滑模控制永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)

1、<p>　　天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)</p><p>　　Tianjin University of Technology and Education</p><p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計</b></p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班級學(xué)號：

2、自0902-11 </p><p>　　學(xué)生姓名： 林建平 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 韓春曉 教授 </p><p><b>　　二〇壹叁年六月</b></p><p>　　天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計</p><p>　　滑模控制永磁同步電動機調(diào)速系

3、統(tǒng)</p><p>　　Sliding Mode Control for PMSM Drive System </p><p>　　專業(yè)班級：自0902</p><p><b>　　學(xué)生姓名：林建平</b></p><p>　　指導(dǎo)教師：韓春曉 教授</p><p>　　學(xué) 院：自動化學(xué)院&

4、lt;/p><p><b>　　2013年 6月</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　對于轉(zhuǎn)子直流勵磁的同步電動機，若采用永磁體取代其轉(zhuǎn)子直流繞組則相應(yīng)的同步電動機就成為永磁同步電動機。而永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小、重量輕、損耗小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點，主要用于要求響應(yīng)快速

5、、調(diào)速范圍寬、定位準確的高性能伺服傳動系統(tǒng)和直流電機的更新替代電機。由于永磁同步電動機對內(nèi)部振動很敏感，所以引入了滑模變結(jié)構(gòu)控制控制策略（SMC）以提高系統(tǒng)的魯棒性。本文給出了一種變參數(shù)SMC方法，對SMC控制器進行設(shè)計并對其仿真和實驗研究，該方案設(shè)計的SMC控制器表達式和PI控制一樣簡單，結(jié)果證明所設(shè)計的SMC控制器能有效的提高系統(tǒng)的魯棒性和動態(tài)性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PI控制；永磁同步電動機；SMC

6、控制；魯棒性</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　For synchronous motor rotor DC excitation, synchronous motor with permanent magnet rotor if replaced the DC winding corresponding becomes the

7、 permanent magnet synchronous motor. The permanent magnet synchronous motor has the advantages of simple structure, small volume, light weight, low loss, high efficiency, high power factor, advantages, mainly for fast re

8、sponse, wide speed range, accurate positioning and high performance servo drive system and DC substitute motor. Permanent magnet synchronou</p><p>　　Key Words：PI control, Permanent magnet synchronous ,Slidin

9、g mode control, Robustness</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景…………………………………….1</p><p>　　1.2永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展

10、歷程1</p><p>　　1.3滑?？刂朴来磐诫妱訖C的概述2</p><p>　　2永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型和工作原理4</p><p>　　2.1永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)方程4</p><p>　　2.2永磁同步電動機的雙反應(yīng)理論5</p><p>　　2.3永磁同步電動機的等效電路6</p>

11、<p>　　2.4永磁同步電動機的損耗和效率7</p><p>　　2.5永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型8</p><p>　　3控制器的設(shè)計11</p><p>　　3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本定義11</p><p>　　3.2滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法12</p><p>　　3.3滑模變結(jié)

12、構(gòu)控制的特點13</p><p>　　3.4 SMC控制器的設(shè)計14</p><p>　　3.5穩(wěn)定性分析15</p><p>　　3.6 SMC控制器與PI控制器的比較……...............................................................16</p><p>　　4仿真和實驗

13、研究18</p><p><b>　　結(jié) 論21</b></p><p><b>　　參考文獻22</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　1 引 言</b></p><p

14、>　　1.1永磁同步電動機的發(fā)展概況和發(fā)展前景</p><p>　　近年來，隨著電力電子技術(shù)的新型電機控制理論和稀土永磁材料，永磁同步電機的快速普及和應(yīng)用的快速發(fā)展。與傳統(tǒng)的電勵磁同步電動機相比，永磁同步電機，特別是稀土永磁同步電機損耗少，效率高，節(jié)能效果明顯。用永久磁鐵激磁的永磁同步電機的，電機的結(jié)構(gòu)比較簡單，降低加工和裝配的成本，并且消除了需要容易出錯的集電環(huán)和電刷的電動機的操作，提高了可靠性，因為需要

15、電流的勵磁損耗，提高電機的效率和功率密度，所以它是在最近幾年的研究，越來越被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域的電動機。在能源節(jié)約和環(huán)境保護日益受到重視，他們的研究是非常必要的。</p><p>　　所述交流電動機的速度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個高層次，多變量，非線性，強耦合系統(tǒng)的主要組成部分的一個，通過一系列的假設(shè)和坐標變換，我們得到一個相對簡單的數(shù)學(xué)模型，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，但模型不能準確反映速度控制系統(tǒng)的暫態(tài)過程，使傳

16、統(tǒng)的線性調(diào)節(jié)規(guī)律的交流驅(qū)動系統(tǒng)有一定的局限性。大多數(shù)傳統(tǒng)的永磁同步電機控制器采用PI調(diào)節(jié)器，PI控制算法是簡單的，能夠在一定范圍內(nèi)，以滿足控制要求，但需要精確的數(shù)學(xué)模型。外部干擾和內(nèi)部擾動的不確定性在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的PI控制器難以滿足高性能控制的要求，它是難以得到滿意與州長性能的定位，系統(tǒng)的魯棒性不理想?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，永磁同步電機的高性能控制器實現(xiàn)提供了可能性，但該控制方法的復(fù)雜性限制了它的廣泛應(yīng)用。</p>&l

17、t;p>　　1.2永磁同步電機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程</p><p>　　永磁同步電機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)應(yīng)用的逐漸成熟，如SVPWM SVM-DTC，DTC，MRAS方法在實踐中應(yīng)用。然而，在實際應(yīng)用中，各種控制策略存在一些缺點，如低速特性是不理想的，過度依賴電機參數(shù)，等等，因此，研究存在的問題，在控制策略有很大的意義。</p><p>　　在1971年，德國學(xué)者交流電機矢量控

18、制的新思路，新理論和新技術(shù)，它出現(xiàn)交流電機控制技術(shù)，具有非常重要的意義。因為向量變換的AC構(gòu)成一個面向外地的閉環(huán)控制系統(tǒng)，與直流系統(tǒng)的控制性能。然后，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計算機技術(shù)和永磁材料科學(xué)，矢量控制技術(shù)，快速的應(yīng)用程序開發(fā)和推廣。機電能量轉(zhuǎn)換，電機統(tǒng)一理論的發(fā)展空間矢量矢量控制理論的基礎(chǔ)上，首次應(yīng)用三相異步電動機，并很快擴展到三相永磁同步電動機。由于三相感應(yīng)電動機正在運行時，熱量將導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化，同時觀察在轉(zhuǎn)子的

19、轉(zhuǎn)子磁場的依賴關(guān)系中的參數(shù)，從而使磁場的轉(zhuǎn)子，使控制的實際效果是很難實現(xiàn)的理論結(jié)果的分析，這是矢量控制方法的不足之處，是難以精確地觀察到。永磁同步電機轉(zhuǎn)子的永久磁鐵固定的參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于永磁同步電機矢量控制的低功耗和高精度的場合。隨后，在1985年，由德國魯爾大學(xué)教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，然后擴展到磁電式轉(zhuǎn)速范圍。相比，矢量控制技術(shù)，矢量控制三相異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制特性易受電機參數(shù)變化的影響，在很大程度上解決這個問題。直接轉(zhuǎn)矩控

20、制的誕生，一個新的控制自己的思想，簡明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)性能的普遍關(guān)注，并</p><p>　　20世紀90年代，隨著微電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，高速，高集成度，低成本的微處理器被釋放和商業(yè)化，全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。計算機控制使電機的轉(zhuǎn)速性能已大大提高，可以實現(xiàn)復(fù)雜的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，大大簡化了硬件，降低成本，并提高了控制精度，但也有保護顯示，故障監(jiān)測，自診斷，自我調(diào)試和自復(fù)位功能。此外，改

21、變控制策略，這一修正案，容易控制參數(shù)和模型，從而大大提高了系統(tǒng)的靈活性，可靠性和實用性。近年來，國家的最先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)，有幾家公司已經(jīng)推出了專門用于電機控制芯片。可以快速完成系統(tǒng)的速度環(huán)，電流環(huán)和位置環(huán)精度快速調(diào)整和復(fù)雜的矢量控制，以確保算法，用于電機控制，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制高速，高精度完成。非線性解耦控制，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，模型參考自適應(yīng)控制，觀察控制和狀態(tài)觀測器，線性二次積分控制和模糊智能控制等新的控

22、制策略不斷涌現(xiàn)，更廣闊的前景。因此，高性能的數(shù)字信號處理器，數(shù)字式交流永磁伺服智能控制系統(tǒng)，交流伺服系統(tǒng)是一個重要的發(fā)展方向。</p><p>　　1.3?？刂朴来磐诫妱訖C的概述</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制在20世紀50年代，前蘇聯(lián)學(xué)者Utkin和Emelyanov變結(jié)構(gòu)控制的概念，研究對象：二階線性系統(tǒng)。在20世紀60年代，研究對象：高階線性單輸入單輸出系統(tǒng)。專注于高階非線性系

23、統(tǒng)線性切換功能限制和不受限制的二次開??關(guān)功能的控制下。 1977年：發(fā)表評論Utkin紙變結(jié)構(gòu)控制，變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)VSC和滑?？刂芐MC。從那時起，來自不同國家的學(xué)者開始研究多維滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的規(guī)范空間擴展到更普遍的狀態(tài)空間。中國學(xué)者首次提出了高兵元氏達到法律的概念，首次提出的概念分層的自由?；？刂葡到y(tǒng)的參數(shù)攝動和外部干擾的不變性量來控制高頻抖的價格。近年來，研究人員嘗試SMC應(yīng)用于各類電機位置伺服系統(tǒng)，研究表明，它可以有效地提

24、高隨時間變化的非線性摩擦和負載，從而提高系統(tǒng)的魯棒性，一些學(xué)者已經(jīng)開始探索永磁同步電機SMC技術(shù)，調(diào)速系統(tǒng)為永磁同步電機位置傳感器速度控制系統(tǒng)，提高精度的速度觀察員。 SMC永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制和相關(guān)的實驗證明，SMC可以改善直接轉(zhuǎn)矩控制電流磁通和轉(zhuǎn)矩脈動。 ü罷工與S＆形式趨近律，接近自然法則，以滿足的s＆<0的穩(wěn)定性條件得到控制量u的接近法，以滿足工程變更參數(shù)</p><p>　　從實用的

25、角度來看，基于矢量控制的永磁同步電機調(diào)速控制系統(tǒng)的特點，SMC控制器設(shè)計的一個簡單實現(xiàn)。首先選擇第一滑動面，狀態(tài)反饋的SMC控制模式，選擇，然后積分器輸出控制過濾器，SMC控制器和PI控制的最終設(shè)計表達就是這么簡單。該方法適用于矢量控制的永磁同步電動機的控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)的研究和比較，在相同條件下。理論，仿真和實驗結(jié)果表明，SMC控制器的設(shè)計可以大大提高系統(tǒng)的魯棒性，快速，有效地提高電機的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型的動態(tài)和靜態(tài)特

26、性和工作原理</p><p>　　2 永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型和工作原理</p><p>　　2.1永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)方程</p><p>　　電動機穩(wěn)定運行于同步轉(zhuǎn)速時，根據(jù)雙反應(yīng)及理論可寫出永磁同步電動機的電壓方程。 </p><p>　　= （2-1）</p><p

27、>　　式中 ——永磁氣隙基波磁場所產(chǎn)生的每相空載反電動勢有效值；</p><p>　　——外施相電壓有效值；</p><p>　　——定子相電流有效值；</p><p>　　——定子繞組相電阻；</p><p>　　、 ——直交軸電樞反應(yīng)電抗；</p><p><b>　　——定子漏抗；</

28、b></p><p>　　——直軸同步電抗，； （2-2） </p><p>　　——交軸同步電抗，； （2-3）</p><p>　　、 ——直、交軸電樞電流</p><p><b>　?。?-4）</b&g

29、t;</p><p>　　——與間的夾角，稱為內(nèi)功率角，超前時為正。永磁同步電動機的電壓方程，可以得出在不同的穩(wěn)定狀態(tài)下運行的幾個典型的向量圖，如圖2所示，為氣隙合成基波磁場所產(chǎn)生的電動勢，稱為氣隙合成電動勢；為氣隙合成基波磁場直軸分量所產(chǎn)生的電動勢，稱為直軸內(nèi)電動勢；為超前的角度，即</p><p>　　功率角，也稱為轉(zhuǎn)矩角；為電壓超前定子相電流的角度，即功率因數(shù)角。圖2.1 a）、b）

30、、c）中的電流 均超前于空載反電動勢,直軸電樞反應(yīng)均為去磁性質(zhì)，導(dǎo)致電動機直軸內(nèi)電動勢小于空載反電動勢。圖2e）中電流 滯后于，此時直軸電樞反應(yīng)為增磁性質(zhì)，導(dǎo)致電動機直軸內(nèi)電動勢大于空載反電動勢。</p><p>　　a） b） c）</p><p><b>　　e）</b></p&g

31、t;<p>　　圖2-1 永磁同步電動機的幾種典型向量圖</p><p>　　圖2-1 d）所示的是直軸增、去磁臨界狀態(tài)（與同相）下的相量圖，由此可列出如下電壓方程:</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　從而可以求得直軸增、去磁臨界狀態(tài)時的空載反電動勢：</p><p>&l

32、t;b>　　（2-6）</b></p><p>　　2.2 永磁同步電動機的雙反應(yīng)理論</p><p>　　在各種的永磁同步電動機的磁路結(jié)構(gòu)，在另外的外表面的凸轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，由于永磁材料和鐵磁材料的磁導(dǎo)率的差異過大，從而導(dǎo)致在非對稱磁路，所以他們在電性能上是所有凸極轉(zhuǎn)子[4]。因此，沿電樞（轉(zhuǎn)子）的每單位面積相同，如圖2.2所示的圓周氣隙磁導(dǎo)的點。因為這些更改轉(zhuǎn)子磁極的軸

33、線，和周期的電氣角為180°的空間是對稱的，因此，高次諧波被忽略，直軸的坐標原點時極，磁導(dǎo)率的表達可近似為： </p><p><b>　　（2-7）</b></p><p>　　式中 ——

34、磁導(dǎo)的平均值；</p><p>　　——磁導(dǎo)的二次諧波幅值；</p><p>　　——為沿電樞表面的電角度。</p><p>　　圖2-2 凸極永磁同步電動機轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)空間分布</p><p>　　使用雙反應(yīng)理論分析方法擺脫與磁動勢作用位置的磁導(dǎo)率的變化而變化的現(xiàn)象，從而使永磁同步電動機微分方程中的電感（電感和磁導(dǎo)成正比）不再是轉(zhuǎn)子位置的函數(shù)，

35、為常系數(shù)線性微分方程的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型的建立奠定了基礎(chǔ)。在轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)子巧合，直軸，d軸和轉(zhuǎn)子交叉軸和q軸的定向軸恰好重合，如此建立的永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型是很簡單的。</p><p>　　2.3永磁同步電動機的等效電路</p><p>　　如圖2.3所示，直軸或d 軸與永磁磁極的磁鏈矢量的軸線重合，這樣交軸將與合成反電動勢矢量的軸線重合。反電動勢的幅值可簡單表示為：</p

36、><p>　　圖2-3 d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向重合的同步旋轉(zhuǎn)坐</p><p>　　標系中電動機的基本矢量關(guān)系：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　三相正弦激勵電流也可表示為一個瞬時電流矢量，它由d 軸與q 軸上的標量及組成，定子供電電壓矢量也用類似的方法表示。對直軸和交軸可求得等效電路，如圖

37、2-4所示：</p><p>　　a）電動機的d軸等效電路 b）電動機的q軸等效電路</p><p>　　圖2-4 同步旋轉(zhuǎn)坐標系中永磁同步電動機d-q 軸等效電路</p><p>　?。?-9） </p><p>　　2.4 永磁同步電動機的損耗和效率</p><p&

38、gt;　　永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時的損耗包括以下四項：</p><p>　　(1)定子繞組電阻損耗</p><p>　　電阻損耗可由下面公式計算：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　(2)鐵心損耗</b></p><p>　　永久磁

39、鐵同步電動機的電動機使用的硅鋼板的材料的鐵損，也可與電動機的工作溫度中的大小變化，負載的變化。這是因為電機的溫度和負載的變化導(dǎo)致的工作點的變化的永久磁鐵電動機中，定子齒的磁通密度，磁軛部也發(fā)生變化，從而影響了電機的鐵損。工作中，溫度越高，更大的負載，定子齒，較小的磁通密度的磁軛部，較小的鐵損的電機。</p><p><b>　　(3)機械損耗</b></p><p>

40、　　永磁同步電動機的機械損失及其他電機，軸承，潤滑油，冷卻風(fēng)扇和電動機組件的質(zhì)量，機械損失可以計算根據(jù)測量值或參考其它電機的機械損失。</p><p><b>　　(4)雜散損耗</b></p><p>　　永磁同步電機的雜散損耗，沒有一個準確的計算公式一般是根據(jù)實際情況和經(jīng)驗。隨著負載的增加，電機的電流值增加，大致正比于電流平方的雜散損耗。當(dāng)最后的電子電流，電機的雜

41、散損耗（W），可以近似計算：</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　式中 ——電動機的額定相電流(A)；</p><p>　　——電動機輸出額定功率時的雜散損耗(W)。</p><p>　　永磁同步電動機的功率流程如圖2.5(a)所示：</p><p>　　a)永

42、磁同步電動機 (b)異步電動機</p><p>　　圖2-5 PMSM與IM功率流程圖</p><p>　　永磁同步電動機一般將極弧系數(shù)設(shè)計得較大，因此在相同的或電壓時，相同，較小，鐵損耗比異步電動機小[5]。</p><p>　　2.5永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　當(dāng)永久

43、磁鐵同步電動機的定子通入三相交流電，三相電流在定子繞組中的電阻電壓降。的旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的三相交流的磁場的電樞和創(chuàng)建，一方面，切割定子繞組和定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的電樞的磁力;另一方面，電磁力拖動旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的同步轉(zhuǎn)速。電樞電流將產(chǎn)生只有一個與定子繞組相交鏈繞組的漏磁通的定子，在定子繞組中感應(yīng)漏極產(chǎn)生的電動勢。此外，所述轉(zhuǎn)子的永久磁鐵所產(chǎn)生的磁場的同步速度的切割定子繞組。導(dǎo)致無負載電動勢。為了便于分析，建立的數(shù)學(xué)模型，假設(shè)以下參數(shù)：①忽略電

44、動機鐵心的飽和 ②沒有考慮到在電機的渦流和磁滯損耗，③定子和轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生的磁場沿著圓的字段根據(jù)在定子內(nèi)的正弦分布，即忽略所有的磁場的空間諧波;④各相繞組對稱，即各相繞組的匝數(shù)，取得了多項研究。 ⑤滑?？刂频挠来胖本€同步電機的固定邊界層滑?？刂萍夹g(shù)求取控制量（U）MSAT功能[6] H∞魯棒控制和滑模控制相結(jié)合，以提高永磁直線同步電機，等效控制律的魯棒性罷工一個U [7] SMC參數(shù)具有相同性，相互間相對位移軸相同的電角度。</p

45、><p>　　相當(dāng)于磁場的角度來看，該模型的三相永久磁鐵同步電動機的電壓在三相繞組的兩相繞組上的電壓方程簡化方程可以看出，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和電流，以及與它相關(guān)的是必要的，以控制電機的輸出轉(zhuǎn)矩控制，頻率，幅度和相位，從而使所述電動機控制還是很方便的。為了便于在d-q坐標系中的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為控制。</p><p>　　如上面所描述的一樣，使用的旋轉(zhuǎn)體，以建立旋轉(zhuǎn)磁場。兩個DC繞組被放置在所述旋轉(zhuǎn)體和

46、成直流源，讓所述旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁場可以得到的特性的旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)磁場的特性是相同的，它可用于永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子的d-q坐標系，我們認為這后者的效率。由于旋轉(zhuǎn)磁場的等效， - 坐標電機的數(shù)學(xué)模型可以進一步轉(zhuǎn)換成電機的數(shù)學(xué)模型下的旋轉(zhuǎn)坐標系（d-q）。即有：</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　(N2、N4為對應(yīng)繞組匝數(shù))<

47、/p><p>　　圖2-6 PMSM d-q坐標系</p><p>　　按照建立d-q坐標系，如圖2-6，d-q軸的旋轉(zhuǎn)角頻率為，d軸與軸的初始位置角為，選取d軸與轉(zhuǎn)子主磁通方向一致，即，由式(2-13)和式(2-11)，可得到d-q坐標系下永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型：</p><p><b>　　(2-13)</b></p><

48、p>　　其中：、、、為d-q坐標系下定子電壓、電流；</p><p>　　、為-坐標系下定子等效電感。</p><p>　　將式(2-13)轉(zhuǎn)化為電流形式：</p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　磁鏈方程：</b></p><p>

49、;<b>　　(2-15)</b></p><p><b>　　轉(zhuǎn)矩方程：</b></p><p><b>　　(2-16)</b></p><p><b>　　運動方程：</b></p><p><b>　　(2-17)</b>&l

50、t;/p><p>　　其中：為電機負載轉(zhuǎn)矩；</p><p><b>　　為電機阻尼系數(shù)；</b></p><p><b>　　為電機轉(zhuǎn)動慣量。</b></p><p><b>　　其他方程：</b></p><p><b>　　(2-18)<

51、;/b></p><p><b>　　(2-19)</b></p><p>　　由式(2-14)可知，在d-q坐標下對永磁同步電機的控制只需對、進行控制即可，這大大簡化了控制方法，而永磁體的磁鏈幅值恒定不變，采用時的控制方案，控制最為簡單，此時由式(2-16)知電機的電磁轉(zhuǎn)矩只與有關(guān)，即控制的大小即可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。另外，對于永磁同步電機，和通常相差不大，因此

52、可以近似認為。</p><p><b>　　3 控制器的設(shè)計</b></p><p>　　3.1滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本定義</p><p>　　變結(jié)構(gòu)控制VSC是一類特殊的非線性控制方法，在上世紀五十年代由蘇聯(lián)人Ukin首先提出。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)主要包括切換模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制、沿退化軌跡運動模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制。其中，前兩種構(gòu)造變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

53、僅適用于具體的二階系統(tǒng)中，這就限制了其發(fā)展。只有滑模變結(jié)構(gòu)控制理論得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，它與常規(guī)控制策略的根本區(qū)別在于控制會呈現(xiàn)出不連續(xù)性，又被稱作是系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時間變化的開關(guān)特性。</p><p>　　滑?？刂?sliding mode control, SMC)也叫變結(jié)構(gòu)控制，本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在

54、動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)（如偏差及其各階導(dǎo)數(shù)等）有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、對應(yīng)參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制的定義如下：</p><p><b>　　在如下的狀態(tài)空間中</b><

55、/p><p>　　有一個切換面（又稱超曲面）它將狀態(tài)空間分成上下兩部分。系統(tǒng)的狀態(tài)在到達切換面附近時，其運動會有以下三種情況：</p><p>　?、?穿越切換面上的一點（點A）</p><p>　?、?從切換面上的一點離開（點B）</p><p>　　③ 從切換面的兩邊趨向于一點（點C）</p><p>　　通常情

56、況下，將切換面上的這三種點稱為常點，起點和止點，其中前兩種點不會產(chǎn)生滑動模態(tài)。而止點對系統(tǒng)的性質(zhì)而言是有著特殊含義的，因為若是在切換面上某一區(qū)域內(nèi)所有的點都是止點，并且該系統(tǒng)只有原點是平衡點那么一旦有運動點趨近這個區(qū)域，就被吸引在該區(qū)域上運動，并且沿著切換面向平衡點運動。那么，就稱沿切換面s(x)=0的運動為滑模運動或稱滑動模態(tài)。所有止點的區(qū)域為滑動模態(tài)區(qū)。</p><p><b>　　圖3-1<

57、/b></p><p>　　3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的原理和設(shè)計方法</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動態(tài)特性來設(shè)計系統(tǒng)的切換超平面，通過滑動模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達系統(tǒng)原點，這一沿切換超平面向原點滑動的過程稱為滑模控制。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設(shè)計的切換超平面而與外

58、界干擾沒有關(guān)系，所以滑模變結(jié)構(gòu)控制具有很強的魯棒性。超平面的設(shè)計方法有極點配置，特征向量配置設(shè)計法，最優(yōu)化設(shè)計方法等，所設(shè)計的切換超平面需滿足達到條件，即系統(tǒng)在滑模平面后將保持在該平面的條件。控制器的設(shè)計有固定順序控制器設(shè)計、自由順序控制器設(shè)計和最終滑動控制器設(shè)計等設(shè)計方法。</p><p>　　圖3-2給出了滑模變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的狀態(tài)的運動過程。沿著運動的方向，B至A這一階段為正常運動，對應(yīng)的狀態(tài)全部位于切換面以為或

59、做了有限次的穿越。由A至O這一階段運動點已經(jīng)完全位于切換面的滑動模態(tài)區(qū)域之內(nèi)。</p><p>　　但是，上述兩段運動是相互獨立的，不可能一次性得到整個運動過程的控制規(guī)律。以下內(nèi)容討論了兩段運動對應(yīng)控制律的設(shè)計方法。</p><p>　?、?尋求具有以下變結(jié)構(gòu)控制形式：</p><p>　　其中，使得切換函數(shù)以為的狀態(tài)能夠在有限時間內(nèi)到達滑模面。這樣的運動稱為趨近

60、模態(tài)或趨近運動，如圖3-2所示。</p><p><b>　　圖3-2</b></p><p>　?、?確定切換函數(shù)向量</p><p>　　對切換函數(shù)向量而言，一般情況下其維數(shù)與控制的維數(shù)相等。在切換面上存在滑動模態(tài)區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)運動于滑模面上時，系統(tǒng)的階次降低，滑動運動會漸進穩(wěn)定，動態(tài)品質(zhì)良好。</p><p>　　3

61、.3滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制所具有的特點異于一般常規(guī)控制方法，這使得滑模變結(jié)構(gòu)控制已被廣泛用于控制理論及實際工程。</p><p>　　簡單的說，滑模變結(jié)構(gòu)控制的主要特點如下：</p><p>　　滑?？刂频奶攸c是能夠克服系統(tǒng)的不確定性, 對干擾和未建模動態(tài)具有很強的魯棒性, 尤其是對非線性系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果。由于變結(jié)構(gòu)控制

62、系統(tǒng)算法簡單 , 響應(yīng)速度快 , 對外界噪聲干擾和參數(shù)攝動具有魯棒性，在機器人控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 , 也有學(xué)者將滑模變結(jié)構(gòu)方法應(yīng)用于空間機器人控制。變結(jié)構(gòu)控制作為非線性控制的重要方法近年來得到了廣泛深入的研究 ,其中一個重要的研究分支是抑制切換振顫 ,這方面已取得了不小的進展，提出了等效控制、 切換控制與模糊控制的組合模糊調(diào)整控制方法,其中等效控制用來配置極點 ,切換控制用來保證不確定外擾存在下的到達過程 ,模糊調(diào)整控制則用來提高

63、控制性能并減少振顫.研究了一類非線性系統(tǒng)的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制方法 ,設(shè)計了滑?？刂破骱?PI控制器的組合模糊邏輯控制器,充分發(fā)揮了各控制器的優(yōu)點.提出了基于有限時間機理的快速 Terminal 滑模控制方法并給出了與普通 Terminal 滑?？刂菩阅艿谋容^.設(shè)計了針對參數(shù)不確定與外干擾的非奇異 Teminal 滑模控制方法 ,并提出了分等級控制結(jié)構(gòu)以簡化控制器設(shè)計.上述這些方法在實際系統(tǒng)中雖然得到了有效應(yīng)用，但無論是</p>

64、;<p>　　3.4 SMC 控制器的設(shè)計</p><p>　　SM C是基于控制平面的，其基本思路是，從任何角度的狀態(tài)軌跡控制作用引導(dǎo)滑動面，同時確?；瑒用娴倪\動是漸近穩(wěn)定的，也就是說，滑動的模態(tài)。</p><p><b>　　取系統(tǒng)的狀態(tài)變量為</b></p><p>　　式中 ?w＊——給定轉(zhuǎn)速</p>&

65、lt;p><b>　　? w——實際轉(zhuǎn)速</b></p><p>　　結(jié)合方程（2）、（3）得</p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　令</b></p><p>　　可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式</p><p><

66、;b>　　(6)</b></p><p>　　為了使系統(tǒng)無超調(diào)地達到穩(wěn)定，選擇一階滑模面</p><p><b>　　(7)</b></p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　選擇所有的狀態(tài)變量反饋SMC控制模式，控制輸出形式和PD控制表達式類似</p&

67、gt;<p>　　由滑模運動的可達性條件 ＜0 ： </p><p><b>　　解得 </b></p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　最后，通過一個積分器的控制輸出。一方面，由于非線性控制系統(tǒng)的抖振現(xiàn)象存在，積分濾波器的輸出可以削弱抖振。另一方面，輸出不可分割的一部分，以消除穩(wěn)

68、態(tài)誤差。</p><p>　　由上可獲得最終控制量 iq，其中φ1、φ2 按式（9）</p><p><b>　　取值</b></p><p><b>　　(10)</b></p><p><b>　　3.5 穩(wěn)定性分析</b></p><p>　　由于

69、到達階段和滑動模式中，運動階段的動態(tài)過程，一旦它們到達的階段的方法，并進入滑動模態(tài)，以確保穩(wěn)定的滑動模式中，運動階段，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以得到保證。 </p><p>　　利用 Lyapunov 穩(wěn)定性理論分析。取 Lyapunov函數(shù) </p><p><b>　　(11)</b></p><p><b>　　對其求導(dǎo)得 </b&

70、gt;</p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　由于 SMC 的可達性條件為 ＜0，故能保證V (x) ＜0，即能保證系統(tǒng)進入滑動模態(tài)。 </p><p>　　一旦進入滑模面（s=0），系統(tǒng)即進入滑?？刂茽顟B(tài)。結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)方程（6），得 SMC 下系統(tǒng)的運動微分方程</p><p><b

71、>　　(13)</b></p><p><b>　　解此方程得 </b></p><p><b>　　(14)</b></p><p>　　式中，C0 為常數(shù)。t→∞時，x1 沿指數(shù)趨于零，無過沖速度跟蹤，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。在這種情況下，系統(tǒng)的質(zhì)量由參數(shù)c的開關(guān)接觸面是完全確定的，該系統(tǒng)的內(nèi)容和參數(shù)，干擾，達

72、到穩(wěn)定的時間，只能與c相關(guān)聯(lián)，因此，有一個非常強大的和快速。</p><p>　　綜上所述，SM C下的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)全局穩(wěn)定。</p><p>　　3.6 SMC控制器與PI控制器的比較 </p><p>　　采用 PI 控制時，iq 為</p><p><b>　　(15)</b></p><p

73、>　　結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)方程（5），可得 PI 控制的系統(tǒng)運動微分方程：</p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　比較系統(tǒng)的運動微分方程（13），（16）可見，PI控制的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的二階系統(tǒng)，PI參數(shù)選擇合適的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的。 PI調(diào)整參數(shù)更加復(fù)雜。當(dāng)系統(tǒng)工作在欠阻尼狀態(tài)，其速度超調(diào)的相平面的狀態(tài)軌跡螺旋往往起源穩(wěn)定。<

74、/p><p>　　SMC控制系統(tǒng)減少為一階系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性只依賴于參數(shù)c角選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)可成倍實現(xiàn)穩(wěn)定的，它可以實現(xiàn)快速的由式（14）所示的，沒有過沖?？梢?，SMC參數(shù)整定，并簡化設(shè)計的穩(wěn)定性。</p><p>　　比較式（10），式（15）所示，兩個控制器中，表達式為極其相似?？梢姡琒MC控制沒有增加的復(fù)雜性，實施的控制器。不同的是，SM C是變結(jié)構(gòu)控制，控制是φ1，φ2值的變化。 φ

75、1，φ2的變化由系統(tǒng)的狀態(tài)的滑動面。之前進入的滑動面，可被視為普通的PI控制一旦進入滑動表面，該系統(tǒng)是沿滑動面指數(shù)是穩(wěn)定的。通過上述滑動面，立即改變對系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的強制運動的滑動面。而來回奔波，這樣的系統(tǒng)是漸近對產(chǎn)地來源的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)是狀態(tài)在相平面上的軌跡總是在附近的滑線運動，滑模線設(shè)計。</p><p>　　如果有外部干擾ΔTL變動，即系統(tǒng)中的f參數(shù)，由式（8），（9），式（13）中，SMC控制參數(shù)選擇不改

76、變其性能的情況下，不會受到影響。由式（16）的PI控制的PI中的原始參數(shù)是可見的，系統(tǒng)性能將受到影響。如果電動機參數(shù)（如J河，?ψA的）改變時，即在系統(tǒng)參數(shù)中A，F(xiàn)的變化，由式（8），（9），式（13）是可見的，因為φ1，φ2被一定范圍內(nèi)的值，所以只要參數(shù)改變φ2的值仍然滿足的值的范圍，最后軌跡的系統(tǒng)還沒有受到任何影響，其性能不受。使用PI控制，每個參數(shù)的變化會影響系統(tǒng)的性能。可見，SM C控制器動作干擾和參數(shù)圖片是不變的，更強大的比P

77、I。在SM控制器C是一個非線性的控制。當(dāng)實際系統(tǒng)的實施，是無法實現(xiàn)的理想的開關(guān)特性。由于時間延遲，以及其他因素會影響空間滯后通常是困難，以確保該系統(tǒng)是完全沿滑線運動，但在附近的滑線運動，從而在不斷變化的控制，對SMC控制抖振現(xiàn)象的存在。抖增加功率機系統(tǒng)上的不利的磨損。但它共同存在，魯棒性設(shè)計的SMC控制器需要折中考慮。 PI控制器是一種線性控制，實現(xiàn)流暢的追蹤。</p><p>　　SMC控制器和PI控制器作為一

78、個簡單，易于實現(xiàn)，但它是更強大的PI控制器，快速，能夠更好地滿足高性能電機控制的要求。</p><p><b>　　4 仿真和實驗研究</b></p><p>　　SMC控制設(shè)計，以驗證算法的正確性，永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真和實驗研究。在圖4.1中所示的系統(tǒng)的控制方案。速度調(diào)節(jié)器SM C控制或PI控制可以使用。圖4-2是SMC控制和PI控制系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡在相平面上。

79、可以看出，在SMC的控制下動作，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的滑模線S（x）= 0，和沿滑動線到達原點，即，系統(tǒng)的穩(wěn)定。 PI控制系統(tǒng)是漸進式螺旋線趨于原點穩(wěn)定。 </p><p>　　圖4-1 調(diào)速系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖4-2 (a) SMC 相軌跡</p><p>　　圖4-2 (b)PI 相軌跡</p><p>　　圖4-3

80、是一波形突然加載速度0.04秒?？梢姡琒MC的控制下變化的速度非常小，能很快恢復(fù)到一個給定的速度。傳統(tǒng)的PI控制速度波動明顯，速度誤差和穩(wěn)定，可見，普通PI控制負載的變化適應(yīng)性差，SMC控制的自我調(diào)節(jié)能力比PI控制強。另外，SMC控制系統(tǒng)可以無超調(diào)的達到穩(wěn)定，但PI的控制下的系統(tǒng)有超調(diào)</p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖4-3 (a) S

81、MC突加載轉(zhuǎn)速波形</p><p>　　圖4-3（b）PI 突加載轉(zhuǎn)速波形</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本文設(shè)計了一個簡單的SMC控制器采用矢量控制的永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)，其仿真和實驗。同時與傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)理論，仿真和實驗比較。結(jié)果表明，SMC控制器的設(shè)計可以有效地提高永磁同步電機速度控制系統(tǒng)的性能，其

82、優(yōu)點是：</p><p>　?。?）算法簡單，易于軟件實現(xiàn)。它沒有增加的PI控制算法的復(fù)雜性，但它的參數(shù)整定PI參數(shù)調(diào)整更加輕松。</p><p>　?。?）實時性。 PI速度控制響應(yīng)有明顯的超調(diào)，調(diào)整時間較長。 SMC控制，響應(yīng)速度快，無超調(diào)。</p><p>　?。?）較強的魯棒性。 SMC控制系統(tǒng)的模型需求較低，就其內(nèi)部參數(shù)攝動，外部干擾，測量誤差和測量噪聲等

83、擁有完全的自適應(yīng)。 PI控制的參數(shù)變化和外部干擾更敏感。</p><p>　　綜上所述，本文設(shè)計的SMC控制器是一個有效的，可靠的控制器設(shè)計可以提高永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。</p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] Yasser Abdel Rady Ibrahim Mohamed. Adapti

84、ve self-tuning speed control for permanent- magnet synchronous motor drive with dead time[J]. I EEE Transactions on Energy Conversion, 2006, 21(4): 855- 862. </p><p>　　[2] 黃永安.MATLAB 710 /Simulink 6

85、10建模仿真開發(fā)與高級工程應(yīng)用[M ].北京:清華大學(xué)出版社,2009.</p><p>　　[3] Shen Yanxia, Wu Dinghui, Ji Zhicheng. Model reference fuzzy adaptive control of permanent magnet synchronous motor[C]. Proceeding of the Chinese Control C

86、onference, 2006: 1522-1527. </p><p>　　[4] 李發(fā)海，陳湯銘，鄭逢時，張麟征，朱東起．電機學(xué)[M]．北京 ：科學(xué)出版社，1991 </p><p>　　[5] Vadim I Utkin, Sabanovic. Sliding modes applications in power electronics and motion control sys

87、tems[C]. Industrial Electronics, ISIE’99, 1999, 1: TU22-TU31 </p><p>　　[6] 沈艷霞,吳定會,李三東.永磁同步電機位置跟蹤控制器及Backstepp ing方法建模[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2010.17 </p><p>　　[7] 王沫然．Simulink4建模及動態(tài)仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．<

88、;/p><p>　　[8] 林偉杰.永磁同步電機兩種磁場定向控制策略的比較[J].電力電子技術(shù),2010.41(1) : 26-29 </p><p>　　[9] oy A Mc Cann, Mohammad S Islam. Application of a sliding-mode observer for position and speed estimation in s

89、witched reluctance motor drives[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, </p><p>　　37(1): 51-58. </p><p>　　[10] 薛定宇，陳陽泉．MATLAB/Simulink 的仿真技術(shù)與應(yīng)用[M]．清華大學(xué)出版社 ，1998. </p>&

90、lt;p>　　[11] Kye Lyong Kang Jang Mok Kim, Keun Bae Hwang Kyung Hoon Kim. Sensorless control of PMSM in high speed range with iterative sliding mode observer[C]. APEC’04, 19th IEEE Annual, 2004, 2: 1111-1116. </p>

91、;<p>　　[12] 陳衍，同步電機運行基本理論與計算機算法[M]．水利電力出版社，1992．</p><p>　　[13] 張崇巍等．運動控制系統(tǒng)[M]．武漢理工大學(xué)出版社，2002 </p><p>　　[14] Laghrouche S, Plestan F, Glumineau A, et al.Robust second order slidin

92、g mode control f or a permanent magnet synchronous motor[C]. Proceedings of the American Control Conference, 2003, 5: 4071- 4076. </p><p>　　[15] 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社,2010</p>&

93、lt;p><b>　　致 謝</b></p><p>　　我寫到這已經(jīng)是文章的結(jié)尾了，我通暢的想法突然消失，打字鍵盤上的手指變得有些沉重，總結(jié)和回頭看，總是感慨萬千。把這個數(shù)十萬字的厚厚的一摞，我曾一度為論文擔(dān)心，無從下手，但如今卻能對自己微笑。歲月流逝，學(xué)生的職業(yè)生涯也將揮手告別。一路上的點滴片段，在這一刻的形象在我的心底回放，無論快樂，悲傷，收割或挫折，都將作為珍貴和溫暖藏在我的心

94、里。坐在課堂上的灌輸，冷凝水聽老師的話，縈繞在圖書館，癡讀文學(xué)書，從一門課程學(xué)習(xí)到論文的撰寫，有這個學(xué)習(xí)的機會，我有無法用語言表達的努力和珍惜，因為這樣或那樣的原因，對學(xué)業(yè)有絲毫的懈怠，千方百計，不辜負老師，朋友，家人的期望。</p><p>　　最后，我要感謝我的導(dǎo)師 - 韓春曉老師。教師的知識和教學(xué)的熱情，讓我覺得大學(xué)教師的教育事業(yè)奉獻了大量的研究資源和學(xué)術(shù)研究的機會。這些很難找到一個很好的機會讓我認真反思后