1、天津大學碩士學位論文基于負載觀測器的永磁同步電機滑模控制姓名：魏林瑞申請學位級別：碩士專業：控制理論與控制工程指導教師：史婷娜20070601摘要永磁同步電機由于其有體積小、重量輕、轉矩紋波小、轉矩控制簡單、轉速平穩、動態響應快速準確、過載能力強等優點而廣泛應用于現代交流調速系統中。但是，永磁同步電機是一個多變量、非線性、強耦合的系統，傳統控制器容易受電機參數變化和負載擾動等不確定因素的影響，敖在負載波動大，雖對速度、轉矩控制精度要求較高的情況下，該方法很難滿足控制要求。滑模變結構控制通過滑動模態的設計，可以實現對系統參數變化和負載擾動不敏感，具有魯棒性好、響應速度快及容易實現等優點。因此將滑

2、模變結構控制應用于永磁同步電機調速系統中，有望實現高品質的控制策略。因此，本文致力于滑模變結構控制在永磁同步電機調速系統中的研究。本文首先在分析永磁同步電機數學模型的基礎上，結合矢量控制技術，給出了永磁同步電機在。坐標系下的線性解耦狀態方程。采用轉子位置定向的矢量控制方案，在胡緦琳環境下構建了永磁同步電機調速系統的仿真模型。其次通過對滑模變結構控制原理、特性、抖振產生原因及削弱方法的分析，繪出了一種用子永磁同步電機速度控制的常規滑模控制器。并對該控制器的控制效果以及控制器參數對系統性能麴影響傲了仿真分析。然后在常規滑模控制器的基礎上提出了一種改進的滑模控制器：基于負載觀測器的時變切換增益滑模控

3、制。仿真結果表明改進的滑模控翻器能明顯消除靜差，并對負載擾動和系統參數的變化有較好的魯棒性。最麝結合滑模控制和模糊控制各自的優點，設計了基于模糊切換增益自調節的滑模控制器，以用于永磁同步電機的速度控制，并完成該控制器算法的函數實現。該控制器利用模糊邏輯對滑模控制的切換增益迸行實時調整，既能充分發揮滑模控制對參數變化和干擾不靈敏的特點，又具有模糊自調節的髓力，從麗達到削弱抖振的是的。仿真結果表明該控制器能有效削弱抖振，對負載擾動和系統參數變化有很強的魯棒性，取得了期望的控制效果。關鍵詞：永磁同步電機；滑模變結構控制；負載觀測器；抖振；模糊控制；模糊滑模控制（），（）。，。，耐蹦琳，。，：（），（

4、），稍，（）獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取尋的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得叁鲞盤堂或其他教育機構的學位或證書褥使用過的材料。與我一閹工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學位敝作者簽名：魂艄簽字日期：凋車月多日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解鑫鲞盤翌有關保留、使用學位論文的規定。特授權鑫盜盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借闋。同意學校向國家有關部門或機構送交

5、論文的復印件和磁盤。（保密的學位論文在解密后適用本授權說明）學位論文作者簽名：魂械群導師簽名：簽字躁期：凋年占月膨網史畸瑚，簽字日期：？年多月多日第一章緒論第一章緒論永磁同步電祝具有結構簡單、體積小、重量輕、效率高、轉矩尤重量比高、功率因數離、轉動慣量低、易于教熱、暴予維護等優點，囂藹廣泛應用于工農業生產、日常生活、航空航天和國防等各個領域。本章首先介紹了永磁同步電機的發展概況和研究方向，然后闡述了本文的選題背景及磷究意義，最螽列出了本文研究豹主要內容及主要工作。永磁同步電機的發展概況電動機在生產領域、公用設施、服務行煎和家用電氣設備中起著關鍵的驅動和伺服控制作用，僵也幾乎消耗了許多國家工業用

6、電量的三分之二。縫子節約能源和環保豹考慮，包括我國在內的氆賽上許多國家對電動粳系統酶節能均給予了離度重視。永磁購步電機霸冀無器從電網吸取無功電流建立氣隙磁場，無激磁損耗，從而顯著提離了效率和功率因數，比異步電機具有更顯著的綜合節能效果。采用稀土永磁同步邀機，禿功功率節電率露達；有功功率帶電率可達，節電效采十分鞠顯。哥緩說永磁同步電機是今惹最有發嶷前途囂電動機之一】。世紀年代出現的世界上第一臺電機就是由永磁體產生勵磁磁場的永磁電楓。健當時所用翡永磁材料是天然鐵礦礦石（），磁能密度狠低，用它制成的電機體積龐大，不久被電勵磁電機所取代。直至世紀年代，美國貝爾實驗室誕生了人工永磁材料（即鋁鎳鉆合金）以

7、后，實用的永磁電機才真正的產生了。到本世紀年代幫年代，稀士鍤永磁和釹鐵硼永磁（二者統稱稀土永磁）相繼褥避，它們的高剩磁密度、高矯頹力、商磁能積和線性退磁曲線的優異磁性能特別適合于制造電機，從而使永磁電機的發展進入一個新的歷史時麓。特別是笨代阿髓盼釹鐵硼永磁材料，由于其磁特性優異、成本低廉和寒瀠充足等原因，怨經在工業、生活以及醫療等領域得到廣泛的硪究和開發】。現代運動控制系統需要高性熊的電機，同時生產加工自動化提嬲了黍性加工概念，都要求伺服系統其有快速響應，且平穩、精確和哥靠等性麓，麗永磁同步電機能全蔥滿足以上要求。露翦，永磁同步電機定予多采用三相正弦交流電驅動，轉子一般融永磁體磁化為對磁極，產

8、生難弦磁動勢。高性能的永磁同步電機由電壓源型逆變器驅動，通過控錆逆變器斡頻率實現對窀祝調速。這類電機豹轉矩波動很小而且可實現平滑驅動，廣泛應用予高性能的伺服驅動場合。目前，國外各大伺服驅動廠商和電機制造商均有性能優良的永磁同步電動機產品，功率一般在之闖。在此基礎上，結合先進的控制理論和控制方法實現對永磁同步電機無位置傳感器控制和調速控制，是基翦有關永磁閹步電機研究的熱門課題。所以，發展高性能永磁同步電機的控制系統不論是對解決我國目前的能源問題，還是對推動我國國民生產力的發展都具有現實和長遠的意義。永磁同步電機的研究方向國內外對于永磁同步電機的研究范圍十分廣泛，概括起來可分為三個主要方面吼不可逆

9、退磁問題電機和磁路結構設計控制問題其中控制問題又分為兩個方面：一是關予永磁同步電機控制策略的研究；二是關于永磁同步電機系統驅動技術的研究。隨著電力電子技術、微處理器技術、傳感器技術和控制理論等的發展，永磁同步電機的研究與應用也取得了突飛猛進的發展。電力電子器件的發展為交流電機的調速奠定了物蕨基礎。目前，伺服控制系統的輸出器件越來越多地采用開關頻率很高的新型功率半導體器件。高的開關頻率（）使得電機的動態響應提高，消除了開關噪聲，同時伺服單元輸洳回路的功耗也得到了顯著地降低。正是這些功率器件組成的換流裝置，替代了直流電機上的電刷和換向器，并使各種調制方式得以實現。目前伺服驅動器中大多應用和模塊。是

10、將封裝為一個完整的逆變器模塊，且封裝了驅動和保護電路，電路設計交得簡單，模塊使用安全可靠。它們的應用顯著地簡化飼服單元的設計，并為實現飼服系統的小型化和微型化打下堅實的基確。隨著功能更為齊全、性髓更加優異、價格更為低廉的電力電子器件不斷出現，相信會解決永磁同步電機控制系統良好控制性能和昂貴成本之間的矛盾，提高系統的可靠性，加速永磁同步電機驅動系統的實際應用鉚。雖然永磁溺步電機具有非卷多的優點，但是由于其本身是個非線性、強耦合的系統，所以必須結合先進的控制理論來發揮其自身優勢、彌補其存在的不足。矢量控制理論的提出解決了上述問題。年，德國學者和提出了交流電機的矢量控制理論，從理論上解決了交流電機轉

11、矩的高性能控制問題。其基本思想是在普通的三相交流電機上設法模擬直流電機轉矩控制的規律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產生磁遙的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調節。這樣交流電機的轉矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了嘲。同時高性能交流伺服系統的發展也離不開先進控制策略的成功應用，優良的控制策略不但可以彌補硬件設計方蕊的不足，兩且能進一步提高系統的性能。隨著微電子技術的迅速發展和各種商性能微處理器的不斷推恕，使季導以前許多在模擬控制器中難以實現的先進但復雜的控制策略，可以在伺服系統中得到應用羽。目前在交流伺服系統中應用的各種控制策略

12、大致可以分為如下三類：（）針對交流電機數學模型的控制策略，即傳統的控制策略，如。反饋控鑭。控制算法蘊含了動態控制過程中的過去、，現在和將來的信息麗且其配置幾乎為最優，是交流伺服系統中最基本的控制方式，其應用廣泛，與其它新型控制思想相結合，形成了許多有價值的控制策略。在對象模型確定、不變化且為線性，以及在操作條件、運行環境確定不變的條件下，采取傳統控制策略是最為簡單有效的。，（）基于現代控制理論的控制策略，如：自適應控制、交結構控制、魯捧控制、預測控制等。現代控制策略考慮了對象的結構和參數變化、各種非線性的影響、運行環境的改變以及環境干擾等時變和不確定因素。其中滑模變結構控制利用預先設計好的超平

13、面，采用不連續的控制規則，使控制系統實現漸近穩定。該控制策略對系統參數變化和不確定性擾動有較強媳魯棒性，并且響應速度快、無超調、動態性能好、易于實現。（）基于智能控制思想的控制策略，如：模糊控制、神經網絡控制、專家控制、遺傳算法等。其中，模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制，它是一種非線性的智熊控制。它不像傳統的控制器那樣需要精確的數學模型，它用自然語言來描述系統，因此更符合人們的思維方式。模糊控制具有對對象的數學模型要求不高和魯棒性好的特點，非常適合于菲線性系統【。在三類控制策略中，傳統控制策略最為籬單有效。但是，純粹基于電機數學模型的控制策略存在一個

14、很大的弱點，即不可避免地要受到電機參數變化的影響，麗且對交流電機數學模型的認識還需進一步提高。有了先進的控制理論，就必須要有能夠實現這些控制理論的實用器件，才能發揮理論存在的實際意義。世紀后半葉，計算機技術的迅猛發展對高性能交流伺服系統的實現產生了強有力的推動作用。各大廠商基于各種單片機，設計了大量的電機專用控制芯片，從位機、位機發展到位機，運行頻率由凡兆到現在的上千兆，運算速度成倍提高，各種數字控制算法得以完成，各種先進韻控制理論算法也得以實時實現。但是傳統的基于單片機的電機控制系統，需要較多的外部硬件，運算速度不高，難以實現一些較為復雜的控制算法，實時性很難得到保證。因而隨著對控制性能越來

15、越贏的要求和控制方法復雜度的提高，傳統的單片機已經很難適應實際的要求。控制器由于其本身的特點成為永磁電機控制的必然選擇。（數字信號處理器）原是用于信號處理領域的芯片，由予其極強的數字處理能力，現在也被用于電機控制領域，來完成隧益復雜的控制算法。、等廠商將用于電機控制的各種外圍器件封裝于中，生產出電機控制的專用芯片，簡化了硬件設計電路，提高了可靠性。運算功能強大，能實現高速輸入和高速率傳輸數據，專門處理以運算為主不允許延遲的實時信號，高效進行快速傅立葉變換運算；它包含靈活可變豹溈接口和片內資源，高速并行數據處理算法的優化指令集，其先進的品質與性能可為電機控制提供高效可靠的平臺。由于采用了多總線的

16、哈佛結構，內部設置了專用硬件乘法器以及專翔的命令，使其具有高速運算功能，在一個機器周期之內就能完成乘法運算，這比通用微處理機快倍，能夠實時實現復雜控制算法。由組成的全數字化驅動系統可以通過修改控制程序，無須改變系統硬件，便可以實現不同的控制算法，實現控制的軟件化、柔性化。隨著技術永平的提高，其價格不斷降低，露性能卻得到了不斷改進，所以被廣泛應用于交流驅動領域疆。上述各種有利因素的成功應用為永磁同步電機性能的改善開辟了廣闊的前景。在具體應用方面，如何取消位置傳感器和改善永磁同步電機速度調節算法成為永磁同步電機伺服領域的爵大研究熱點。選題的背景及研究意義永磁同步電機本身具有菲線性和不確定性，存在許

17、多不利予系統性能提高的因素，如：（）非線性因素：電機力矩波動、磁路飽和、耦合力矩、干擾力矩等；（）參數交化：負載變化帶來的轉動慣量變化、溫度升瘋導致的參數漂移；（）機械諧振及高頻未建模動態；（）測量延遲及測量噪聲。由于上述因素存在，想建立精確的數學模型是很困難的，只能建立一個近似第一章緒論的數學模型。在建模時，要作合理的近似處理，要忽略對象中的不確定因素，諸如參數誤差、未建模動態、測量噪聲以及不確定的外干擾等。由近似模型出發設計控制器，設計中被忽略韻不確定因素會引起控制系統品質惡化，甚至導致不穩定。因此，考慮對象的不確定性，使所設計的控制器在不確定性對系統品質的破壞最嚴墓時也能滿足要求，具有一

18、定的工程實際意義。個高性能的交流伺服系統必須具有良好的快速性、穩定性、對系統干擾和系統參數變化的普棒性，這就對控制策略方面的要求很高，磷這些要求不是一般傳統控制策略（如控翱）所能滿足的。理想控制策略不僅要滿足系統具有良好的動、靜態性能，而且還應對系統的負載擾動和電機參數變化其有強魯棒性。變結構控制（，）本質上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續性。這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統的“結構一并不固定，而是可以在動態過程中，根據系統當前的狀態（如偏差及其各階導數等）有目的地不斷變他，追使系統按照預定的“滑動模態（狀態軌跡）運動，所以叉常稱變結構控制為滑模控制（，），即滑模變結

19、構控制】。由于該“滑動模態”可以進行設計且與控制對象的參數及系統擾動無關，這就使得滑模變結構控制具有快速響應、對參數變化及外界干擾具有強魯棒性、物理實現簡單等許多優點。但是抖振闖題是阻礙滑模變結構控制廣泛應用的主要原因。抖振對于許多實際系統，特別是機電系統是十分有害的。由于有的系統部件不能承受高頻切換，抖振的發生將影響系統控制的精確性，增加系統的能量消耗；而且系統中的高頻未建模動態根容易被激發起來，破壞系統豹性能。因此抖振問題已經成為滑模變結構控制應用的突出障礙，是影響滑模變結構控制技術應用靜主要原因。解決抖振問題實際上是解決系統穩態的穩定性和精度問題。因此解決抖振問題不論是對于滑模變結構控制

20、的理論發展還是實際應用都有重要意義。模糊控制理論作為控制領域中非常有發展前途的一個分支，它具有許多傳統控制方法無法與之比擬的優點弭：（）使用語言方法，不需要掌握過程的精確數學模型；（）完全在人類長期積累的控制經驗的基礎上實現對系統的控制，是解決不確定性系統的一種有效途徑；（）對控制對象參數的變化具有較強的適應性；（）具有較強的魯棒性模糊控制雖然具有對對象的數學模型要求不高和魯棒性好的特點，非常適合于非線性系統，但是模糊控制本質上是一個有差系統，不能完全消除靜差。通常的做法是將模糊控制與常規控制（如控制）楣結臺舊，構成復合的控制系第章緒論統，針對以上提出的滑摸變結構控制和模糊控制各自優缺點，可以

21、將二者結合起來，用模糊控制降低滑模控制器的抖振】。同時在模糊和滑模控制的基礎上，通過加受載觀測器補償兩種方法在負載變化時存在的系統靜差。這就是本文針對永磁同步電機調速控制系統的采用模糊滑模控制的基本設計愿路。鑒于上述特點，論文以模糊控制與滑模控制相結合的控制方法在永磁同步電機的轉速控制中的應用為主題展開研究。期望所做的研究能對促進永磁同步電機的發展起到積極作用。，本文研究內容及主要工作本文主要進行了下述幾個方面的工作：（）首先對永磁同步電機的數學模型進行了分析，并結合矢量控制技術，推導了永磁同步電機在坐標系下的線性解耦狀態方程。對空間矢量脈寬調制方法（）作了研究，并采用轉予位置定向的矢量控制方

22、案，在，玳環境下構建了永磁網步電機伺服系統的仿真模型。（）利用滑模變結構控制魯棒性強的特點，將其應用于永磁同步電機伺服系統的速度控制，構造了常規滑模速度控制器，通過仿真曲線分析了該控制器的控制效果以及控制器參數對系統性能的影響。然后根據分析設計了基于負載觀測器的滑模控制器，并在此基礎上設計時變切換增益的滑模控制器。搭建了控制系統的仿真模型，為了提高系統的仿真速度和效果，對模型做了部分改進。（）分析了模糊控制和滑模控制的優點，設計了基于模糊切換增益自調節的滑模控制器以用于永磁同步電機飼服系統的速度控制，完成了該控制器算法函數的實現，并搭建了仿真模型、做了仿真分析。，第二章永磁同步電機的矢量控箭第

23、二章永磁同步電機的矢量控制電動機調速的關鍵是轉矩控制，轉矩控制的要求是響應快、精度高、脈動小、系統效率和功率因數高等。任何拖動系統都服從的基本運動方程：要：乏互盤。（）式中，（）折算到電機軸上的總轉動慣量；（）電機轉速；（）一電磁轉矩；（）折算到電機軸上的總負載轉矩。從（）可以看出，電磁轉矩可以作為控制量影響轉速。如果能快速準確地控制轉矩，使得傳動系統在負載擾動時獲得較小的動態速降和較短的恢復時聞，那么，調速系統就具有較高的動態性能。因此，調速系統性能好壞的關鍵是電磁轉矩控制的如何。在矢量控制中，電磁轉矩控制的關鍵是電流矢量的控制。矢量控制矢量控制的關鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相

24、位）的控制。矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施仍然是落實到對定子電流（交流量）的控制上。由于在定予側的各個物理量，包括電壓、電流、電動勢、磁動勢等等，都是交流量，其空鬩矢量在空闖以同步轉速旋轉，調節、控制和計算都不是很方便。因此，需要借助于坐標變換，使得各個物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系，然后，站在同步旋轉坐標系上進行觀察，電機的各個空間矢量都變成了靜止矢量，在同步坐標系上的各個空聞矢量就都變成了直流量，可以根據轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量盼各個分量之闖的關系，實時地計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。按照這些給定量進行實時控制，就可以達到

25、類似直流電機的控制性能。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的蜜流給定量變換成實際的交流給定量，在蘭相定子坐標系上對交流量進幸亍控制，使其實際值等于給定值。后來這種控制思想第二章永磁同步電杌鶴矢量控翩被拓展應用到永磁同步電機控制中，其基本的控制思想是通過控制垂壹于轉子磁鏈矢量的定子電流矢量來控制電機的電磁轉矩。所以為了更好地理解矢量控制，必須了解坐標變換的概念。永磁同步電機矢量控制系統孛采用的電流控制方法主要有：控利；妒控制；轉矩電流比最大控制；恒磁鏈控制等。本文主要選擇豇這種控制方斌進行討論。坐標變換交流電機的

26、動態數學模型非常復雜，實際應用中必須予以簡化，簡化的基本方法是坐標交換】。一、三相定子坐標系和兩相定子坐標系之間的坐標變換永磁同步電機的定子繞組為蘭相對稱繞組，其軸線分剮為、，且彼此在空間上互差電角度，當定子通入三相對稱交流電時，就產生了一個旋轉的磁場。將定予兩相靜止坐標系的程軸和定子三棚靜止坐標系的軸重合，軸在空間上逆時針超前伐軸。電角度。當、組成的兩相繞組內遙入兩相對稱正弦電流時，也會產生一個旋轉磁場。所以定子兩相靜止坐標系可以代替定子三相靜止坐標系進行分析，以簡化運算過程。定義島，為定予三相靜止坐標系到定子兩相靜止坐標系的變換陣（以下簡稱變換陣），在滿足功率不變的前提條件下，可得到變換陣

27、污，一巫一巫（）若要從兩相坐標系變換到三相坐標系，對矩陣求逆后，可尋變換陣，厘吒婦 小點（）第二章永磁同步電梳的矢董控制由于在實際應用中，定子的三相繞組往往遙入三相對稱的電流，即。所以可得如下的變換關系盼阡 后。仨萬啦辱。壓、兩相定子靜止坐標系與兩相轉予旋轉坐標系之聞的坐標變換 （）（）轉子坐標系固定在轉予上，其軸位于轉子磁極軸線，軸在空間上逆時針超前軸。電角度，該坐標系和轉子起在空閱上以轉予角速度彩旋轉，故稱為旋轉坐標系。兩相靜止坐標系到旋轉坐標系的變換示意圖如圖所示“審蠢二乃球一圖、多坐標系到文坐標系之間的變換關系圖中，妒為兩種坐標系之聞的夾角；蠢、審，奄、島分剮為電流主矢量在疆、軸和、軸

28、上的分量；為轉子旋轉角速度。定義為理、坐標系到、坐標系的變換矩陣匕鞠定義懿郴為、坐標系到疆、坐標系的變換矩陣捌； （）（）第二章永磁霹步耄視戇矢藿控涮蘭、蘭相定子靜止坐標系與兩相轉子旋轉堂標系之聞的坐標變換、坐標系與、坐標系的變換關系為：眺出幽（。¨）觚（。州）嘲協）冀逆交換為：，二囂式中移為、旋轉坐標系戇軸乓糨繞組轆線之閡豹夾懿。董。永磁同步電視數學模型（）永磁簡步電桃和普通電勵磁蘭相同步電梳的定子是褶議的。如萊永磁體產生麴感應逛動勢（即反毫動勢）與勵磁線耀產生豹感應電動勢耀溺，也是正弦的，那么永磁瞬步電機的數學模型與電勵磁網步電機基本相閹。在建立數學模型時，為了簡化分析過程，常忽

29、略一些影嗨較小的參數。在推導永磁瞬步電視模型時，鬻骰如下假設：（）定予繞組形連接；（）定予磁場里正弦分布，不考慮諧波及飽和：（）不詩瓣流彝磁滯損耗；（）轉予上沒有阻尾繞組，永磁體也沒有阻尼作用。由式（）可知，速度的動態特性在負載轉矩一定時，取決于輸出轉矩露。誘毫動撬鶼轉矩是電磁場和電流共霹決定豹，醫此，對毫動梳的控鍘實際上是對磁場和邀流鯰控制。一，永磁同步電機在坐標系下的模型在上述條件下，永磁同步電機的電壓方程為剛孑孝秒疹一投嚴鏟鰳搿艫一娠玨，。嘆。奄崦三一一汝埯毽趣§第二章永磁同步電機的矢量控制式中、“、為備相繞組相電壓；、珀、為三相定子繞組的相電流；陬、鰳、她為備相繞組總磁鏈；感

30、為各相繞組電阻；為微分算子（）。磁鏈方程為剛豢麓，鉚式中薩國，為轉子旋轉角速度；三觳（囝為各相繞組的自感；蜘（毋為各相繞組之間的互感；嫉為轉子磁場的等效磁鏈。三相繞組在空間上呈對稱分布，并且通入三相繞組中的電流是對稱的，則有以下條件成立轉矩方程為奄電厶，如島厶鶿鶿，如鼻毛（？）荊蓉站沼式中階為電機極對數。由永磁同步電機的轉矩方程可知，永磁同步電機為多變量、非線性、強耦合的時變系統。、永磁同步電機在坐標系下的模型永磁同步電機的反電勢、定子電壓、電流的波形都是正弦的。那么經過坐標變換，可以得到坐標系下的永磁同步電機的定子磁鏈方程為杪÷妒（）咿式中甄，為、軸定子磁鏈；如，毛為、軸定子電流；

31、，三為、，咿伊”洲枷一一盼卜弋，第二章永磁同步電機的矢藿控制軸定子電感；譏為轉子磁場的等效磁鏈。永磁同步電機的定子電壓方程為搿篇聶。氣妙一緲杪掰。礦，式中，鞠為、軸定子電壓；震為定子棚電阻；是微分算子。電磁轉矩可由下式求得瓦三鼓心一虬蠢將式（）代入整理得乏盼（厶一）屯朝（）（）（）由式（）可以看出，永磁同步電機的電磁轉矩基本上取決于定子交軸電流分量與定子蠱軸電流分量。在永磁羼步電機中，賚于轉子磁鏈恒定不變，故可以采用轉予磁場定向方式來控制永磁同步電機。在基速以下，懂轉矩運行區中，采用轉子磁鏈定向的永磁同步電機定子電流矢量位于軸，無軸分量。此時，控制軸電流為零（如），使勵磁磁場與電樞磁場正交，這

32、就是通常所說的“磁場定向”，其情形與直流電動機完全類似了。永磁同步電機的電壓方程轉變為電動機的轉矩方程為甜攔（）“黿攔。妙國吵，魏囅二（）由轉矩方程式（一）可以看出電機的輸出轉矩與電流乇呈線性關系。所以只要能準確地檢測出轉子空間位置，通過控制逆交器使三相定子的合成電流位予軸上；那么，永磁同步電機的電磁轉矩就只與定子電流的幅值成正比，故其需控制毛的大小就可以控制永磁同步電機的輸出轉矩。第二章永磁同步電機的矢量控制永磁同步電機矢量控制調速系統圖是永磁同步電機矢量控制（毛）調速系統框圖。圖永磁同步電機矢爨控制調速系統框圖永磁同步電機矢量控制調速系統包含下露六個部分：一、位置、速度檢測模塊；二、電流采

33、樣模塊；三、速度控制器和電流控制器；四、坐標變換模塊；五、計算模塊；六、整流和逆變裝置。永磁同步電機矢量控制調速系統控制過程由永磁同步電機數學模型的分析可知：定子電流在，軸上的分量決定電磁轉矩的大小。褥電機調速的關鍵就是對轉矩的控制，永磁同步電機矢量控制的實質就是通過對定子電流的控制來實現對轉矩的控制。當電機轉速在基速以下時，在定子電流給定的情況下，控制乇可以更有效的產生轉矩，這時電磁轉矩就隨著乇的變化麗變化。控制系統只要控制的大小就能控制轉速，實現矢量控鍘。永磁同步電機矢量控制很容易實現，只要使實際豹毛、之與給定的、相等，也就滿足了實際控制的要求。在實際控制中，檢測到的定子電流是、坐標系上的

34、三相對稱電流，不是、，所以必須進行坐標變換。由于，所以公式（，）可以簡化為式（）。跏朝協。）由此可冤，電流檢測只需檢測任意兩相電流即可。獅吣“。蝴刪蓄永磁同步電機矢量控制調速系統的控制過程如下：（）通過轉子位置傳感器檢測出轉子角位置，同時計算出轉子的速度，檢測定子的兩相電流、島，經、軸到、軸的矢量變換后得到“屯：（）將檢測到的電機實際轉速掰和給定轉速甌，相比較，經速度控制器（）輸出交軸電流給定；（）把交、直軸電流給定值分別與實際值相比較（這里令直軸電流給定），然后分別經電流調節器，輸出交、直軸電壓值和“。，和材。再經過坐標變換，生成饈、多軸系上的電壓值蠔和；（）確定醵和的合成矢量位于空間電壓矢

35、量所圍成的個扇區中的位置，并且計算該扇區內兩相鄰電壓矢量以及零矢量各自所占的時間，最后給的個全比較單元的比較寄存器賦值，輸出六路驅動，產生可變頻率和幅值的三相正弦電流，輸入電機定子繞組。空間矢量脈寬調制空間電壓矢量脈寬調制（）是一種新的方法，它是以“磁鏈跟蹤控制為目標，能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成份及電機的諧波損耗，降低脈動轉矩。是由蘭相功率逆變器六個功率開關元件的特定開關模式產生的脈寬調制波，它與傳統的正弦波不同，調制方法將逆變器和電機視為一個整體，著眼點是使嗽機獲得幅值恒定的旋轉磁場，把峨機和控制器作為個整體考慮。和傳統的方法相比，是一種優化的方法，具有直流電壓利用率高、轉矩脈動小的優

36、點，并且易于實現數字仡澎。圖厶是三相電壓源逆變器原理圖。，圖三栩電壓源逆變器原理圈直流側中點為參考點，為直流母線電壓。電機的相電壓依賴于對應橋臂上功率管的開關狀態。將邀變橋著作理想開關，并定義開關量（，）代表三相的開關狀態，表示上橋臂開通，表示下橋臂開通。對于不同的開關狀態組合，可以得到八個交角互差。的基本控制矢量，它們分另對應逆變器的八個開關模式。在八個開關模式中，（）和（）對應輸出的電壓空間矢量為零，我們把這兩個電壓空間矢量稱為零矢量。其它六個矢量稱為有效矢量，有效矢量的模為璣。電壓空間矢量脈寬調制的目的就是通過控制個功率開關的種工作狀態采逼近電機工作所需要的任意時刻電壓矢量以從麗達到較高

37、的控制性能。逆變器輸出的電壓矢量及扇區如圖所示。，。冬圖逆交器輸出鰉電盛矢囊及扇區由于變換器實際所能產生的矢量（有效矢量和零矢量）有限，不可能輸出角度連續變化的空間矢量。為獲得旋轉的電壓空間矢量，只有利用各矢量的作用時聞的不同來等效地合成所需要的矢量。對任意給定的參考矢量，當它位于由酞和甌組成的扇區內時，利用兩個非零電篷矢量氓、和囂個零電壓矢量合成參考電壓矢量。參考電壓矢量合成的原理如圖所示。于是有圖參考電鹺矢量臺成原理圖砜五珞瓦珞寫（）式中為系統周期；瓦為酞作用時間；取為作用時間；磊為甌（）作用時間。式（）的意義是，電壓矢量在時問內所產生的積分效果與、婊及零矢量分別在瓦、取，和磊時間內的積分

38、效果相同。零矢量只是補足五、靠以外的時聞，它對矢量的合成不產生影響。由伏安平衡法則和矢量合成的平行四邊形法則，剝用三角形的正弦定理可得各電壓的作用時間為：露石（妒），疋壓，（）囂一墨在每個調制周期內，為使逆變器輸如波形對稱，把每個基本矢量的作用時闐都一分為二，同時兩個零矢量碥和的作用時間相同。當參考電壓位于第扇區時，一個調制周期內產生的開關序列為砜一礬一醵一一一砜一一乩（）這樣即可以提高直流電壓的利用率，又可以降低逆變器輸出的諧波含量。在第扇區內，則式（）可以表示為羅芯磊礬）編）（）波形如圖所示。：卜卅：；：廣：脅；：；：（】；）：（）：（）：（呔圖第燃痢區、理波形總結起來，有以下特點】：（）

39、每個小區間均以零電壓矢量開始和結束；（）每個小區闖內雖有多次開關狀態的切換，但每次切換只牽扯到一個功率開關器件，因而開關損耗小；（）利用電壓空間矢量直接生成三相波，計算簡便；（）電機旋轉磁場逼近圓形的程度取決于小區闖時間丁的長短，丁越小越逼近圓形，但的減小受到所用功率器件允許開關頻率的制約；（）采用電壓空闖矢量控制時，逆變器輸出線電壓基波最大幅值為直流側電壓，這比一般酶逆變器輸出電垂贏。系統仿真實現是公司推沿的一套高效率的數值計算和可視純軟件。它除了具有強大的矩陣運算功能外，還提供豐富的圖形繪制、數據處理、圖像處理等便利工具。集成在中的是一個集建模、仿真和系統分析為一體的軟件包，主要用于系統的

40、動態仿真。它不但具有直觀、便捷、準確的優點。而且中的工具箱和模塊庫必我們實現多種控割策略提供了強有力的工具【矧。本系統就是在的環境下，完成對永磁同步電機矢量控制調速系統的仿真。圖為仿真模塊的整體框圖。圖厶整體框圖圖為自帶的永磁同步電機本體及信號檢測模塊，其中電機內部的參數可以根據仿真對象的不同進行調整。副哪圖永磁同步電枧本體及信號檢測模塊由已經得到的模型，并根據里自帶的永磁同步電機模塊和信號檢測模塊，可組成永磁同步電機調速系統的整體仿真模型，在此模型基礎上便可對永磁同步電機的矢量控制調速系統進行仿真分析。系統整體仿真結構如圖所示。圖系統整體仿真結構圖由圖可知，本仿真模型主要由模塊、速度控制模塊

41、（滑模控制器）、測量模塊、觀測器模塊以及電機本體模塊五部分組成。以后各章的系統整體仿真框圖和圖相同，只是速度控制器的內部結構圖不同。以囂各章只給出控制器的仿真結構圖。本文仿真用的電機主要參數為：額定功率；額定轉矩；顴定電壓魄；額定轉速耘額定電流船；定予電感定子電阻；永磁體磁鏈電機極對數踟。本章小結本章首先介紹了廣泛應用的矢量控制理論；接著結合坐標變換原理，給趲了永磁同步電機在坐標系下的數學模型，弗詳細討論了永磁同步電機的矢量控制方法，為后續章節的理論分析和應用提供了重要的理論基礎；最后在懋環境下構建了永磁同步電機矢量控制系統的仿真模型，為后續章節的仿真奠定了基礎。第三章永磁同步電機的滑模交結構

42、控制第三章永磁同步電機的滑模變結構控制因為永磁同步電機本身是一個非線性系統，所以采用傳統的線性控制器容易受電機參數變化和負載擾動等不確定性豹影響，系統的動態響應和抗擾能力不能很好地兼顧。滑模變結構控制本質上是一類特殊的非線性控制，系統的“結構并不固定，麗是可以在動態過程中，根據系統當前狀態有目的地不斷變化，迫使系統按照預定的“滑動摸態運動。滑動模態是可以設計的，且與系統的參數及擾動無關。所以滑模變結構控制對外部擾動和系統參數變化不敏感，具有很強的魯捧性。恧且滑模變結構控制還具有響應速度快、容易與其他方法綜合和實現簡單的優點，所以很適合于電機調速控制系統¨射。永磁同步電機的狀態方程本文

43、采用的是西裝式永磁同步電機，即永磁同步電機的交、直軸電感相同三氣矗。同時假設磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗影響，空間磁場呈正弦分布。利用矢量控制的方法，即令，則永磁同步電機可取如下的數學模型電出出事爭圍轆件）式中、毛為軸上的定子電壓和定予電流；題為定子相電阻；熱為極對數、，為轉動慣量、為摩擦系數；辨為永磁體磁鏈；冕為負載轉矩；為轉子機械角速度。式（）即為永磁同步毫機的線性解耦狀態方程。則永磁同步電機的運動方程為式中墨半。西；（赫一加一五）（）墨三童查壁塑生魚塑塑塑豎壅竺塑笙型定義狀態變量，薯一國（螄力系統參考轉速，假設為一常數，控制量材為，則狀態方程為上式可表示為毫二二等五號掰專瓦手（）毫嘲式

44、中一；浯堡；掰毛；型爭考慮方程中的不確定性，有（）毫（）掰矗）（）式中躁、曲、耐即為對應項的不確定因素。整理縟毫熙÷豁）式中勢總的不確定性，表示為（）盈（）常規滑模控制器（）滑模變結構控制在狀態空閾中為控制系統設計一個特殊的超平面，利用不連續的控制規律，不斷地變換系統的結構，即在一定條件下沿著撰定的狀態軌跡傲切換運動，迫使系統狀態沿著這個規定的超曲面向平衡點滑動，最后漸近穩定子平衡點或平衡點的某個容許的鄰域內。下蕊以二階系統為例討論基本概念。，（）【宕一第三章永磁同步電杌的滑模交結構控鐒式中而、恐是狀態變量；材為控制董；口、和是定常或時變參數。考慮不連續控制丘葶材【群一毒式中控制量群掰一，葶是切換函數。囂恐（）（）壹線是切換線，在這個線上，控制量掰是不連續的。當時閹時，狀態在一側，且在材的作用下，在有限時間內到達切