )(21 eM ? ＝ )(23 eM ? ＝ )(31 eM ? ＝ )(32 eM ? ＝ 1M ， 設 L ＝ 1L － 1M ， 而 Ai ＋ Bi ＋ Ci ＝ 0， 由 （ 26） 可 得 ??????????CBAuuu ＝????????????????pLRpLRpLRSSS000000??????????CBAiii －e? . f?????????????)3/4sin()3/2sin()sin(?????eee （ 29） 三、靜止坐標系中 坐標系下的數學模型 由 Clark 變換 可以得到 PMSM 在兩相定子坐標系中的電壓回路方程 ： uu????????＝ ?????? ???? pLRpLRSS 0 0????????II ＋ 23 f? e? ??????? )cos( )sin(ee?? （ 210） 其中 u? 、 u? 為兩相定子坐標系 ? 、 ? 軸電壓， SR 為電機 ? 、 ? 軸電阻， L為兩相定子坐標系下的定子繞組的電感， p 為微分算子， ?I 、 ?I 為 ? 、 ? 軸電流 。 四、旋轉坐標系中 坐標系下的數學模型 由 Park 變換 可以得到 PMSM 在旋轉坐標系中的電壓回路方程： dquu??????＝ ?????? ??????? pLRL LpLRdSsdsddS ? ???????qdII ＋ 23 f? r? ?????? ??? )cos( )sin( ?? （ 211） 其中 r? 是轉子的轉速 ， s? 是旋轉坐標系的轉速， ?? 是 qd? 坐標和轉子直軸的夾角。當 qd? 軸的 s? ＝ r? 時， PMSM 的 電壓回路方程在 qd? 坐標系 中為 ： dquu??????＝ ?????? ??????? pLRL LpLRdSrdrddS ? ???????qdII ＋ 23 f? r? ??????10 （ 212） 11 定子磁鏈方程： ?????????????????????????? 100 0 fqdqdqd iiLL ??? （ 213） 電磁轉矩方程 ： eT =32nP （ qdi? － dqi? ） = 3 [ ( ) ]2 n f q d q d qP i L L i i? ?? （ 214） 機械運動方程： e e L edJ T T Bdt? ?? ? ? （ 215） eT 為電機電磁轉矩； LT 為電機負載轉矩； J 為轉動慣量； B 為阻尼系數[14]。 由于 f? 是轉子勵磁磁鏈為恒值，所以 0fp? ? ，結合（ 212） 、 （ 213）得： d s d d d e q qu R i L pi L i?? ? ? （ 216）