【正文】 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? 。 本課題采用的永磁同步電機(jī)的參數(shù)如圖 510 所示。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。 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。電角度的接近正弦波的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于兩相繞組的正交性，變量之間的耦合大大減小。 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?。圖中時(shí)間 ZT 用 ? 電角度表示。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。由于逆變器直流側(cè)輸入電壓恒定，且三相對(duì)稱(chēng)工作，所以三相相電壓的幅值相等，在空間相位上互差 ?60 。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(chēng)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(chēng)“電壓空間矢量 PWM 控制”。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。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。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。 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)。 （ 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。 自適應(yīng)模糊 PI 控制器由常規(guī) PI 控制部分和模糊推理兩部分組成。這種控制必須精確的確定對(duì)象模型，首先將操作人員長(zhǎng)期實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)用控制規(guī)則模型化，然后運(yùn)用推理對(duì) PI 參數(shù)實(shí)現(xiàn)最佳調(diào)整。 自適應(yīng)模糊 PI 控制器的工作原理 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，許多被控對(duì)象隨著負(fù)荷變化或受干擾因素影響，其對(duì)象特性參數(shù)或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。自適應(yīng)控制器有各種類(lèi)型，而自適應(yīng)模糊控制器的本質(zhì)是通過(guò)對(duì)控制器性能的觀察，作出控制決策，并用語(yǔ)言形式描述策略。所以，目前廣泛采用的均為二維模糊控制器，這種控制器以誤差和誤差的變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。所不同的是模糊控制系統(tǒng)往往把一個(gè)控制量 (通常是系統(tǒng)輸出量 )的偏差、偏差變化以及偏差變化率作為模糊控制器的輸入。起到模糊控制的推斷作用，并產(chǎn)生一個(gè)精確的或非模糊的控制作用。 (3)推理 機(jī)。 (2)知識(shí)庫(kù)。它們的作用說(shuō)明如下。模糊決策過(guò)程由推理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；該推理機(jī)使所有 LHS 與輸入匹配，檢查每條規(guī)則的匹配度，并聚集各規(guī)則的加權(quán)輸出，產(chǎn)生一個(gè)輸出空間的概率分布值。 圖 42 給出模糊邏輯控制器的一般原理框圖，它由輸入定標(biāo)、輸出定標(biāo)、模糊化、模糊 決策和解模糊等部分組成。模糊輸出 Y 可應(yīng)用合成推理規(guī)則進(jìn)行計(jì)算。 例如，某工業(yè)窯爐模糊控制系統(tǒng)，把溫度作為一個(gè)語(yǔ)言變量，其詞集T (溫度 )可為： ? ? ? ?等，較低，很低，過(guò)低超高，很高，較高，中溫度 ?T 基本的模糊控制 在理論上，模糊控制器由 N 維關(guān)系 R 表示。 定義 語(yǔ)言變量 一個(gè)語(yǔ)言變 量可定義為多元組 ? ?? ?MGUxTx , 。當(dāng)元素 u 滿(mǎn)足 Fu = 時(shí)，稱(chēng)為交叉點(diǎn)。 模 糊控制的基本概念 設(shè) U 為某些對(duì)象的集合，稱(chēng)為論域，可以是離散的或連續(xù)的； u 表示 U的元素，記作 ??uU? 。 2． 由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控 制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動(dòng)態(tài)特性不易掌握的對(duì)象非常適用。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。帶入數(shù)據(jù)可以求得 nK 和 n? 數(shù)值。 速度環(huán)一般校正成典型Ⅱ系統(tǒng) ,其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為以下形式 : 圖 33 速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖 ? ? ? ?? ?112 ??? Tss sKsW ? 速度環(huán)的前向通道已經(jīng)有兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié) ,因此速度調(diào)節(jié)器也采用 PI 調(diào)節(jié)器 ,即 : ssKG nnns ?? 1?? 式中 : nK 為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù) 。 這時(shí) ,對(duì)應(yīng)的電流閉環(huán)傳遞函數(shù) ??s? 為一個(gè)典型二階系統(tǒng)： ? ?2222 2/nnnififsfssTKTssTKs??????????? 式中，sfKT121?? 。 圖 32 中的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為： ? ? ? ?? ?? ?? ?111 1??? ?? sTsTsT sKKKKsG ifscc cifRpw mp? ? 式中 ,一般而言 ,電感時(shí)間常數(shù) LT 遠(yuǎn)大于濾波時(shí)間常數(shù) ifT 和開(kāi)關(guān)周期 sT 。電機(jī)的電樞回路有電阻 R、電感 L,也可以看成一階慣性環(huán)節(jié)。 電流環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì) 相對(duì)速度環(huán)而言 ,電流內(nèi)環(huán)一般只與 PWM 逆變器和電機(jī)參數(shù)有關(guān) ,不受外部負(fù)載變化的影響 ,所以電流環(huán)有固定的結(jié)構(gòu) ,如圖 32 所示 ,電流環(huán)的參數(shù)可以按一定方法計(jì)算。先從電流環(huán)入手 ,設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器 ,然后把電流環(huán)看作是速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié) ,再設(shè)計(jì)速度環(huán) ,因此首先考慮進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。 在積分（ I， Integral）控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。 PI 控制器傳遞函數(shù)常見(jiàn)的表達(dá)式有以下兩種： (1) ? ? skksG ip ??， 為積分增益為比例增益， ip kk ； (2) ? ?STksG ip 1??， pk 為比例增益， iT 為積分時(shí)間常數(shù)。這就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。常見(jiàn)的多環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、帶電流變化率內(nèi)環(huán)和帶電壓內(nèi)環(huán)的三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。同時(shí)， SVPWM 還能很好的結(jié)合矢量控制算法，為矢量控制得實(shí)現(xiàn)提供很好的途徑 ， 以最大限度的發(fā)揮設(shè)備的性能 。這種控制方法最為簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)在于隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增大，漏感壓降增大，功率因數(shù)降低；由于未有弱磁電流，所以電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍有限。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式可以看出，永磁同步電動(dòng)機(jī)輸出同一個(gè)轉(zhuǎn)矩時(shí)存在不同的轉(zhuǎn)矩電流與勵(lì)磁電流的組合，這樣就存在不同的電流控制策略。 這兩部分轉(zhuǎn)矩都與定子電流轉(zhuǎn)矩分量 qi 成正比，也就是說(shuō)，可以通過(guò)控制定子電流轉(zhuǎn)矩分量的大小來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，這一電流 與直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流對(duì)應(yīng)，因此永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制可以轉(zhuǎn)化為定子電流轉(zhuǎn)矩分量的控制。砰砰調(diào)節(jié)器意味著必須有脈動(dòng)才可以進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，所以在相近的開(kāi)關(guān)頻率下，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的被控量呈現(xiàn)出較大的脈動(dòng)分量，并且在某些工況下會(huì)出現(xiàn)一些低頻轉(zhuǎn)矩分量。 目前對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)主要有磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù) (Field Orientation Control,FOC)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) (Direct Torque Control,DTC)。 由此知道，如果能快速準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩 eT ，那么調(diào)速系統(tǒng)就具有較高的動(dòng)態(tài)性能，因此，調(diào)速系統(tǒng)能好壞的關(guān)鍵是對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的有效控制。所謂對(duì)稱(chēng)是指定、轉(zhuǎn)子各繞組分別具有相同的匝數(shù)以及相同的阻抗。 在確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣時(shí)，只要遵守變換前后電機(jī)的功率不變?cè)瓌t，則電流變換矩陣與電壓變換矩陣、阻抗變換矩陣之間必存在著確定的關(guān)系。 確定電流變換矩陣時(shí)，應(yīng)遵守變換前后所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效的原則。此時(shí)轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)? srme ipT ?? 由于轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)， r? 為常數(shù)，轉(zhuǎn)矩僅與定子電流的幅值成正比，類(lèi)似于直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了解耦控制。 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系是一個(gè)二相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系，它的 d 軸可按不同方向定向，其q 軸逆時(shí)針超前 d 軸 90 ?空間電角度，該坐標(biāo)系在空間以定子磁場(chǎng)的同步角速度 (也就是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的同步角速度 )旋轉(zhuǎn)，站在 dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上再來(lái)看交流電動(dòng)機(jī)各量，這些交流物理量就為直流量了。因此，這兩種電機(jī)的性 能有所不同。 永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)不同，則電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性、控制系統(tǒng)等也不同。轉(zhuǎn)子通常由軸、永久磁鋼及磁扼等部分組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)的氣隙內(nèi)產(chǎn)生足夠的磁 感應(yīng)強(qiáng)度，與通電后的定子繞組互相作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩以驅(qū)動(dòng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，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、控制系統(tǒng)較異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。其中，最主要的是設(shè)計(jì) PI 控制器，線性 PI 控制器的主要設(shè)計(jì)步驟為 : 將設(shè)計(jì)好的 PI 控制器作為已搭建好的系統(tǒng)仿真模型中的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證線性 PI 控制在永磁同 步電機(jī)矢量控制中的可行性。自適應(yīng)的模糊控制主要是對(duì)其速度環(huán)進(jìn)行智能設(shè)計(jì)。隨著控制理論的不斷發(fā)展，特別是智能控制的不斷發(fā)展和成熟，如基于人工智能的專(zhuān)家系統(tǒng)（ ExpertSystem）；基于模糊集合理論（ FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ Artificia1NeuraNetwork）的神經(jīng)控制等，使控制系統(tǒng)在模型和參數(shù)變化時(shí)保護(hù)良好的控制性能，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的性能。 (3)最大轉(zhuǎn)矩 /電流比控制，也成為單位電流輸出最大轉(zhuǎn)矩控制（最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制）。電機(jī)運(yùn)行功率因數(shù)低，電機(jī)和逆變器不能夠充分利用。在以上的 4 種 PWM 變換器中，前兩種是以輸出電壓接近正弦波為控制目標(biāo)的，第 3 種以輸出正弦波電流為控制目標(biāo)，第 4 種則以被控電機(jī)的算法簡(jiǎn)單，因此目前應(yīng)用最廣。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。 直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速優(yōu)良，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制的優(yōu)點(diǎn)。各部分可以相互組合而構(gòu)成多種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。尤其是近年來(lái)高耐熱性、高磁性能釹鐵硼永磁體的成功開(kāi)發(fā)以及電力電子元件的進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)，稀土永磁同步電機(jī)的研究開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外又進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期，在理論研究和應(yīng)用領(lǐng)域都將產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。永磁同步電機(jī)出現(xiàn)于 20 世紀(jì) 50 年代，它的運(yùn)行原理與普通電激磁同步電機(jī)相同，但以永磁體激磁替代激磁繞組激磁使得電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 小功率的永磁同步電機(jī)，由于變頻電源供電，從而組成了新一代的交流伺服系統(tǒng)。但是，同步電機(jī)也存在 啟動(dòng)困難和重載時(shí)失步的缺點(diǎn)，這一問(wèn)題在很大程度上限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。具有適應(yīng)受控對(duì)象動(dòng)力學(xué)特征變化、環(huán)境特征變化和動(dòng)行條件變化的能力 ?？刂茖?duì)象的參數(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，為了使永磁同步電機(jī)能夠在更惡劣的環(huán)境下運(yùn)行 ， 本 課 題 又 在 完 成 課 題 任 務(wù) 的 基 礎(chǔ) 上 增 加 了 模 糊 控 制 。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能； 而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來(lái)減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和 PI 控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生的不利影響。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越?。?，一直到偏差為零，累積才會(huì) 停止。永磁同步電動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的性能起主要作用。這在某些紡織設(shè)備上已得到很好的推廣。若采用永磁電機(jī)，部分設(shè)備可適當(dāng)?shù)慕档碗姍C(jī)容量，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)約大量的電能。這類(lèi)機(jī)械設(shè)備大量采用普通三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較低，能源浪費(fèi)厲害。SVPWM。另一方面，提出了一種自適 應(yīng)模糊 PI 控制器 ,將模糊控制器與 PI 控制器結(jié)合在一起，利用模糊邏輯控制，并把 MATLAB 中的 Fuzzy Toolbox 和 SIMULINK 有機(jī)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了 PI 控制器的在線自調(diào)整。而伴隨著這些領(lǐng)域的不斷發(fā)展，更高的調(diào)速精度、更大的調(diào)速范圍以及更快的響應(yīng)速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) (PMSM)矢量控制系統(tǒng)。進(jìn)一步完善了 PI 控制器的性能，提高了系統(tǒng)的控制精度。PI controller。隨著