【導(dǎo)讀】應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航空航天等領(lǐng)域。度成為永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的迫切要求。本文研究永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)。一方面，采用空間電壓。仿真結(jié)果證明了該系統(tǒng)模型具有很好的靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能。合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了PI控制器的在線自調(diào)整。進(jìn)一步完善了PI控制器的性能，永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕、損。而這些機(jī)械采用永磁電機(jī)則可獲得比普通電機(jī)高得多的效。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍窄，造成大量的電能浪費(fèi)。若采用永磁電機(jī)，部分設(shè)備可適當(dāng)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率之間有嚴(yán)格的固定關(guān)。PI控制器和自適應(yīng)的模糊控制策略。很高的性能，該系統(tǒng)中控制器的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的性能起主要作用。出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。積分控制規(guī)律又稱無(wú)差控制。在串聯(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)。環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。

　　

【正文】 是先找出 PI 控制系統(tǒng)與參考值之間的偏差和偏差變化 率 之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)偏差和偏差變化率，再根據(jù)模糊控制推理來(lái)對(duì)兩參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同偏差和偏差變化率時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮， pk 、ik 的作用如下。 （ a）比例系數(shù) pk 的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。pk 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 pk 取值過(guò)小，會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)特性變壞。 （ b）積分作用系數(shù) ik 的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤 差。 ik 越大，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 ik 過(guò)大，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。 ik 過(guò)小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 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。模糊自整定 PI 是在 PI 算法的基 礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)偏差和偏差變化率，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。模糊控制的核心是總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，建立核實(shí)的模糊規(guī)則表，得到針對(duì) pk 、 ik 2 個(gè)參數(shù)分別整定的模糊控制表。 （ 1） pk 的模糊控制規(guī)則表如表 41 所示。 （ 2） ik 的模糊控制規(guī)則表如表 42 所示。 表 41 pk 的模糊控制規(guī)則表 ec pk? e NB NM NS ZO PS PM PB NB PB PB PM PM PS ZO ZO NM PB PB PM PS PS ZO NS NS PM PM PM PS ZO NS NS ZO 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 42 ik 的模糊控制規(guī)則表 ec ik? e NB NM NS ZO PS PM PB NB NB NB NM NM NS ZO ZO NM NB NB NM NS ZO ZO NS NS NB NM NS NS ZO PS PS ZO 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 PS PM PM PB PB 將系統(tǒng)誤差和誤差變化率變化范圍定義為模糊集上的論域。其模糊子集? ?PBPMPSZONSNMNBee ,, ?? ,子集中的元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。 e 、 ?e 和 pk 、 ik 可服從三角形或正態(tài)分布形隸屬函數(shù)曲線，因此可得出各模糊子集的隸屬度，根據(jù)模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì) PI 參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算： ppp kkk ??? iii kkk ??? 式中， pk 、 ik 為原來(lái)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(duì)象的狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整 PI 參數(shù)的取值。 第五章 永磁同步電機(jī)的控制及仿真 永久磁鐵勵(lì)磁的 同步電機(jī)具有體積小、重量輕、效率高、轉(zhuǎn)子無(wú)發(fā)熱問(wèn)題、控制較異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。從而永磁同步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于千瓦級(jí)以下的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中。矢量控制具有動(dòng)態(tài)的高速響應(yīng)、低頻轉(zhuǎn)矩增大和控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，并能廣泛應(yīng)用于定位控制或大范圍調(diào)速系統(tǒng)中。 本章主要任務(wù)是對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，采用兩種仿真模型：一種是基于傳統(tǒng)線性 PI 調(diào)節(jié)器的仿真模型，另一種是基于自適應(yīng)模糊 PI 控制器的仿真模型。通過(guò) SIMULINK/MATLAB 搭建仿真模型并進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果，總結(jié)兩種調(diào)速系統(tǒng)的性能。 雙閉環(huán) PI 調(diào)速系統(tǒng) 電壓空間矢量 電機(jī)輸入三相正弦電壓的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。直接針對(duì)這個(gè)目標(biāo)，把逆變器和異步電機(jī)視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)控制 PWM 電壓，這樣的控制方法稱為“磁鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以又稱“電壓空間矢量 PWM 控制”。 在變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)有三相 PWM 逆變器供電，這時(shí)，供電電壓和三相對(duì)稱正弦電壓有所不同。為使電動(dòng)機(jī)對(duì)稱工作，必須三相同時(shí)供電，即在任一時(shí)刻一定有處于不同橋臂下的三個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，而相應(yīng)橋臂 的另外三個(gè)功率器件則處于關(guān)斷狀態(tài)。這樣從逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，功率器件共有八個(gè)工作狀態(tài) (見(jiàn)表 51)，即 表 51 逆變器的 8 種工作狀態(tài) 工作狀態(tài)（數(shù)字量） 向 量 US VS WS 1 0 0 1V 1 1 0 2V 0 1 0 3V 0 1 1 4V 0 0 1 5V 1 0 1 6V 1 1 1 7V 0 0 0 8V 對(duì)于每一個(gè)工作狀態(tài)，逆變器供給交流電動(dòng)機(jī)的三相電壓都可用一個(gè)空間向量表示。由于逆變器直流側(cè)輸入電壓恒定，且三相對(duì)稱工作，所以三相相電壓的幅值相等，在空間相位上互差 ?60 。因此在任一工作狀態(tài)下 電壓空間向量的大小一樣，僅是相位不同而已。如以 621 VVV 、 ? 依次表示101100 、 ? 六個(gè)有效工作狀態(tài)的電壓空間向量，它們的相互關(guān)系如圖 51，讓六個(gè)向量都從原點(diǎn)出發(fā)，則形成一個(gè)六角星。至于 111 和 000 兩個(gè)無(wú)意義的狀態(tài)，可分別冠以 87 VV和 ，稱作零向量。它們的大小為零，也無(wú)相位，可認(rèn)為坐落在六角星的 原點(diǎn)上。 圖 51 的 6 個(gè)電壓空間向量把整個(gè)平面分成 6 個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)所占的時(shí)間相位為 ?60 。現(xiàn)在就要在每個(gè)扇區(qū)利用某些電壓空間向量線性組合的方法產(chǎn)生一些新的電壓向量，它們的幅值都和原有向量的幅值相等，而相位卻不一樣。例如，在扇區(qū) 1 中，希望過(guò) ZT 時(shí)間后能獲得一個(gè)新的電壓空間向量 rV ，且 1VVr ? ，如圖 52 所示。圖中時(shí)間 ZT 用 ? 電角度表示。 rV 可以由部分 1V 和 2V 的矢量和得到。從物理意義上說(shuō)，“部分 1V ”表示 1V 作用的時(shí)間1t 小于 ?60 ，因而積分后產(chǎn)生的磁鏈較小。同樣， 2V 作用的時(shí)間 2t 也小于 ?60 。 根據(jù)磁鏈不變的要求，可得 zrTVtVtV ?? 2211 變換到直角坐標(biāo)系中來(lái)表示，得 ?????????????? ????????? ??s i nc os60s i n 60c os01 21 ATUtUt zss 式中， rVA? ，并令 MUAS23?。這里 M 為調(diào)制度。 求解上式可得 圖 51 六角星形電壓空間向量 1V 的作用時(shí)間： ? ????? 60sin1 MTt z 2V 的 作用時(shí)間： ?sin2 MTt z? 而 0V 的作用時(shí)間： 2187 ttTtt z ???? PI 調(diào)速系統(tǒng)的仿真模塊 (1)坐標(biāo)變換模塊 三相永磁同步電機(jī)矢量控制的基本思想是把交流電機(jī)當(dāng)成直流電機(jī)來(lái)控制，即模擬直流電機(jī)的控制特點(diǎn)進(jìn)行永磁同步電機(jī)的控制。為簡(jiǎn)化感應(yīng)電機(jī)模型，可將電機(jī)三相繞組電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)按平面矢量的疊 加原理進(jìn)行合成和分解，使得能夠用兩相正交繞組來(lái)等效實(shí)際電動(dòng)機(jī)的三相繞組。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大大減小。 矢量控制中用到的變換有：將三相平面坐標(biāo)系向兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換（ Clarke 變換）和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系的變換 （ Park 變換）。由坐標(biāo)變換公式： ???????????????? ?????????? qdiiii ?? ???? c oss in s inc os ??????????????????????????????????????cbaqdiiiii??????????c os2 3s i n21c os2 3s i n21s i ns i n2 3c os21s i n2 3c os21c os32 坐標(biāo)變換矩陣的 MATLAB 實(shí)現(xiàn)如圖 51 和圖 52 所示。 圖 51 abcdq 變換 (2)SVPWM 模塊 SVPWM 主要是使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)，當(dāng)電機(jī)通以三相對(duì)稱 的正弦電壓時(shí)，交流電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生圓形磁鏈并以此磁鏈為基準(zhǔn)，通過(guò)逆變器功率器件的不同開(kāi)關(guān)模式產(chǎn)生有效矢量來(lái)逼近基準(zhǔn)圓，并產(chǎn)生三相互差 120176。電角度的接近正弦波的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 SVPWM 信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)制，需要需要電壓矢量 aU 和 bU 以及開(kāi)關(guān)周期 T 作為輸入， SVPWM 實(shí)現(xiàn)的模塊圖如圖 53 所示。 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下： ① 扇區(qū)選擇 該模塊的結(jié)構(gòu)如圖 54 所示 圖 52 dqαβ 變換 53 SVPWM 模塊 此子模塊完成扇區(qū)選擇的功能，采取如下算法編制： 根據(jù) ?U 和 ?U 的關(guān)系，當(dāng) 0??U 時(shí) 1?A ，否則 0?A ；當(dāng) 03 ?? ?? UU時(shí) 1?B ，否則 0?B ；當(dāng) 03 ?? ?? UU 時(shí) 1?C ，否則 0?C 。取 CBAN 42 ??? 。 ② 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間 逆變器各開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間是隨著電壓矢量的位置變化而變化的，兩相鄰 矢量的導(dǎo)通時(shí)間用 1T 、 2T 表示，如表 51。 表 51 不同扇區(qū)的 1T 、 2T 值 扇區(qū) 1 2 3 4 5 6 1T z y z x x y 2T y x x z y z 表中 x、 y、 z 的計(jì)算公式如下： dUTUx ?3? ? ?dUTUUy 233 ?? ?? ? ? dUTUUz 233 ?? ??? 式中， dU 為逆變器直流母線的電壓。 仿真模塊實(shí)現(xiàn)如下圖所示。 圖 54 扇區(qū)選擇模塊 圖 56 中含有飽和判 斷，即若 TTT ?? 21 ，則取 ? ?2111 TTTTT ?? ? ?2122 TTTTT ?? ③ 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)刻 根據(jù)不同的扇區(qū)，按照下表對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，表中 1cmT 、 2cmT 、 3cmT 分別表示逆變器三相橋臂功率器件的導(dǎo)通時(shí)刻。其中， ? ?421 TTTTa ??? 圖 56 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)間 圖 55 計(jì)算 x、 y、 z 21TTTab ?? 22TTTbc ?? 表 52 導(dǎo)通時(shí)刻 扇區(qū) 1 2 3 4 5 6 1cmT bT aT aT cT cT bT 2cmT aT cT bT bT aT cT 3cmT cT bT cT aT bT aT 仿真模塊如圖 57 所示。 ④ SVPWM 模塊的輸出 利用三角載波和 1cmT 、 2cmT 、 3cmT 的值進(jìn)行調(diào)制即可得到 SVPWM 的輸出序列。該模塊如圖 58 所示。 圖 57 計(jì)算導(dǎo)通時(shí)刻 永磁同步電機(jī)仿真 在 MATLAB/SIMULINK 環(huán)境下 ，根據(jù)前面的討論，建立了基于 SVPWM的 PMSM 矢量控制系統(tǒng)仿真模型，系統(tǒng)仿真框圖如圖 59 所示。 本課題采用的永磁同步電機(jī)的參數(shù)如圖 510 所示。 圖 58 SVPWM 的時(shí)序輸出 圖 59 永磁同步電機(jī)雙閉環(huán) PI 調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 為了驗(yàn)證所建仿真模型的正確性和有效性，對(duì)模型進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。給定轉(zhuǎn)速為 500 minr ，脈沖頻率為 5kHZ ,電流環(huán)參數(shù) ?pk ， 10?ik 。速度環(huán)參數(shù) 8?pk ， 1?ik 。在 0?t s 時(shí)，電機(jī)空載啟動(dòng)；在 st ? 時(shí)，給電機(jī)突加負(fù)載，負(fù)載為 2 MN? 。仿真時(shí)間為 1s，仿真結(jié)果如下圖所示。