【正文】 硅鋼片壓疊而成)、定子繞組(在鐵心槽中嵌放三相電樞繞組)。 永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波兩種。這樣就造成兩種同步電動機(jī)在原理、模型及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)，習(xí)慣上又把正弦波永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(jī)（PMSM）調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波（方波）永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，故稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的位置的不同，永磁同步電動機(jī)主要可分為：表面式和內(nèi)置式。這種永磁電機(jī)的重要特點是直、交軸的主電感不相等。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)在不同坐標(biāo)系上數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式是不同的。 在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們建立dq軸數(shù)學(xué)模型，它不僅可以用于分析PMSM的穩(wěn)態(tài)運行性能，也可用于分析永磁同步電動機(jī)的瞬態(tài)性能。由于轉(zhuǎn)子磁通恒定，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)，即將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上，其矢量圖如圖21所示 q d 圖21永磁同步電機(jī)時的矢量圖在轉(zhuǎn)子dq坐標(biāo)系下，永磁同步電機(jī)的定子電壓方程為 式中、為定子電壓矢量的d、q軸分量，為轉(zhuǎn)子角頻率，p為微分算子。轉(zhuǎn)矩方程為 在基速以下恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)中，常采用定子電流矢量位于q軸且全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的控制方式，即。只要控制好定子電流的幅值，就會得到滿意的轉(zhuǎn)矩控制特性。永磁同步電機(jī)的變換主要有三種，即三相靜止坐標(biāo)系變換到二相靜止坐標(biāo)系，或二相靜止坐標(biāo)系變換到三相靜止坐標(biāo)系；由二相靜止坐標(biāo)系變到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，或者由二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到二相靜止坐標(biāo)系；由直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的相互變換。電動機(jī)是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，氣隙磁場是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣，應(yīng)遵守變換前后電機(jī)功率不變的原則。這樣就可以從已知的電流變換矩陣來確定電壓變換矩陣和阻抗變換矩陣。相變換的作用是用一個對稱的二相電機(jī)代替一個對稱的三相電機(jī)或用一個對稱的三相電機(jī)代替一個對稱的二相電機(jī)。三相電流變換為二相電流(3S/2S)的關(guān)系為 二相電流變換為三相電流(2S/3S)的關(guān)系為 當(dāng)定子三相繞組為星形接法時，有 則有寫成矩陣形式得到三相/二相變換公式為 將上式逆變換可得二相/三相變換公式為 將上述兩式表示成變換器模型結(jié)構(gòu)圖為3S/2S圖22 3S/2S變換器符號表示所謂矢量旋轉(zhuǎn)變換就是交流二相α、β繞組和直流二相M、T繞組之間電流的變換，它是一種靜止的直角坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的變換。 永磁同步電機(jī)矢量控制 永磁同步電機(jī)矢量控制原理 任何電力拖動系統(tǒng)都服從于基本運動方程式 式中，為電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為轉(zhuǎn)動慣量，n為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。晶閘管供電的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜、動態(tài)調(diào)速特性，其根本原因在于作為控制對象的他勵直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就可以靈活地進(jìn)行控制，因為直流電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個控制量磁通和電樞電流在空間位置上相互正交，和相互獨立無耦合，可分別進(jìn)行控制。1971年德國學(xué)者Blaschke等人提出的矢量變換控制原理實現(xiàn)了交流電機(jī)模仿直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。經(jīng)典的直接轉(zhuǎn)矩控制是在定子靜止坐標(biāo)系中針對電動機(jī)定子磁鏈和電動機(jī)轉(zhuǎn)矩實施獨立控制——通過在適當(dāng)?shù)臅r刻選擇適合的電壓空間矢量來實現(xiàn)兩者近似解耦的控制效果?？刂葡到y(tǒng)具有較強(qiáng)的非線性特征，但是系統(tǒng)的響應(yīng)非?？焖伲梢猿浞职l(fā)揮電壓型逆變器的開關(guān)能力。磁場定向矢量控制技術(shù)的核心是在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中針對激磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，并且采用的是經(jīng)典的PI線性調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)呈現(xiàn)出良好的線性特性，可以按照經(jīng)典的線性控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，逆變器的控制采用了較成熟的SPWM、SVPWM等技術(shù)。圖23 永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 永磁同步電動機(jī)在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)矩公式為 從中可以看出電動機(jī)轉(zhuǎn)矩分為兩個部分：其一為永磁體產(chǎn)生的磁鏈與定子電流轉(zhuǎn)矩分量作用后產(chǎn)生的永磁轉(zhuǎn)矩；其二為轉(zhuǎn)子的凸極結(jié)構(gòu)使得定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩。另一方面，定子電流的勵磁分量會影響電動機(jī)定子磁鏈的大小，可以通過它產(chǎn)生弱磁升速的效果，這一點與直流電動機(jī)的勵磁電流類似?？刂葡到y(tǒng)中兩個電流閉環(huán)分別控制和，讓它們跟蹤給定的，這樣就可以實現(xiàn)電動機(jī)的磁場和轉(zhuǎn)矩的獨立控制，可以實現(xiàn)與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美的調(diào)速性能。本課題采用的是=0控制。因為電磁轉(zhuǎn)矩僅僅依賴于交軸電流，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩表達(dá)式中的交、直軸電流解耦。上式即為永磁同步電動機(jī)的解耦方程，在輸入電壓為和輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為的情況下，可以得到永磁同步電動機(jī)的等效框圖。同時，SVPWM 還能很好的結(jié)合矢量控制算法，為矢量控制得實現(xiàn)提供很好的途徑，以最大限度的發(fā)揮設(shè)備的性能。本文主要用的是三相空間電壓矢量控制：基于固定開關(guān)頻率的電流控制，即使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸系中的電流調(diào)節(jié)器輸出空間電壓矢量指令，再用SVPWM策略使電壓型整流器跟蹤電壓矢量指令，從而達(dá)到控制電流的目的。常見的多環(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)。本課題采用的是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這就是說，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。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖31 PI控制系統(tǒng)原理圖PI控制器傳遞函數(shù)常見的表達(dá)式有以下兩種：(1) ，；(2) ，為比例增益，為積分時間常數(shù)。比例（P，Proportion）控制是一種最簡單的控制方式，其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。error）。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（SystemSteadystate為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制中必須引入“積分項”。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動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。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。先從電流環(huán)入手,設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器,然后把電流環(huán)看作是速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設(shè)計速度環(huán),因此首先考慮進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計實現(xiàn)。速度環(huán)的作用是:增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力,抑制速度波動。 電流環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計相對速度環(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)可以按一定方法計算。在圖32中,電流環(huán)的控制對象為:PWM逆變器和電機(jī)的電樞回路。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)。表示逆變器的放大倍數(shù),而是開關(guān)周期,代表逆變器的延時。圖32中的開環(huán)傳遞函數(shù)寫成傳遞函數(shù)形式為： 式中,一般而言,電感時間常數(shù)遠(yuǎn)大于濾波時間常數(shù)和開關(guān)周期。電流反饋值采用數(shù)字AD采樣值,反饋值代表了電流的實際值,因此放大倍數(shù)=1。這時,對應(yīng)的電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為一個典型二階系統(tǒng)： 式中。又因為等于,所以電流控制器的參數(shù)就確定了,即： 速度環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計在系統(tǒng)中交軸電流控制環(huán)是速度環(huán)的內(nèi)環(huán),因此設(shè)計速度環(huán)首先要得到控制環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù),然后將其作為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)再進(jìn)行速度環(huán)的設(shè)計。圖33 速度環(huán)結(jié)構(gòu)圖 速度環(huán)一般校正成典型Ⅱ系統(tǒng),其開環(huán)傳遞函數(shù)為以下形式: 速度環(huán)的前向通道已經(jīng)有兩個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié),因此速度調(diào)節(jié)器也采用PI調(diào)節(jié)器,即: 式中:為速度調(diào)節(jié)器比例系數(shù)?？紤]到和2都很小,因此可將兩個小慣性環(huán)節(jié)合成一個慣性環(huán)節(jié),即用替代,其時間常數(shù)為 將轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型Ⅱ型系統(tǒng),系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 按照典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計,根據(jù)典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)公式: 式中,為中頻帶寬,它的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)有關(guān),越大,超調(diào)量越小,但調(diào)節(jié)時間并不是單調(diào)的,由于當(dāng)=5時調(diào)節(jié)時間最短,動態(tài)響應(yīng)最快,因此選擇=5為好。帶入數(shù)據(jù)可以求得和數(shù)值。按照上述方法對控制系統(tǒng)進(jìn)行校正后可以使電動機(jī)的實際電流跟蹤定子電流給定信號。這種情況下，模糊控制的誕生就顯得意義重大。模糊控制實際是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。2． 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取，動態(tài)特性不易掌握的對象非常適用。4． 模糊控制是基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。 模糊控制的基本概念設(shè)U為某些對象的集合，稱為論域，可以是離散的或連續(xù)的；u表示U的元素，記作。也就是說，屬于模糊子集F的程度或等級。當(dāng)元素u滿足=，稱為交叉點。 模糊集的運算 設(shè)A和B為論域U中的兩個模糊集，其隸屬函數(shù)分別為,則對于所有，存在下列運算：(1) A與B的并記為，其函數(shù)定義為： (2) A與B的交記為, 其函數(shù)定義為： (3)A的補記為，其隸屬函數(shù)定義為： 直積(笛卡爾乘積，代數(shù)積) 若分別為論域中的模糊集合，則這些集合的直積是乘積空間中的一個模糊集合，其隸屬函數(shù)為： 模糊關(guān)系 若是兩個非空模糊集合，則其直積中的一個模糊子集R稱為從U到V的模糊關(guān)系，可表示為： 復(fù)合關(guān)系 若R和S分別為和中的模糊關(guān)系，則R和S的復(fù)合是一個從U到W的模糊關(guān)系，記為： 其隸屬函數(shù)為： 式中的*號可為三角范式內(nèi)的任意一種算子，包括模糊交、代數(shù)積、有界積和直積等。其中，為變量名；為的詞集，即語言值名稱的集合；U為論域；G為產(chǎn)生語言值名稱的語法規(guī)則；M為與各語言值含義有關(guān)的語法規(guī)則。語言變量基本詞集把模糊概念與精確值聯(lián)系起來，實現(xiàn)對定性概念的定量化以及定量數(shù)據(jù)的定性模糊化。關(guān)系R可視為受約于區(qū)間的N個變量的函數(shù)。控制器的輸入被模糊化為一關(guān)系X，對于多輸入單輸出(MISO)控制時X為(N1)維。對模糊輸出Y進(jìn)行模糊判決(解模糊)，可得精確的數(shù)值輸出y。由于采用多維函數(shù)來描述X、Y和R，所以，該控制方法需要許多存儲器，用于實現(xiàn)離散逼近。比例系數(shù)(標(biāo)度因子)實現(xiàn)控制器輸入和輸出與模糊推理所用標(biāo)準(zhǔn)時間間隔之間的映射。這一步不損失任何信息。模糊判決把這一概率分布?xì)w納于一點，供驅(qū)動器定標(biāo)后使用。其中，模糊控制器由模糊化接口、知識庫、推理機(jī)和模糊判決接口四個基本單元組成。圖43 模糊控制系統(tǒng)的工作原理 (1)模糊化接口。本單元可視為模糊集合的標(biāo)記。涉及應(yīng)用領(lǐng)域和控制目標(biāo)的相關(guān)知識，它由數(shù)據(jù)庫和語言控制規(guī)則庫組成。語言控制規(guī)則標(biāo)記控制目標(biāo)和領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗?。這是模糊控制系統(tǒng)的核心，以模糊概念為基礎(chǔ)，模糊控制信息可通