基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统硕士学位论文
3.3.2仿真模型 ............................................................................................. 28 3.3.3仿真结果及分析 ................................................................................. 30 3.4 本章小结 ...................................................................................................... 31 第4章 永磁同步电机模糊PI控制.......................................................................... 32
4.1 模糊控制的基本原理................................................................................... 32
4.1.1 模糊控制主要特点 ............................................................................. 32 4.1.2 模糊控制系统组成 ............................................................................. 33 4.1.3 模糊控制器原理 ................................................................................ 33 4.2 模糊PI控制器设计 ..................................................................................... 34
4.2.1 模糊控制器结构的确定 ..................................................................... 34 4.2.2 模糊化 ................................................................................................ 35 4.2.3 模糊控制规则的确定 ......................................................................... 36 4.2.4 模糊推理 ............................................................................................ 36 4.2.5 解模糊化 ............................................................................................ 37 4.3 基于模糊PI控制的PMSM无位置传感器控制系统仿真 .......................... 37
4.3.1 模糊PI控制器的建立 ....................................................................... 37 4.3.2 控制系统仿真 .................................................................................... 39 4.4 本章小结 ...................................................................................................... 39 第5章 永磁同步电机控制系统的实现 ................................................................... 40
5.1 系统硬件电路设计 ...................................................................................... 40
5.1.1 系统主回路设计 ................................................................................ 40 5.1.2 系统控制电路的组成 ......................................................................... 43 5.2 系统软件设计 .............................................................................................. 46
5.2.1 开发软件介绍 .................................................................................... 46 5.2.2 系统软件的整体结构 ......................................................................... 46 5.2.3 SVPWM算法实现 .............................................................................. 48 5.3 实验结果及分析 .......................................................................................... 49
5.3.1 电机低速运行 .................................................................................... 50 5.3.2 电机额定转速运行 ............................................................................. 51 5.3.3 突加负载实验 .................................................................................... 53 5.4 本章小结 ...................................................................................................... 54 结 论 ......................................................................................................................... 55 参考文献 ................................................................................................................... 57 致 谢 ......................................................................................................................... 61 附录A 攻读学位期间发表的学术论文.................................................................... 62
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第1章 绪 论
近几年来，随着产业应用形态的不断改变、进步，电机成为现代工业产品不可或缺的零部件，广泛的应用于各式各样的机械工具和一般消费品。尤其是标志着一个国家工业实力的高精机床、工业机器人等对其“驱动源”提出了越来越高的要求。伴随着材料科技的蓬勃发展，具有高效率、易维修且控制简单的交流永磁同步电机 (Permanent magnet synchronous motor，简称PMSM)应用日益普及，渐渐的取代了传统的直流电机和异步电机的地位。
1.1 选题背景及意义
相对于直流电动机和异步电动机而言，基于正弦波反电动势的永磁同步电机因其优异的性能已日渐成为电驱动系统执行电机的“主流”。随着现代电力电子技术、微电子技术、计算机技术等支撑技术的快速发展以及控制理论的不断进步，以永磁同步电机作为执行机构的交流驱动系统的发展得以极大的发展[1,2]。
永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，二十世纪六十到八十年代，钐钴永磁和钕铁硼永磁（二者统称稀土永磁）的相继问世，使永磁电机的发展进入了新的历史时代。我国稀土资源丰富，号称“稀土王国”，稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究达到了世界先进水平。自二十世纪八十年代以来，各国相应的研究机构及著名的电气公司竞相把稀土永磁材料、电力电子技术、自动控制理论以及微电子技术的最新成就应用于永磁同步电机及其控制系统的研究开发之中，使其成为当代电机技术发展的一个重要方向。随着永磁材料性能和电力电子器件性能价格比的不断提高，现代控制理论、微机控制技术和电机制造工艺的迅猛发展，新磁路结构的不断涌现，在永磁同步电机理论分析、设计和控制策略中不断出现有待进一步深入研究的新课题[3,4]。
高性能永磁同步电机调速系统的应用变得日益广泛，为了满足永磁同步电机传动系统工作稳定性的需要，一般来说必须实时的知道永磁电机转子的位置以及速度并实现速度闭环控制。而位置和速度信息的获取，传统的做法是在电机上安装机械位置传感器[5]。但必须注意到的是，传统做法中机械位置传感器的安装给永磁同步电机控制系统带来了诸多缺点。
随着控制理论与电力电子技术的发展，从1980年开始，众多研究学者将目光转向了无位置传感器的方案，即采用电压传感器或电流传感器的输出信号，间接估测转子位置，使这些电机不需要霍尔传感器等传统的机械位置传感器，称之为无传感控制。虽然省去了霍尔元件，但还是要利用电气性的传感器，如电压传感
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基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统
器、电流传感器，作为回路控制，其精确名称为无位置传感器控制。由于无传感器驱动技术可以减少电机端的线路与传感器空间，降低系统成本与复杂度，增强恶劣条件工作能力，提高了应用的范围[6,7]。众多的优点与特性，使此技术成为近几年电机驱动系统的主流，目前欧美日市场上已经有很多的无传感器的驱动器问世。
对于遭遇技术瓶颈和国外技术封锁的国内高性能交流驱动技术及产品来说，研究具有自主知识产权的交流控制技术，尤其是最具有应用前景的永磁同步电机无位置传感器控制技术，具有重要的理论意义和实用价值。
本文设计的永磁同步电机无位置传感器驱动系统，采用滑模观测器计算转速，用矢量控制的策略在传统PI控制的基础上引入模糊控制方法，并在MATLAB/ SIMULINK下建立仿真模型来分析永磁同步驱动系统的各方面性能，然后基于DSP实现硬件系统的设计，经过试验和现场调试，达到了比较理想的效果。本课题的研究对无位置传感器驱动系统的发展具有一定的参考价值。
1.2交流控制系统现状及发展趋势
1.2.1国内外研究概况
早期对永磁同步电机的研究主要集中在固定频率供电下的电机运行特性研究，特别是其稳态特性和直接起动性能的研究。永磁同步电机的直接起动是依靠阻尼绕组提供的异步转矩将电机加速到接近同步转速，然后由磁阻转矩和同步转矩将永磁同步电机牵入同步。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人在这方面做了大量的研究工作。80年代以来，随着各种相关技术的飞速发展，有关永磁同步电机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步驱动系统的研究与应用奠定了基础。永磁同步电机矢量控制系统的电流控制方法对系统的运行特性有很大影响，必须研究不同电流控制方法时系统所具有的动静态特性[8]。一般情况下，永磁同步电机驱动系统必须具有较宽的调速范围，很稳定的转矩输出特性。为了满足实际需要，在额定转速以下电机按恒转矩运行，以尽快加速到额定转速；在额定转速以上，电机满容量下按恒功率运行。随着电机转速上升，电机定子绕组中感应电动势不断增加，当电机转速上升到一定程度时，由于逆变器容量恒定，其输出电流将不能跟踪电流给定，电机输出转矩下降，性能变差。为提高高速时电机转矩输出能力，需对电机实施弱磁控制。然而，永磁同步电机的磁场是由永磁体产生的，不能像直流电机和异步电机那样进行控制。为了实现弱磁，在电机电枢绕组中加入直轴电流，利用电机直轴电枢反应抵消永磁体产生的磁场，从而提高永磁同步电机的高速运行性能。
进入80年代中后期后，永磁同步电机调速系统具有代表性的几项重大研究突破为：1986年，T.M.Jahns等人研制出具有代表性的内置式永磁同步电机矢量控制
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系统，该系统是用于飞机上的执行机构，具有结构简单、性能优良等特点，为其后的永磁同步电动机矢量控制系统的研究奠定了基础，推动了永磁同步电动机矢量控制系统进入实际应用的步伐；1994年，日本的S.Morimoto等人提出的内置永磁同步电动机的高转矩性能的矢量控制系统，其方法是根据电机的负载情况，调整电流矢量的相角，充分利用内置式永磁同步电动机的磁阻转矩，增加电机的转矩和功率的输出[9]；而后，W.L.Song发表了“凸极式永磁同步电动机的恒功率运行能力”的论文，主要讨论了凸极式永磁同步电动机的恒功率运行区域与电机凸极率的关系[10]。
与此同时国内交流调速领域的学者也对永磁同步电动机的调速进行了大量的研究：白弢，刘宴等对永磁同步电动机的DSP控制进行了研究，并提出了基于DSP的矢量控制系统[11]；山东大学的周以齐博士对高性能交流伺服系统控制技术进行了研究，其半闭环控制独具特点[12]；邱阿瑞对异步电机矢量控制系统进行了研究，提出无速度传感器控制[13]；山东大学的徐衍亮博士对永磁同步电动机的功率特性及扩速能力进行了深入的研究[14]；济南大学的卢秋霞、机械工程学院的董学仁对基于DSP的无速度传感器驱动系统做了深入研究以及湖南大学的欧阳红林教授等对永磁同步电动机的数字化调速控制系统进行了研究[15,16]。
1.2.2发展趋势
交流永磁同步调速系统是由主电路和控制电路两部分组成的，目前主电路的拓扑结构没有多大变化，系统的发展重点在控制电路部分。随着新型电力电子器件的出现、DSP技术的发展，现代控制理论的运用，永磁同步调速系统的研究出现了一些新的方向，主要包含以下几个方面[17]。
（1）电机数学模型分析方法的发展
永磁同步电机控制系统是一个多变量、强耦合、非线性系统，为了提高系统控制精度，非线性系统状态反馈线性化理论被逐步引入到电机控制中来，但由于该方法理论的复杂性，限制了它在电机控制系统中的推广和应用。分析非线性系统的另一种方法常用的控制方法－逆系统方法，其思想是对于给定系统，让对象的模型生成可用反馈方法实现的原系统的“α阶积分拟系统”，再将控制对象补偿成为具有线性传递关系的且已经解耦的规范化系统（伪线性系统）[18]。最后用线性系统的各种设计理论完成系统的综合。该方法具有在理论上形式统一，物理概念清晰直观，容易被人们接受。
（2）现代控制理论的引入
交流电机矢量控制技术的提出，明显改善了交流电机的调速性能。然而，传统的矢量控制技术依赖于电机的模型和参数，而模型和参数在电机运行过程中是变化的，这就使得电机的矢量控制无法达到理论上的性能指标，满足不了现代交流驱动系统的应用要求。现代控制理论的各种技术能够使系统在模型或者参数变
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