永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真設(shè)計(jì)論文

1 緒論

1.1 課題的目的和意義

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)具備制造結(jié)構(gòu)簡單可靠、占地空間體積小、工作效率比較高、電磁機(jī)械轉(zhuǎn)矩的電流比大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、節(jié)能環(huán)保和比較好散發(fā)出熱量以及維修保護(hù)等很多良好特點(diǎn)。我們國家是一個(gè)有著豐富的稀土資源的國家，特別是隨著科技的不斷創(chuàng)新,使得現(xiàn)在的永磁材料價(jià)格也在不斷地降低,而且永磁材料的磁性也在不斷地提高,以及現(xiàn)在新型的永磁材料的也不斷涌現(xiàn)，在不久的將來,永磁同步電機(jī)使用將一定會(huì)迎來一個(gè)前所未有的良好機(jī)會(huì)，而且其應(yīng)用的范圍也在不斷地?cái)U(kuò)張變大。

尤其是像在一些工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)、航天導(dǎo)彈、衛(wèi)星航空、國防工程和日常的生活等場合得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真的研究，我們的主要目的是為了能夠在研發(fā)探索過程中，尋找出一種最優(yōu)化的控制方法，以便于我們以后能夠很好地掌握和使用永磁同步電機(jī)。雖然永磁同步電機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)目前取得了很大的成果，各種控制調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用也正在逐步成熟中，比如經(jīng)典PI控制、模糊PI控制、SVPWM、DSP控制方法等都在實(shí)際工程中得到了廣泛的使用。但是，在實(shí)際工程使用過程當(dāng)中，各種調(diào)速控制方法都存在著或多或少的不足之處，比如說低速特性不夠達(dá)到期望的結(jié)果，有些過多地依靠了電機(jī)的參數(shù)等等問題。因此，通過將各種調(diào)速方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)這些控制調(diào)速策略中存在的問題進(jìn)行研究，選擇出最優(yōu)化的控制調(diào)速方法就有著十分重大的意義。

1.2 永磁同步電機(jī)的國內(nèi)外現(xiàn)狀及水平

我們國家自從1970年之后就開始著手于關(guān)注和探索永磁電機(jī)控制調(diào)速方向的技術(shù)，主要的研發(fā)力量集中在全國重點(diǎn)院校和中科院研究開發(fā)工作點(diǎn)，以工農(nóng)業(yè)、軍事航天為主要研究方向。比較著名的研發(fā)地點(diǎn)是上海的機(jī)床所、北京的微特電機(jī)研究所、中科院武漢自動(dòng)化所等。1980年之后開始進(jìn)入軍工、企業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，直到1999年，我們國家自己生產(chǎn)的永磁同步電機(jī)在數(shù)量少、價(jià)格成本比較高、使用范圍小的情況下，技術(shù)程度和可靠程度難以滿足人們生活的需要。

2000年之后，尤其值得一提的是我國是一個(gè)稀土材料的大國，儲(chǔ)存著巨多的稀土資源，而且對(duì)于這些稀土資源的提煉技術(shù)也走在了世界的前列。再傳統(tǒng)使用的電機(jī)中，都使用了用電流來勵(lì)磁的勵(lì)磁系統(tǒng)，這樣做會(huì)使得系統(tǒng)產(chǎn)生大量的無功功率，還浪費(fèi)了許多電能和銅繞線。今天我們生產(chǎn)出了永磁電機(jī)，他一般使用的是轉(zhuǎn)子永磁體來勵(lì)磁，節(jié)約了電能和銅導(dǎo)線，而且提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。目前在國內(nèi)主要的永磁同步電機(jī)的主要廠家有中國南車株洲電機(jī)廠、包頭稀土永磁電機(jī)廠、蘭州電機(jī)廠等。

在國外上，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)，采用新型功率半導(dǎo)體器件、電力電子的逆變器電路、以及永磁同步電機(jī)專用模塊。如歐姆龍工業(yè)自動(dòng)化公司提出的伺服系統(tǒng)控制采用模塊化的可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，為電機(jī)各種設(shè)備提供了一個(gè)鏈接，來獲得電路故障的保護(hù)工作和過大的電流保護(hù)工作。在國外廠商的永磁電機(jī)產(chǎn)品每隔五年就會(huì)換代，新的永磁電機(jī)工作元件也會(huì)每兩到五年會(huì)更新一次，新的語言仿真算法則會(huì)在不斷地變化，總之生命周期越來越短。

1.3 永磁同步電機(jī)的應(yīng)用前景

由于目前電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的得到了快速的發(fā)展，永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較熟練并且在不斷地優(yōu)化當(dāng)中，當(dāng)今的永磁同步電機(jī)已經(jīng)把以往的同步電機(jī)的使用范圍給進(jìn)行了不斷地大大擴(kuò)展。我們可以這么說，永磁同步電機(jī)已不斷地?cái)U(kuò)展使用范圍，從一般控制調(diào)速到高精度的模糊智能控制調(diào)速，從廣大的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域到可以觸摸到的各種高精尖的科技領(lǐng)域，它已經(jīng)稱為了性能最好的電機(jī)了，而且這只能夠使前景會(huì)越來越明顯。我們可以看到，永磁同步電機(jī)將會(huì)向著高效率化、直接驅(qū)動(dòng)、高速、高準(zhǔn)確度、高性能化、廣泛化、智能控制化和網(wǎng)絡(luò)模塊化等方向不斷地向前進(jìn)步。

2 永磁同步電機(jī)系統(tǒng)原理

永磁同步電機(jī)其本身是一個(gè)轉(zhuǎn)子使用永磁鐵來產(chǎn)生磁場，定子上通過三相交流繞組的同步電動(dòng)機(jī)，它有定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子位置傳感器和逆變電路等結(jié)構(gòu)部件來構(gòu)成的，對(duì)于有些永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器是否需要安裝取決于工程的需要和成本的考慮問題。無論轉(zhuǎn)子還是定子使用永磁體都要根據(jù)具體的情況具體分析設(shè)計(jì)。只有當(dāng)電機(jī)對(duì)于有些永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器是否需要安裝取決于工程的需要和成本的考慮問題。永磁同步電機(jī)的電機(jī)系統(tǒng)可以是有電動(dòng)機(jī)，逆變器組成和轉(zhuǎn)子位置傳感器組成的。

圖2-1永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 永磁同步電機(jī)基本組成

2.1.1 電機(jī)

永磁同步電機(jī)也是由轉(zhuǎn)子及定子兩大部件所構(gòu)成，相對(duì)于同步的電流勵(lì)磁電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)差不了多少，在目前的大多數(shù)情況下，我們都是把轉(zhuǎn)子做成了永磁體，定子的上面繞上三相交流繞組，這樣才能更好的發(fā)揮出永磁電機(jī)的優(yōu)越性能。對(duì)于要了解電機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，以使得我們更好地掌握永磁同步電機(jī)，我們可以去查閱參考相關(guān)的文獻(xiàn)。

              

圖2-2電機(jī)旋轉(zhuǎn)示意圖

定子：

定子作為電機(jī)中靜止不動(dòng)的，它由交流三相繞組、鐵芯和端蓋等部分所構(gòu)成。同時(shí)也通常稱為電機(jī)的電樞部分。

   

                    圖2-3定子圖

轉(zhuǎn)子：

轉(zhuǎn)子是永磁同步電機(jī)中能夠旋轉(zhuǎn)的部分，轉(zhuǎn)子一般分為表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和表面插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。在日常生活應(yīng)用中，我們一般都是將永磁體都安裝在轉(zhuǎn)子上面的。對(duì)于關(guān)于永磁同步電機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)部分的理論知識(shí)方面，我們可以去查閱參考相關(guān)的文獻(xiàn)。

圖2-4轉(zhuǎn)子圖

電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常都是由永磁體組成，使用永磁鐵來激勵(lì)磁場，目前通常使用的是稀土永磁材料。在闡述PWM技術(shù)原理前，需要提到采樣控制理論中的重要結(jié)論：沖量相等而形狀不等的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。所謂沖量，即窄脈沖的面積。而效果相同，是指該環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同

2.1.2 轉(zhuǎn)子位置傳感器

在永磁同步電機(jī)中，對(duì)于轉(zhuǎn)子位置傳感器與計(jì)算法相比，調(diào)制法就有很強(qiáng)的實(shí)用性。調(diào)制法還可分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。單極性調(diào)制，就是調(diào)制波為期望的波形，而載波的三角波只有在半個(gè)周期有波形，也就是說三角波要么在半個(gè)周期是正的波形，要么是負(fù)的波形。在載波與調(diào)制波的交點(diǎn)時(shí)刻發(fā)出脈沖信號(hào)，去控制開關(guān)管。這就是單極性的控制方式；雙極性調(diào)制，就是載波在半個(gè)周期內(nèi)是正負(fù)同時(shí)存在的。

目前，對(duì)于永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，不同的封裝形式必須要保持引腳的排列是一致的。就是利用控制器的精確的數(shù)字輸出，來對(duì)模擬電路進(jìn)行精確控制的一種對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)的高效的技術(shù)。簡單的說，技術(shù)就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行控制的技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)用途廣泛，一般是用來對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行控制，還有對(duì)電機(jī)的角速度進(jìn)行控制等等。

2.1.3 逆變器

轉(zhuǎn)子的位置傳感器驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)際的裝置中是必不可少的，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路是電力電子電路的主電路與控制電路之間的接口電路，是電力電子設(shè)備的重要一環(huán)，所以驅(qū)動(dòng)電路對(duì)整個(gè)設(shè)備性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。另外，對(duì)電力電子器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就近設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或者通過驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)更為重要。

2.2 永磁同步電機(jī)的工作原理

    永磁同步電機(jī)的工作原理是用過其定子運(yùn)行是三項(xiàng)的相差的交流電，而轉(zhuǎn)子則是一種稀土永磁體。要實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換，就得有控制電路和逆變的主電路。然而，控制電路是數(shù)字電路，而主電路是模擬硬件逆變器的電路。

對(duì)于永磁電機(jī)的定子上都是正弦波的電流，電流的A、B、C三相在任何時(shí)候相加結(jié)果都是會(huì)等于零。所以用于改進(jìn)電力電子器件開通和關(guān)斷時(shí)刻所承受的電壓、電流波形。

    從繞線的圖看出，實(shí)際的電流方向在電力電子電路中，用于改進(jìn)電力電子器件開通和關(guān)斷時(shí)刻所承受的電壓、電流波形。通常電力電子裝置中的電力電子器件都工作于開關(guān)狀態(tài)，器件的開通和關(guān)斷都不是瞬時(shí)完成的。器件剛剛開通時(shí)，器件的等效阻抗大，如果器件電流很快上升，就會(huì)造成很大的開通損耗；同樣器件接近完全關(guān)斷時(shí)，器件的電流還比較大，如果器件承受的電壓迅速上升，也會(huì)造成很大的關(guān)斷損耗除此之外，這里還需要明白幾個(gè)原理性的問題。首先，我們知道在控制過程中需要檢測電流，然后進(jìn)行clarke和park變換。

圖2-5 電機(jī)等效結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖

從而出現(xiàn)了電流方向問題，經(jīng)過主電路后的波形中有高頻率的諧波存在，不能直接去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因?yàn)橹C波的存在會(huì)讓主電路損壞。所以，要在主電路中的輸出端加一個(gè)低通濾波器，濾除高次諧波得到平滑的正弦波。要得到一個(gè)良好的的正弦波，濾波器參數(shù)的選擇很重要。逆變器和轉(zhuǎn)子位置傳感器涵蓋了電力電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)控制等多種學(xué)科。在目前，永磁同步發(fā)電機(jī)在電機(jī)行業(yè)中占有很重要的地位。在航空航天、鐵路交通、郵電通信、太陽能、新能源等眾多方面，永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)揮著重要作用。但是，在這些領(lǐng)域?qū)τ来磐桨l(fā)電機(jī)的電氣特性也提出了更高的要求，電壓的幅值、頻率的大小和電壓波形是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是表明一個(gè)永磁同步發(fā)電機(jī)能否正常工作的指標(biāo)。在電機(jī)初始的時(shí)候，第一代電源是直流電機(jī)的電源，這種電能的缺點(diǎn)是能耗大大，供電效率同時(shí)運(yùn)行時(shí)還伴有很大的低頻噪音，這些直接影響電能的性能，同時(shí)其經(jīng)濟(jì)性差。

隨著電力電子技術(shù)的應(yīng)用，這種傳統(tǒng)的電機(jī)隨即就會(huì)被淘汰了。永磁同步電機(jī)雖然剛開始時(shí)買的價(jià)格比較貴，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的永磁體用的稀有金屬，目前價(jià)格比較昂貴。但是我相信，隨著科技的不斷地發(fā)展，永磁電機(jī)的價(jià)格也將會(huì)不斷的下降。而且有專家計(jì)算得出，永磁電機(jī)剛開始的成本比傳統(tǒng)電機(jī)貴，但是永磁電機(jī)的壽命長，通過幾年的使用，它節(jié)約的電能將會(huì)比購買是花的錢多得多，所以永磁電機(jī)一定會(huì)成為未來的主流電機(jī)。

總之，隨著社會(huì)的不斷的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為滿足人們對(duì)電能的質(zhì)量需求和人們?nèi)粘Ｉ畹男枰�。永磁同步電機(jī)必將會(huì)繼續(xù)向前發(fā)展的。第二個(gè)問題就是通過對(duì)永磁同步電機(jī)的學(xué)習(xí)，要能制作出永磁同步發(fā)電機(jī)的主電路、驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，并合理的選擇器件的型號(hào)和參數(shù)。逆變器電路的主電路用具有全控功能的MOS管作為開關(guān)管，它的開關(guān)頻率高功率消耗小，并且用四個(gè)MOS管做成全橋主電路。驅(qū)動(dòng)電路的作用是用來彌補(bǔ)因控制電路發(fā)出的波電流小，無法讓管子正常通斷的缺點(diǎn)。這也是永磁同步電機(jī)一個(gè)一直未得到很好解決的問題，努力以后能改變IGBT的工作原理而實(shí)現(xiàn)這個(gè)突破性的問題，也是在工控行業(yè)的一個(gè)期待。

3永磁同步電機(jī)控制調(diào)速方法

3.1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)的方程包括電機(jī)的電壓方程、運(yùn)動(dòng)方程、電流方程和轉(zhuǎn)矩方程等等，這些方程是其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立能夠很準(zhǔn)確地反應(yīng)出被控對(duì)象的不同的各種特性能是非常的關(guān)鍵的。使其跟蹤目標(biāo)值隨意變化的隨動(dòng)控制系統(tǒng)叫做伺服控制系統(tǒng)，以物體的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)速度等作為被控對(duì)象。這種伺服驅(qū)動(dòng)控制，是典型機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分，輸入的功率因數(shù)要高，輸出的負(fù)載阻抗要低；永磁同步電機(jī)的暫態(tài)響應(yīng)要迅速，同時(shí)要有較高的穩(wěn)態(tài)精度；永磁同步電機(jī)可靠性要好，在安全的前提下，電機(jī)的運(yùn)行要經(jīng)濟(jì)、高效；電機(jī)要抗電磁干擾，防止因電磁干擾而影響電能的效能；永磁同步電機(jī)要向智能化方向發(fā)展。因傳統(tǒng)的頻率可調(diào)的電機(jī)，多采用的是用模擬電路控制電源的技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)較高的要求是很困難的，為了我們能夠很方便的分析，我們假定：

                                            (3-1)

3.1.1 電壓平衡方程

                                         (3.5)

                                         (3.6)

                                          (3.7)

                                                       (3-8)

                                              (3-9)

                                                (3-10）

3.1.3 感應(yīng)電動(dòng)勢

                                                  (3-11)

                                   (3-12)

                                                           (3-13)

                                                          (3-14)

                                                 (3-15)

圖3-1 圓形磁場與脈振磁場

                                                                (3-16)

同理有，                                         (3-17)

                                                 (3-18)

                                                 (3-19)

                                                 (3-20)

                                                   (3-21)

由于永磁同步電機(jī)的電壓方程比較復(fù)雜，如果直接來人工計(jì)算是不易得到自己想要的結(jié)果的。因此我們不得不使用計(jì)算機(jī)建模軟件來建立他的數(shù)學(xué)模型，以方便我們解決問題：

這是一個(gè)永磁同步電機(jī)采用轉(zhuǎn)子位置傳感器后的空間矢量控制的控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，我們通過觀察式中的定子三相交流繞組的阻值和直軸的、交軸的電壓值，還有電機(jī)的電感值的大小和電機(jī)的機(jī)械角速度，電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小等等變化量，我們可以解決很多比較復(fù)雜的問題。

    而且由上面的公式我們還可以看出，永磁同步電機(jī)是一個(gè)由很多非線性的變化量來控制的系統(tǒng)。和具有耦合關(guān)系。因此，不能獨(dú)立地調(diào)整。這使系統(tǒng)不能線性化控制。永磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常用的轉(zhuǎn)子位置矢量控制策略有：

(1)控制；

(2)大機(jī)械電磁轉(zhuǎn)矩電流比控制技術(shù)：

(3)單位變量的功率因數(shù)控制技術(shù)；

(4)較小系統(tǒng)損耗的控制技術(shù)等方法。不同的控制手段都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，通過比較要達(dá)到需要的目的的永磁同步電機(jī)的控制方法比較得出，目前生活中最常用到的控制手段，主要使用的是方法（1）。因?yàn)槭褂?img id="aimg_cP0z8" onclick="zoom(this, this.src, 0, 0, 0)" class="zoom" width="41" height="24" src="http://c.51hei.com/a/huq/a/a/a/101/101.044.jpg" border="0" alt="" />控制，這一復(fù)雜問題會(huì)得到比較好的處理方法。

3.2 經(jīng)典PI控制調(diào)速原理

由定義可知，按給定的運(yùn)動(dòng)速度、軌跡、方向?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的跟蹤定位，使系統(tǒng)保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，是控制調(diào)速系統(tǒng)的根本必須的認(rèn)真考慮的事情。但由于系統(tǒng)本身的負(fù)載干擾、不完全的矢量解耦，永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)建立模型的隨時(shí)間變化的、非線性的、具有強(qiáng)耦合性質(zhì)的，此時(shí)在這種復(fù)雜的環(huán)境中依然要保持伺服系統(tǒng)的控制精度、快速響應(yīng)、動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定。

當(dāng)前在工程實(shí)際上使用得比較多的是經(jīng)典PI控制器，比例積分調(diào)節(jié)作用是按比例積分來反應(yīng)系統(tǒng)的偏差變化的，而且當(dāng)系統(tǒng)一出現(xiàn)了偏差量，那么比例積分調(diào)節(jié)就會(huì)馬上來減小這個(gè)偏差。要加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度那么我們可以加大比例作用來減小誤差，但是比例太大的話會(huì)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性質(zhì)下降，如果不及時(shí)處理還會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。而積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)達(dá)到無差度從而達(dá)到消除系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差的目的。只有在有誤差的前提條件下積分調(diào)節(jié)才能夠進(jìn)行。積分調(diào)節(jié)需要停止的條件就是系統(tǒng)沒有誤差。積分時(shí)間常數(shù)決定了積分作用的強(qiáng)弱，當(dāng)積分常數(shù)比較小的時(shí)候，積分調(diào)節(jié)的作用就會(huì)變得越強(qiáng)大；反之積分常數(shù)越大，那么積分調(diào)節(jié)的作用就會(huì)越弱小。但是加入了積分調(diào)節(jié)則會(huì)帶來使系統(tǒng)穩(wěn)定性能快速的下降，而且動(dòng)態(tài)的響應(yīng)也會(huì)變得反應(yīng)緩慢，所以一般積分調(diào)節(jié)不能單獨(dú)存在。傳統(tǒng)的經(jīng)典PI系統(tǒng)控制算法為：

            (3-22)

增量經(jīng)典PI系統(tǒng)控制算法為：

   (3-23)

在公式（3-23）和（3-24）中KP為系統(tǒng)的比例系數(shù)，Ki為系統(tǒng)的積分系數(shù)。

3.3 模糊PI控制調(diào)速原理

模糊控制（Fuzzy Control）是基于人的嫻熟操作經(jīng)驗(yàn)的，PI控制通過去除工程要達(dá)到的目的和實(shí)際工作過程中之間的誤差e（k）達(dá)到工程系統(tǒng)控制目的，其實(shí)現(xiàn)方便、控制可靠；模糊控制系統(tǒng)在線性或非線性系統(tǒng)都有許多優(yōu)越的特性。大量實(shí)際操作數(shù)據(jù)歸納總結(jié)出的，使用自然語言描述控制策略的，以模糊化的原則、模糊化程序規(guī)則和模糊化邏輯思維推理為比較簡單的計(jì)算機(jī)智能化系統(tǒng)控制手段。模糊化的PI控制與比較傳統(tǒng)的經(jīng)典PI控制手段最大的不同點(diǎn)在于模糊化的控制是不需要建立比較精準(zhǔn)地?cái)?shù)學(xué)化模型的，只需要將操作人員的經(jīng)驗(yàn)或者專家知識(shí)編制成模糊控制規(guī)則輸入到推理模塊作為規(guī)則庫，再將來自接口模塊的實(shí)時(shí)信號(hào)進(jìn)行模糊化處理輸入到推理模塊，并將推理輸出反模糊化后輸出，即可完成對(duì)被控對(duì)象的控制

圖3-2  模糊控制系統(tǒng)原理圖

圖3-2中 X—標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；R—擾動(dòng)信號(hào)；Y—控制對(duì)象輸出信號(hào)；

   V—反饋信號(hào)；FLC—模糊邏輯控制器;Z—執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖3-3  模糊邏輯控制器原理圖

模糊控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖及模糊控制器如圖所示。

圖2中的輸入即為圖1中的X1是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與反饋信號(hào)之差（即X1=X－V）的數(shù)字化信號(hào)量，在平面模糊PI控制調(diào)速系統(tǒng)過程中通常由兩個(gè)分量e和de/dt形成，他們一般都是通過我們計(jì)算或者是信號(hào)采集來得到的比較清楚的數(shù)值。其分量取值范圍叫基本論域，如e∈X，X=[－x,x]，則X就是e的基本論域。

第一步使我們需要把這個(gè)比較清楚的數(shù)值變化成比較模糊的數(shù)值，把它映射到一個(gè)進(jìn)行了模糊化后的子集Ak（k=1,2,3…）上，得到一個(gè)實(shí)數(shù)值，找出這個(gè)實(shí)數(shù)值隸屬于Ak的隸屬度，就是的系統(tǒng)的已模糊化。用過系統(tǒng)的隸屬函數(shù)我們能夠很方便的得到隸屬度：

模糊論域取離散值時(shí)，隸屬函數(shù)見公式（3-24）。

          A=                                 （3-24）

模糊論域取連續(xù)值時(shí)，隸屬函數(shù)見公式（3-25）。

          A=                                    （3-25）

將模糊化后的模糊量輸入“推理機(jī)”，由模糊PI智能控制規(guī)則，我們進(jìn)行模糊神經(jīng)網(wǎng)路理論來模擬我們大腦處理問題的過程。近似推理輸出的是模糊化的矢量，是不能夠直接作為系統(tǒng)的控制量，還必完成一次從模糊向清晰化的轉(zhuǎn)變，將其變換成清晰量才可輸出，即解模糊化。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中可廣泛使用的解模糊法一般為加權(quán)平均法，見公式（3-26），模糊控制的特點(diǎn)見文獻(xiàn)。

               V0=                                  （3-26）

4 Matlab建模與仿真設(shè)計(jì)

4.1 matlab軟件介紹

由于目前電腦計(jì)算機(jī)和與它有關(guān)聯(lián)系的科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)的高速延伸發(fā)展，使我們?cè)谙到y(tǒng)的仿真技術(shù)方面帶來了巨大的發(fā)展，而且仿真技術(shù)的使用領(lǐng)域也在不斷地向前推進(jìn)擴(kuò)展。當(dāng)前的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷強(qiáng)大與自動(dòng)化工程、系統(tǒng)控制工程和電腦計(jì)算機(jī)技術(shù)的拓展有著密切地相聯(lián)。自動(dòng)化工程是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)較早使用領(lǐng)域之一，自動(dòng)化工程技術(shù)的不斷拓展為當(dāng)前的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的成型和前行奠定了比較良好的基墊，在系統(tǒng)控制工程的前行，也進(jìn)一步地優(yōu)化了控制系統(tǒng)的模型建立與計(jì)算機(jī)仿真的理論原則體系。與此同時(shí)，也讓控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠得以比較大范圍的應(yīng)用在非工程控制系統(tǒng)的工作和應(yīng)用。MATLAB作為一個(gè)日常生活中常常使用的計(jì)算機(jī)仿真軟件，為使用者提供了比較逼真的計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境——SIMULINK，特別是里面的Simpower System（電力系統(tǒng)仿真）模塊庫擁有者非常強(qiáng)大的使用計(jì)算方面的能力，靈活方便的繪制圖型的能力，可看作是一個(gè)真實(shí)的仿真環(huán)境，把這種軟件使用在電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)非常方便快捷。

在處理比較復(fù)雜的系統(tǒng)和比較困難的問題過程中，控制系統(tǒng)的仿真技術(shù)也是處理工程和非工程等方向的問題主要方法之一。而且MATLAB軟件作為電力系統(tǒng)工程技術(shù)人員不得不學(xué)會(huì)的一門非常有用的技術(shù)，幫助科學(xué)研究技術(shù)人員，在使用計(jì)算機(jī)來解決人們難以處理的復(fù)雜問題。在計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)里面，這個(gè)不僅能夠很方面的搭建計(jì)算機(jī)的仿真模型，并且可以很快速的糾正和優(yōu)化建立的模型的參數(shù)，而且我們還能夠還可以很快捷的監(jiān)理處自己想要的模型。用計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的仿真計(jì)算，我們能夠方便快捷的得到自己想要的結(jié)果，以便于我們更好的分析結(jié)果。為科學(xué)研究人員和系統(tǒng)工程技術(shù)人員快速方便的處理了很多困難的問題，提供了一種分析處理復(fù)雜問題與研究探索最優(yōu)化方法的手段。

4.2控制系統(tǒng)的仿真模型

本文是以永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為例，在0.1s施加負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3N·m，在傳統(tǒng)的經(jīng)典PI控制調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，比例系數(shù)kp=0.013，積分系數(shù)ki=16.61，輸出限幅[-500，500]；在模糊PI控制系統(tǒng)中，比例積分調(diào)節(jié)器的基準(zhǔn)比例系數(shù)kp=0.013，基準(zhǔn)積分系數(shù)ki=16.61，輸出限幅[-500，500]，比較經(jīng)典PI控制和模糊PI控制性能，兩種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。

圖4-1經(jīng)典PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    通過加入模糊控制器，如公式（4.1）、（4.2）所示，實(shí)時(shí)修改變量，從而修改比例系數(shù)和積分系數(shù)。

         

                                                           （4.1）

         

                                                           （4.2）

建立模糊化控制器時(shí)，第一部要設(shè)置輸入和輸出變化量，本模糊控制器把轉(zhuǎn)速的偏差e和轉(zhuǎn)速偏差的變化率作為輸入的變化量，輸出變化量為、，如下圖4-2所示。

圖4-2  模糊控制器

    轉(zhuǎn)速偏差e和轉(zhuǎn)速偏差的變化率論域分別為[-150,150]、[-3.5,0.5]，

隸屬度函數(shù)均為正弦或者余弦三角形函數(shù)，如圖4-3和圖4-4所示。

圖4-3  轉(zhuǎn)速偏差隸屬度函數(shù)圖

圖4-4  轉(zhuǎn)速偏差變化率隸屬度函數(shù)圖

通過分析得出了模糊控制規(guī)則(表4-1)，模糊控制規(guī)則三維圖形(圖4-5和圖4-6)，在模糊設(shè)計(jì)中，模糊控制量可以表示為{負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），中（ZO）,正�。≒S），正中（PM），正大（PB）}。我們分別以這七種模糊控制的變化量來作為一種約定俗成的控制法則規(guī)則來完成工程系統(tǒng)控制計(jì)算的需要。從而來達(dá)到完成對(duì)模糊化的參數(shù)、的進(jìn)行精準(zhǔn)的控制的目的。

表4-1  控制規(guī)則表

    模糊PI智能控制就是用，每隔一段時(shí)間，通過采樣周期T時(shí)間，來獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的輸出響應(yīng)，把獲得的數(shù)字信號(hào)量和調(diào)速模型的內(nèi)部的給定數(shù)字量來進(jìn)行一個(gè)比較，這樣就能夠獲得了此時(shí)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的偏差e。對(duì)偏差信號(hào)求導(dǎo)數(shù)，我們就能很容易的得到偏差的變化率。模糊PI智能控制運(yùn)算時(shí)，我們需要通過一定的數(shù)學(xué)變化，使2個(gè)確定的量轉(zhuǎn)變化成它相對(duì)應(yīng)的模糊子集的模糊控制量，通過這個(gè)被數(shù)字化因子的導(dǎo)進(jìn)來了解從基本論域到模糊論域的變換。相同道理為了使模糊量來清楚化展現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，我們導(dǎo)入了比例因子。

圖4-5  輸出變量的模糊規(guī)則圖形

圖4-6  輸出變量的模糊規(guī)則圖形

圖4-7  模糊PI控制部分圖

圖4-8  模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    在經(jīng)典PI控制系統(tǒng)中，電磁轉(zhuǎn)矩初始值為0N·m，t=0.005s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大Te=27N·m，t=0.04s時(shí)Te衰減為0N·m；在t=0.1s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩增加，t=0.115s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te=5N·m，t=0.14s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩在Te=4N·m附近維持穩(wěn)定，如圖5-1所示

圖5-1 經(jīng)典PI控制系統(tǒng)中電磁轉(zhuǎn)矩曲線

逆變器交流輸出AB相之間的電壓波形圖如圖5-2所示，t=0.025s時(shí)線電壓幅值最大，Uab=460V，t=0.05s時(shí)Uab=430V，t=0.1s時(shí)Uab幅值逐漸增加，t=0.12s時(shí)Uab=490V。

圖5-2 經(jīng)典PI控制系統(tǒng)逆變器輸出AB線電壓

逆變器直流側(cè)輸入電壓在0-0.03s時(shí)逐漸上升到470V，超調(diào)量為4.4%，t=0.05s時(shí)間時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定在450V。0.1-0.12s時(shí)電壓逐漸上升0.15s后穩(wěn)定在480V。如下圖5-3所示。

圖5-3 經(jīng)典PI控制系統(tǒng)逆變器直流側(cè)電壓

    永磁同步伺服電機(jī)A相定子電流在0-0.04s幅值由20A逐漸衰減至0A，在t=0.1s時(shí)，由于給了永磁同步電機(jī)一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使得定子電流逐漸增加，t=0.15s時(shí)，穩(wěn)定在3A。如圖5-4所示。

圖5-4 經(jīng)典PI控制系統(tǒng)永磁同步伺服電機(jī)A相定子電流

    永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速0-0.035s逐漸上升，最大值為n=3100r/min，超調(diào)量3.3%, t=0.06s以后穩(wěn)定在n=3000r/min。在0.1-0.13s轉(zhuǎn)速受擾動(dòng)影響而降低，最大系統(tǒng)轉(zhuǎn)速偏差為5%，t=0.12s以后,轉(zhuǎn)速就保持在了3000r/min。如下圖5-5所示。

圖5-5  經(jīng)典PI控制系統(tǒng)永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

在模糊PI控制系統(tǒng)中，電磁轉(zhuǎn)矩初始值為0N·m，t=0.005s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大Te=62N·m，t=0.02s時(shí)Te衰減為0N·m；在t=0.1s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩增加，t=0.102s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te=5N·m，t=0.105s時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩在Te=4N·m附近維持穩(wěn)定，如圖5-6所示。

圖5-6  模糊PI控制系統(tǒng)中電磁轉(zhuǎn)矩曲線

逆變器交流輸出AB相之間的電壓波形圖如圖16所示，t=0.01s時(shí)線電壓幅值最大，Uab=500V，t=0.02s時(shí)Uab=450V，t=0.1s時(shí)AB相之間的電壓Uab=500V。

圖5-7 模糊PI控制系統(tǒng)逆變器輸出AB線電壓

逆變器直流側(cè)輸入電壓在0-0.01s時(shí)恒為500V，在0.01-0.025s之間電壓幅值周期性衰減，在0.025s以后電壓在440V附近小范圍波動(dòng)，振幅為5V。0.1s后電壓在420V附近大范圍波動(dòng)，振幅為30V。如下圖5-8所示。

圖5-8 模糊控制系統(tǒng)逆變器直流側(cè)電壓

永磁同步伺服電機(jī)A相定子電流在0-0.015s幅值由45A逐漸衰減至0A，在t=0.1s時(shí)，由于永磁同步電機(jī)受到了一個(gè)負(fù)載，使得定子電流周期性變化，幅值為3A。如圖5-9所示。

      圖5-9 模糊PI控制系統(tǒng)永磁同步伺服電機(jī)A相定子電流

永磁同步伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速0-0.005s近似直線上升，轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，繼續(xù)沿直線上升t=0.01s時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000r/min。t=0.1s時(shí)轉(zhuǎn)速有微小波動(dòng)，但幅度小于0.3%。在下圖5-10所示。

圖5-10 模糊PI控制系統(tǒng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

6 總結(jié)

本文通過將模糊智能PI控制和傳統(tǒng)的經(jīng)典PI控制進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論：以模糊PI智能控制調(diào)速方式來代替了我們傳統(tǒng)使用的經(jīng)典PI控制算法應(yīng)用在永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制調(diào)速系統(tǒng)，很好地利用了模糊PI智能控制的使用簡單方便、應(yīng)用的理論規(guī)則較少、擁有自己能夠適應(yīng)外界隨時(shí)變化能馬上做出正確地反應(yīng)的優(yōu)勢，改善了永磁同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)性能方面表現(xiàn)出了較傳統(tǒng)PI控制更強(qiáng)的功能特性。仿真結(jié)果證明，通過應(yīng)用模糊PI智能控制的永磁同步電機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)，能夠在系統(tǒng)反應(yīng)速度、趨于穩(wěn)定性等方便的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，系統(tǒng)參數(shù)隨時(shí)間變化性能的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力和魯棒性等方面都優(yōu)越于傳統(tǒng)的經(jīng)典PI控制。

致 謝

能夠順利的做出本次永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我感謝劉白楊老師的點(diǎn)撥和指導(dǎo)，感謝周攀明同學(xué)的耐心的幫助，感謝該組同學(xué)的分析和開導(dǎo)，感謝班上所有同學(xué)的關(guān)心和照顧。從看到任務(wù)書的那一刻，我就知道必須要把永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真的基本功能實(shí)現(xiàn)，才能說是成功的。上唐杰老師的《電力電子技術(shù)》的課程時(shí)知道了逆變的基本原理，上劉白楊老師的《MATLAB在電氣工程中的應(yīng)用實(shí)例》課知道了MATLAB的運(yùn)用，但只知道原理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)橐粋€(gè)作品不光是對(duì)原理的應(yīng)用，更是對(duì)電路各個(gè)部分的應(yīng)用。元器件的選擇，器件參數(shù)的選擇，算法的選擇都直接影響到調(diào)速系統(tǒng)的性能的好壞。我開始做永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真的時(shí)候無從下手，在劉白楊老師，周攀明同學(xué)以及該組同學(xué)的指導(dǎo)和分析下我對(duì)怎么做建模與仿真有了整體的認(rèn)識(shí)。首先，要熟練matlab里面的simulink的模塊，這是實(shí)現(xiàn)建模的關(guān)鍵，在周攀明同學(xué)的幫助下，我找到了要完成仿真所需要的所有模塊。接下來就是需要建立仿真模型圖了，我通過自己查閱有關(guān)資料，終于建成了系統(tǒng)的仿真圖。最后，就是對(duì)仿真結(jié)果的分析了，同學(xué)不斷地嘗試多組數(shù)據(jù)，在最終我獲得了到了，我想要的結(jié)果了。看到MATLAB里面的示波器上有我需要的波形，但是真的感到很高興，我感覺我所有的努力都是值得的。在此，再次感謝所有對(duì)我完成作品有幫助的老師，同學(xué)和朋友。

永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真.docx (1.38 MB, 下載次數(shù): 37)

2018-9-13 11:10 上傳

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