基于模糊控制的永磁同步电机无位置传感器驱动系统
化时保持良好的控制性能[19]。自适应控制技术是指在一定的数学模型、确定的算法下，可以在系统运行情况变更时自动辩识系统有关参数，修改系统运行程序，以期改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。
（3）人工智能技术的应用
经典或者现代控制理论基础上的控制策略都依赖于电机的数学模型，当模型参数变化时，想获得优良的控制性能是研究人员面临的重要课题。而近年来备受关注的智能控制，由于它摆脱了对被控对象模型的依赖，成为研究与开发的热点。随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的重要分支，智能化电气传动控制也成为目前电气传动的重要发展方向，开辟了电气传动技术新纪元[20]。人工智能的专家系统、模糊控制、神经网络等在电机传动系统中的应用与研究已经取得了可喜成果。
1.3交流系统控制策略概述
永磁交流驱动系统在几十年的发展进程中，其控制策略不断进步，其中具有代表性的包括：恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、滑模变结构控制、自适应控制、智能化控制等等[16,21]。
（1）恒压频比控制
具有位置检测环节的永磁同步电机调速系统属于自控式变频调速系统的范畴。即给定定子电流后，电机定子电流频率随转子位置的变化而变化，同时要使得电机在不同速度下都能保证定子电流达到给定电流值，必须调整永磁同步电机的端电压，使之随电机转子速度的提高而增加，以补偿永磁同步电机反电动势的升高，所以永磁同步电机自控式变频调速本质上满足恒压频比条件，属于恒压频比控制范畴。恒压频比控制依据的是电机稳态数学模型，不能控制电机动态过程中的转矩，从而导致动态控制性能不够理想，目前永磁交流驱动系统基本上不采用这种早期的控制模式。
（2）矢量控制
由德国学者Blaschke于1971年提出的矢量控制理论使交流电机控制由外部宏观稳态控制深入到电机内部电磁过程的瞬态控制，从而使得永磁同步电机的控制性能得到了本质的提高。矢量控制最显著的特征是通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为同步旋转坐标系中静止的直流变量（如电流、磁链、电压等），从中找到约束条件，获得某一目标的最佳控制策略。
（3）直接转矩控制
由Depenbrock教授于1985年提出的异步电机直接转矩控制方法，是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，在近似圆形旋转磁场的前提下强调对电机转矩进行直接控制，省掉了矢量控制中坐标变换等复杂计算。直接转矩控制磁场定向
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时应用的是定子磁链，只需知道定子电阻就可以把它观测出来，相对来说，该控制方法更不易受电机参数变化的影响[22]。近年来，直接转矩控制方式被移植到永磁同步电机的控制中，随着人们对其控制原理和关键技术的不断深入研究，直接转矩控制将在大力矩、快速响应的数字化交流驱动系统中获得广泛应用。
（4）非线性控制
交流电机是一个强耦合、多变量的非线性系统。非线性控制通过非线性状态反馈和非线性变换，实现系统的动态解耦和整体线性化，将非线性、多变量、强耦合的交流电机系统分解为两个独立的线性单变量系统。其中，转子磁链子系统包括两个惯性环节。转速子系统包括一个积分环节和一个惯性环节。两个子系统的控制和调节按线性控制理论分别进行设计，从而使系统达到预期的性能指标。
但是，非线性系统反馈实现线性化的前提是要获得电机模型的参数和对系统的精确测量或观测，而电机在运行中参数会随着各种因素的影响而发生变化，磁链观测的准确性也很难论证，从而影响系统的鲁棒性，甚至造成系统性能恶化，目前这种控制方法需要在实践中深入研究和完善。
（5）滑模变结构控制
滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，它是一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要思想是，根据被调量的偏差及其导数，有目的性地使系统沿设计好的“滑动模态”轨迹运动[23]。由于该滑动模态是可以设计的，且不受系统的参数及扰动的影响，因而系统的鲁棒性得到了提高。另外，滑模变结构控制不需要任何在线辨识，所以较容易实现。在过去十多年里，将滑模变结构控制应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，并已取得了一些有效的成果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使其实际系统中抖振必定存在且无法消除，从而其应用受到了限制。
（6）自适应控制
自适应控制能在系统运行过程中不断提取模型的相关信息，使系统模型得到逐步完善，它能有效克服参数变化对系统性能的影响。目前，应用于永磁交流电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自校正控制等等。但所有这些方法都存在一些问题：①数学模型和运算繁琐，使控制系统变得复杂；②辨识和校正都需要一个过程，对一些参数变化较快的系统，因来不及校正而不能获得理想的控制效果[24]。
（7）智能控制
智能控制理论是永磁交流驱动控制发展中的一个崭新阶段，与传统的经典、现代控制方法相比，具有一系列突出特点。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的模式，只按实际效果进行控制，而不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特征；
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同时，利用计算机控制，可以根据当前状态切换控制器的结构，引入变结构方法改善系统性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利用智能控制的非线性、变结构、自寻优等各种功能来克服交流驱动系统变参数与非线性等不利因素，可以提高系统的鲁棒性[25~27]。
1.4本文研究的主要内容
本课题研究以实际工程项目为背景，以TI的TMS320F2808DSP为核心控件，研制开发的一套基于模糊PI控制的永磁同步电机无位置传感器驱动器。本文主要在基于模糊PI的永磁交流电机无位置传感器驱动系统方面做如下研究工作：
（1）通过永磁同步电机的数学模型，揭示了永磁同步电机矢量控制的实质与关键，并建立永磁同步电机控制系统的仿真模型。针对本文采用的矢量控制方式，分析其原理、优点，采用定子电流最优控制的分段算法。
（2）模糊控制算法的引进与应用。用模糊PI来代替传统PI，实现PI参数的在线自整定。
（3）无位置传感器技术的研究与应用。电机系统中传感器的存在阻碍了电机向高速化、小型化发展。
（4）无位置传感器技术的起动和低速运行问题。无位置传感器控制方法无法检测电机转子初始位置进而无法顺利启动。
（5）硬件平台和软件算法的具体实现。
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第2章 永磁同步电机的控制原理
为了改善转矩控制性能，德国的F.Blaschke在1971年提出了矢量控制理论。矢量控制从理论上解决了交流电动机非线性解耦问题，实现了交流电动机的转矩高性能控制。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在转子磁场定向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的直轴（励磁）电流分量id和产生转矩的交轴（转矩）电流分量iq，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后进行调节。这样，交流电功机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置（频率和相位）的控制。借助于坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，然后，从同步旋转坐标系的角度来考察，电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各个分量之间的关系，实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值，即直流给定量。矢量控制方法成功实施后，使得由三相交流供电的电动机变频调速后的机械特性及动态性能都达到了与直流电机调压时的调速性能不相上下的程度，从而使得交流电机变频调速在电动机的调速领域里占有越来越重要的地位。相比异步电动机而言，永磁同步电动机具有以下优点：转子采用高性能永磁材料（如铁钕硼），转子直径减少使电机小型化；转子无励磁损耗，效率较高；发热主体在定子侧，散热容易；且永磁同步电机的矢量控制较异步电机简单，模拟式、数字式控制方式都较易实现。鉴于这些优点，永磁同步电机的驱动系统得到越来越广泛的应用。
2.1 永磁同步电机的结构
永磁同步电机是由绕线式同步电机发展起来的，其结构与绕线式同步电机基本相同。定子由三相绕组以及铁心构成，绕组常以Y型连接；在转子结构上，永磁同步电机用永磁体取代电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷[28]。
永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、功率因数高、运行平稳、过载能力强等优点，目前已经得到人们越来越多的关注。永磁同步电动机的转子采用永磁材料组成，如铁钕硼等，这样的永磁稀土材料具有很大的剩磁和矫顽力，加上它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以在很大程度上减少电枢反应。永磁同步电机转子可以按其永磁体在转子上的位置分为两类：凸极式和隐极式，如图2.1(a)和2.1(b)所示[1]。凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面，因为永磁材料的磁导率很接近空气磁导率，
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所以在交轴（q轴）和直轴（d轴）上的电感基本相同。隐极式转子则是将永磁铁嵌入在转子轴的内部，因此交轴的电感大于直轴的电感，并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在，有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁控制。
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a) 凸极式转子结构 b) 隐极式转子结构
图2.1 永磁同步电动机转子结构
永磁体转子产生恒定的电磁场，当定子通以三相对称的正弦波交流电时，就会形成旋转的磁场，两种磁场相互作用产生的电磁力，从而推动转子旋转。通过改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。
2.2永磁同步电机的数学模型
2.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系下的模型
永磁同步电机的数学模型和电励磁同步电动机的数学模型是相似的。它包括电动机的电压方程、磁链方程及转矩方程等[29,30]。
为了建立永磁同步电动机的数学模型，通常先做如下假设：
(1) 认为磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析。忽略磁路饱和、磁滞和涡流的影响；
(2) 定子通入三相对称正弦波电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势而没有高次谐波；
(3) 永磁磁极在气隙中产生的磁势为正弦分布，也无高次谐波，即定子的空载电势为正弦波；
(4) 不计铁心损耗。
永磁同步电动机在A、B、C坐标系下的定子电压方程为：
us?Ris?p?s (2.1)
磁链方程为：
?s?Lsis??fFs(?) (2.2)
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