畢業(yè)論文——基于線性-滑模控制的永磁同步電機速度調(diào)節(jié)器設(shè)計-在線瀏覽
2025-08-06 17:49本頁面
【正文】 PMSM 及其控制技術(shù)發(fā)展的概況出現(xiàn)于19 世紀(jì)20年代的世界首臺電機，其勵磁磁場就是由永磁體產(chǎn)生的。直至上世紀(jì)80年代初，由于永磁材料的日漸發(fā)展，PMSM才因功率密度高、體積小和效率高等顯著特點引起電機本體設(shè)計及電機驅(qū)動研究人員的高度重視。在稀土永磁電機的理論設(shè)計、結(jié)構(gòu)工藝、計算方法和驅(qū)動控制策略等方面的研究出現(xiàn)了很大的突破，形成了以等效磁路解析和電磁場數(shù)值計算相結(jié)合的分析方法。此外，永磁材料的優(yōu)異的磁能特性、輕量化、體積小等特點，給永磁同步電動機帶來如下特點：電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、體積小、重量輕、電磁轉(zhuǎn)矩波動小、靜態(tài)特性良好、動態(tài)響應(yīng)快，過載能力強、低損耗、高效率、節(jié)約能源等等。 永磁同步電動機伺服驅(qū)動技術(shù)是一門涵蓋了多種學(xué)科的綜合性技術(shù)，自世界上第一臺伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)以來，伺服驅(qū)動技術(shù)就在一直不斷發(fā)展，尤其是各種現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生和廣泛應(yīng)用，一方面為高性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研制提供了理論依據(jù)，另一方面也使高性能伺服系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化和微型化成為可能。其中矢量控制從模擬直流電機控制的思想出發(fā)，從而將交流電動機電流矢量解耦。 第2章PMSM的數(shù)學(xué)模型 PMSM的數(shù)學(xué)模型 由PMSM的電磁關(guān)系可知其數(shù)學(xué)表達方程為時變微分方程，該微分方程的系數(shù)是隨著電機的轉(zhuǎn)子和定子的相對位置變化的時間函數(shù)。而二十世紀(jì)七十年代建立的Park方程將同步電機定子坐標(biāo)系中所有變量等效地由轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變量來替代，消除了同步電機數(shù)學(xué)模型中的時變系數(shù)，簡化了同步電機數(shù)學(xué)模型，成為研究同步電機的重要方法。 PMSM定子上裝有三相對稱繞組ABC，其轉(zhuǎn)子為永久磁鋼構(gòu)成，定轉(zhuǎn)子之間通過氣隙磁場進行耦合。在三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC中，將PMSM定子繞組中的A相軸線作為靜止空間坐標(biāo)系中的參考軸線，在確定好電流、磁鏈的正方向后(見圖21)，可以得到永磁同步電機在ABC坐標(biāo)系下的定子電壓方程為 圖21三相靜止坐標(biāo)系中的電機模型圖21中，為電機三相定子繞組軸線，為轉(zhuǎn)子軸軸線與A相繞組軸線之間的夾角，為轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的穿過定子的磁鏈，為電機定子三相電流的綜合矢量。為PMSM定子相繞組的電阻，為轉(zhuǎn)子軸超前定子參考軸線的電角度。 參見圖22所示，其軸的方向是永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極的軸線方向，系統(tǒng)的軸滯后軸90度電角度，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中PMSM的等效模型如下圖23示。另外為PMSM勵磁鏈與其A相繞組軸線的夾角，為PMSM轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈。公式（21）（22）（26）（27）便是PMSM在軸坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。轉(zhuǎn)子磁場因受定子磁場磁拉力作用而隨定子旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子以等同于定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度、方向旋轉(zhuǎn)，這就是同步電動機的基本工作原理。PMSM矢量控制的實現(xiàn)是以坐標(biāo)變換及電機電磁轉(zhuǎn)矩方程為基礎(chǔ)的，面裝式永磁同步電動機，交直軸電感相等，有 （29）即PMSM和直流電機具有類同的電磁轉(zhuǎn)矩方程。因此對PMSM而言，可以考慮用控制直流電機的方法控制PMSM轉(zhuǎn)矩，從而獲得和直流電動機類似的控制效果。 矢量控制電流反饋解耦的主要影響因素分析影響電流環(huán)控制性能的因素主要有零點漂移、電流器調(diào)節(jié)參數(shù)和反電勢干擾等，由于本系統(tǒng)電流環(huán)采用DSP實現(xiàn)數(shù)字化電流環(huán)控制、PWM信號產(chǎn)生，而數(shù)字運算則不存在模擬電流環(huán)中給定信號、PI調(diào)節(jié)器。只有電流檢測部分由于需要才有電流傳感器和運算電路處理，仍然存在零點漂移，因此要是系統(tǒng)性能優(yōu)異最好采用高性能、零漂小的電流傳感器和運算放大器進行反饋電流處理。在低速時，電機反電動勢小，通過PI電流調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)可基本抵消反動勢干擾，電流跟隨誤差很小，因而總的電流控制特性良好；但在高速時，由于電機反電動勢的干擾使得外加電壓與電動勢的差值減小，實際電流和給定電流間將出現(xiàn)明顯的幅值、相位偏差，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速很高時，實際電流甚至無法跟隨給定電流。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，增大電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，減小積分時間常數(shù)可以在一定程度上減小反電勢對電流環(huán)性能的影響。 坐標(biāo)變換坐標(biāo)變換通常分成“等量”和“等功率”變換兩種?！暗裙β省弊儞Q在坐標(biāo)變換前后功率相等，或稱√2/3變換。這里遵循“等功率”原則進行坐標(biāo)變換。圖24 電機定、轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)系圖中定義軸系的軸與靜止空間坐標(biāo)系中的參考軸線即定子A相繞組重合，軸超前軸90176。由于軸與在A相繞組軸線重合，故稱軸系為電機三相靜止坐標(biāo)系。電角度，A相定子繞組與軸之間的夾角為，軸坐標(biāo)系在空間上隨電機轉(zhuǎn)子以電角度一同旋轉(zhuǎn)，稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。該特性可以迫使所控制的系統(tǒng)在規(guī)定的條件下沿一定的軌跡以較高頻、較小振幅上下運動，此即所謂的滑模運動。滑模變結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是不需對系統(tǒng)精確觀測、控制律整定的方法簡單、當(dāng)擾動出現(xiàn)時系統(tǒng)響應(yīng)和調(diào)整速度快，具有很好的魯棒性。 變結(jié)構(gòu)控制理論，不是一種分析方法，而是一種綜合方法，因此，其重點是系統(tǒng)的設(shè)計問題。 設(shè)計的目標(biāo)即變結(jié)構(gòu)控制的三要素為： (1)所有相軌跡于有限時間內(nèi)到達切換面； (2)切換面存在滑動模態(tài)區(qū)； (3)滑動運動漸進穩(wěn)定并具有良好的動態(tài)品質(zhì)。設(shè)有一個控制系統(tǒng) (31)為系統(tǒng)狀態(tài)分量，為系統(tǒng)的控制輸出向量。這樣的控制系統(tǒng)稱為滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，或簡稱為變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。一旦獲得切換函數(shù)和滑動模態(tài)控制律，滑模控制系統(tǒng)便能完全建立起來。由永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型公式可得
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