永磁同步电机调速系统.doc

1、摘要I摘要同步电机调速系统是交流调速系统的两大分支之一，随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展，同步电机调速系统日益得到广泛的应用。作为同步电机的一种，永磁同步电机在交流伺服系统中占有重要地位，对永磁同步电机控制策略的研究越来越受到控制理论学者和工程师的重视。传统的PI 控制方案难以满足高性能伺服控制的需要。本文对一种非线性控制技术自抗扰控制技术的理论及其在永磁同步电机调速系统中的应用进行了较为深入的研究，主要工作包括自抗扰控制器机理的分析、参数调整规律、数字化实现的简化方案，以及仿真和实验研究等。论文首先介绍了当前交流伺服系统的研究背景，简要介绍了永磁同步电机调速系统的原理；然后，

2、分析了当前永磁同步电机的几种主要控制算法的特点及存在问题；在对自抗扰控制技术的机理和特点分析的基础上，对其参数调整规律、数字化实现的简化方案进行了深入研究；然后，研究了自抗扰控制技术在永磁同步电机矢量控制调速系统中的应用，利用搭建的伺服实验平台进行了翔实的实验分析。实验结果表明，和 PI 控制方案相比，本文的自抗扰控制方案有着更为优秀的动、静态性能，并且抗干扰能力更强；最后，对自抗扰控制技术在永磁同步电机的直接转矩控制方案中的应用也进行了较为深入的研究。仿真研究表明，和 PI 控制方案相比，该方案具有更优的动态性能，对不同参考速度情况下控制器具有更好的适应性。关键词： 永磁同步电机，交流调速系

3、统，自抗扰控制，矢量控制，直接转矩控制AbstractIIAbstractSynchronous motor speed-adjusting system is one of two main branches of AC speed- adjusting systems. With the development of power electronic technique, micro-electronic technique and modern control theory, synchronous motor speed-adjusting system is widely utili

4、zed. As one type of synchronous motors, permanent magnet synchronous motor (PMSM) occupies an important place in AC speed-adjusting systems. The control strategy of PMSM attracts great attention from researchers and engineers. The conventional PI control scheme cant satisfy the requirement of high-p

5、erformance servo control. This paper mainly addresses the theory and application of a kind of nonlinear control technique-active disturbance rejection control (ADRC) technique to PMSM control. In this paper, ADRC theory and its implementation in PMSM speed-adjusting system are detailed studied, incl

6、uding the mechanism analysis of ADRC controller, the rule adjustment of parameters, the simplified digital implementation scheme, and the research on simulations and experiments.In this paper, the background of research on AC servo system is introduced, and the mechanism of PMSM speed-adjusting syst

7、em is illustrated briefly. Then, the characteristics and flaws of major PMSM control algorithms are discussed. Based on the analysis of the mechanism and characteristics of ADRC technique, its rule adjustment of parameters and the simplified digital implementation scheme are studied deeply. Then the

8、 application of ADRC technique to PMSM vector control scheme is implemented, and corresponding experiments are made on the servo experiment equipment. Experiment results indicate that, comparing with PI control scheme, the ADRC scheme given in this paper not only shows higher transient and steady pe

9、rformance, but also improves the anti-disturbance ability. In the end, the research on ADRC technique based on PMSM direct torque control (DTC) scheme is developed. The simulation results indicate that, this scheme has higher transient performance, and improves the adaptability for different referen

10、ce speeds.Key words: Permanent magnet synchronous motor; speed-adjusting system; active disturbance rejection control; vector control; direct torque control 目录III目录摘要 .IABSTRACT.II目录 .III第一章 绪论 .11.1 交流伺服系统的发展概况 11.2 交流电机的主要控制方案 21.3 永磁同步电机控制算法研究现状 31.4 本论文的工作和内容安排 7第二章 永磁同步伺服电机调速系统的原理 82.1 永磁同步电机的工

11、作原理 82.2 永磁同步电机的数学模型 82.2.1 电机模型中使用的坐标系 .92.2.2 dq坐标系中电机模型 102.3 永磁同步电机伺服系统的组成 .112.3.1 系统的总体架构 112.3.2 系统的硬件组成 122.3.3 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F240 简介 122.3.4 智能功率模块 IPM 简介 132.4 永磁同步电机调速系统实验平台 13第三章 自抗扰控制理论分析及其简化实现方案研究 .153.1 自抗扰控制方法的原理 .153.2 自抗扰控制方法的简化方案 193.3 简化自抗扰控制器的仿真与分析 203.3.1 Matlab/Simulink

12、概述 203.3.2 简化自抗扰控制仿真模型的搭建 .203.3.3 参数调节规律分析 .223.3.4 抗扰性能分析及和 PI 算法的性能比较 .273.4 小结 29第四章 基于矢量控制的永磁同步电机的简化自抗扰控制算法研究 314.1 矢量控制简介 314.2 永磁同步电机的解耦控制 314.3 永磁同步电机矢量控制方案简介 324.4 基于矢量控制的简化自抗扰控制方案 .354.5 简化自抗扰控制的实验研究 364.5.1 简化自抗扰算法程序实现 .36目录IV4.5.2 实验测试指标及测试方法 .374.5.3 和 PI 算法的性能比较 38第五章 基于直接转矩控制的永磁同步电机自抗

13、扰控制算法研究 .435.1 直接转矩控制的原理 435.2 自抗扰控制器的设计 475.3 仿真结果与分析 .48第六章 结束语 51参考文献 52作者在学期间发表的论文 .54第一章 绪论1第一章 绪论1.1 交流伺服系统的发展概况伺服系统是指对给定的速度、位置或转矩信号进行快速跟踪的系统。在工业自动化领域，伺服系统作为重要的基础技术，在如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、柔性制造系统、雷达等领域中得到广泛应用 1。根据伺服系统中电机的不同，伺服系统可以分为直流伺服系统和交流伺服系统。直流电机具有良好的启动、制动和调速性能，而交流电机的控制相对复杂。由于电力电子、微电子及控制

14、技术所限，在二十世纪 50 年代以前，伺服系统中几乎都采用直流电机，而交流电机只用在非调速场合。但直流电机也存在自身的缺点。直流电机中有电刷和机械换向器，这限制了转速的提高而且增加了故障的可能性；而且，电刷的存在使电机工作中可能出现火花，这限制了伺服系统在易燃易爆等场合中的使用。上世纪中期，随着电力电子技术、微电子技术及控制技术的发展，特别是可以快速通断的功率器件 2的出现和矢量控制技术 3的提出，为交流伺服的发展奠定了基础，使交流伺服系统在性能上达到甚至超过了直流伺服，可以实现大调速比、高精度、快速响应和四象限运行等功能，因此交流伺服有逐步取代直流伺服的趋势 4。交流伺服系统中电机又分异步电

15、动机和同步电机两种。异步电机结构简单、坚固耐用、维护工作量小，运行效率高，转动惯量小、动态响应快，可以做到高电压、大容量、高转速，可以使用在条件比较恶劣的场合 5。但异步电机也有自己的缺点：异步电机需从定子侧励磁，功率因数较低，从而需要较大的变频装置；其次，转子参数受温度影响较大，从而影响其控制精度；此外，为了提高功率因数和效率，异步电机需尽可能的减小气隙宽度，这导致它的制造较为困难，并且不适合工作于震动较大的场合。而同步电机的转速是由定子电流频率和极对数所确定的，在固定供电频率下可以恒速运行，不像异步电机那样存在转差。此外，同步电机采用直流励磁(或使用永磁体 )，允许电机在任意的功率因数下工

16、作，因此同步电机可以改善电网的功率因数 6。同步电机比异步电机在伺服领域中性能更有竞争力，将成为交流伺服系统中的主流。伺服驱动器有多种实现方案。最初的系统采用的都是全模拟方案。模拟方案虽然抗干扰能力较强，但由于受元件精度和温度漂移等影响，难以提高精度。随着科技的发展，模拟系统方案已逐渐被数字方案所取代。早期的数字方案主要采用专用的硬件元件组成，因此，在方案确定后系统的可调余地小，对于不同的应用场合要分别设计，适应性较差。近年来由于单片机和 DSP 技术的突飞猛进，越来越多的场合开始采用通用处理器+软件程序的方式搭建系统，从而缩短了设计周期并大大节约了开发成本。目前DSP 芯片主要有 TI 公司

17、的 TMS320 系列、AD 公司的 ADSPZIXX 系列、MOTOROLA 公司的 DSP56000 系列等。TMS320F240 芯片是 TI 公司推出的面向工业控制的 DSP 芯片。TMS320F240 芯片具有强大的计算能力并集成了多种外设，非常适宜电机的数字化控制。DSP 的快速运算能力为电机控制中实现高级控制算法提供了东南大学硕士学位论文2可能 7。交流伺服系统正朝着智能化、网络化的方向发展 8。伺服系统具有相当的智能特性，一方面表现在系统具有很强的自诊断和故障保护特性，另外一方面，系统越来越多的采用现代控制理论和人工智能理论，各种先进的算法被应用于交流伺服系统，使系统具有更多的

18、功能和更好的性能。客户对伺服系统的性能要求日渐提高，使得伺服系统必须具备强大的网络性能。为了完成复杂的功能，一个系统中常常会包括多个伺服子系统，因此，如何管理这些伺服子系统以及如何使它们协同工作就成为必须要解决的问题。当前，交流伺服系统中通常使用总线技术实现伺服子系统之间及伺服子系统和上位机之间的通讯。常用的总线有 CAN、PROFIBUS 等 9。目前，欧美及日本的一些厂商(如西门子、施奈德、安川、三菱和松下等)已经推出了一系列高性能的全数字交流伺服控制系统。我国于上世纪八十年代开始引进和研究交流伺服系统，但由于起步晚，目前国内的交流伺服系统的研究还比较落后，交流伺服系统的性能也比较落后。国

19、外厂商的产品价格昂贵而且不开放技术，因此，对交流伺服控制系统进行自主的研究和开发，对于我国的工业现代化具有重要的意义。1.2 交流电机的主要控制方案任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差 90 度电角度，因此可以独立调节；而交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。因此，长期以来，交流电机的转矩控制性能不佳。经过长期的研究，目前已经存在两种主要的实用交流电机控制方案：矢量控制和直接转矩控制，它们的控制性能已经可以和直流电机控制相媲美，下面简要介绍两者的原理。1) 矢量控制矢量控制(Vector Control)理论是由西门子公司的 F.

20、 Blaschke5于 1971 年提出的。由电机理论，交流电机模型经过 Clarke 变换和在转子同步坐标系下的 Park 变换，可以等效为直流电机模型，因此，模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，再经过相应的坐标反变换，就可以控制交流电机。因为需要对电流矢量进行坐标变换，所以将这种方案称为矢量控制方案。由于矢量控制系统其结构是模仿直流电机控制系统的，因此，理论上其动静态性能可以接近或达到直流电机的性能。2) 直接转矩控制直接转矩控制算法是由德国鲁尔大学教授 Depenbrock 于 1985 年提出的一种具有快速转矩响应的控制策略，最早应用于感应电机中 10。上世纪九十年代中期，

21、L. Zhong 等人将直接转矩控制算法改造应用于永磁同步电机中 1112，相关的仿真和实验研究结果也得到报道 1314。相较于矢量控制方法，直接转矩控制方法采取定子磁场定向，直接对电机的磁链和转矩进行控制，省略复杂的坐标变换等单元，具有结构第一章 绪论3简单，对电机参数依赖小，转矩响应快等优点。1.3 永磁同步电机控制算法研究现状永磁同步电机是一个复杂的非线性系统，在运行过程中参数会发生变化，而且往往还存在着较为严重的外部干扰，因此永磁同步电机的控制是比较困难的。经典控制理论不能克服扰动、参数大范围摄动等因素对系统性能的影响，难以获得满意的控制系统性能。要获得高性能的控制效果，就必须研究先进

22、的控制算法。随着控制理论的发展，很多先进的算法被应用于永磁同步电机的控制研究中，如滑模变结构控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。下面对目前永磁同步电机控制中使用的几种典型算法进行简要介绍。1.3.1 PI 控制PI 控制 15作为经典控制理论的代表，是目前永磁同步电机控制中应用最为广泛的一种控制算法。永磁同步电机调速系统的速度环和电流环调节器一般均使用 PI 控制器，系统具有较好的动态性能和稳态精度 5。PI 控制器取系统的参考输入和实际输出的差值作为输入信号，将此偏差的比例(Proportional, 简称 P)和积分(Integral, 简称 I)信号进行线性组合构成控制量，对被控

23、对象进行控制 16。其控制律为，假设系统的参考输入为 ，实际输出为 ，定义误差信号 ，则 PI 控制器的输出为：()rt()yt()()etryt(1.1)01tpIutKtdT其中， 为比例系数， 为积分时间常数。pKIT比例控制是为了快速减小误差，但比例控制不能消除静差，而且如果 过大，有可能引起系统不稳pK定；积分控制可以消除静差，但如果积分作用过强，将导致系统的超调过大，还可能出现振荡。作为目前使用最广泛的控制器，PI 控制器具有如下优点：1) 控制原理简单，使用方便，己形成一整套完整的参数设计和参数整定方法，很容易被工程技术人员接受和掌握；2) 控制算法蕴涵了系统动态过程中过去、现在

24、的主要信息。通过对比例系数、积分时间常数的适当调整，可以达到比较良好的控制效果；3) 控制算法与特定的被控系统无关，对被控制系统参数变化不敏感，具有一定的鲁棒性。但是，由于 PI 控制的结构过于简单，它也存在着比较明显的缺陷，具体表现在：首先，PI 控制直接取目标和实际行为之间的误差作为输入，这样就会出现初始控制量太大而出现超调；其次，经典 PI 控制东南大学硕士学位论文4是通过“线性组合”来实现控制，而这易引起响应的快速性和超调量之间的矛盾；第三，在实际应用中，输入参考信号常常不可微，甚至不连续，而且输出信号 又常常被噪声所污染，因此误差 按经典()yt ()et意义上通常是不可微的 17，

25、所以 PI 控制器中没有使用误差的微分信号，从而限制了系统性能的提升。1.3.2 改进的 PI 算法针对传统 PI 控制的缺点，人们提出了很多种改进算法。其中一类算法是对 PI 控制本身做的一些改进，如积分分离算法 15。积分分离算法在误差较大时不进行积分，直至误差在某一范围后才在控制量中引入积分运算。这样就避免了积分饱和的问题。类似的算法还有遇限削弱积分算法 15，它的工作机理是，当控制量进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。这种算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。还有一类算法是将 PI 控制技术和其他控制技术相结合，得到的新型控制算法，如模糊 PI 控制算法、自

26、适应 PI 控制算法等。模糊 PI 控制结合了 PI 控制和模糊控制两者的优点，使用模糊控制技术提高了控制系统的鲁棒性，同时使用 PI 控制克服了模糊控制稳态控制精度较差的缺点。参考文献18中提出了一种永磁同步电机模糊 PI 控制器，该控制器通过模糊控制规则,自动整定 PI 参数,实现了模糊控制没有的积分控制效应，从而提高了系统的动态响应,消除了系统的稳态误差。自适应 PI 控制算法采用自适应控制技术对 PI 控制参数进行在线调整，从而提高了控制系统的抗扰能力。参考文献19结合模型参考自适应理论和 PI 控制算法, 构造了一种改进的无速度传感器矢量控制系统速度估算方法，控制系统具有较好的动态性

27、能。1.3.3 滑模变结构控制滑模变结构控制 2021是一种非线性控制，它的主要原理为，根据系统的状态选择合适的控制输入，使系统沿着设计好的“滑动模态”的轨迹运动。经过四十多年的研究，滑模变结构控制已成为自动控制理论的一个重要分支，被广泛应用于复杂的非线性系统控制中。它的设计分两步：第一步，确定滑动面，此滑动面所描述的状态就是期望系统应达到的动态指标。第二步，设计开关控制器，使系统向开关面运动，并将其强行维持在开关面附近向平衡点滑动。因此，滑模变结构控制与被控对象参数和扰动无关，具有良好的鲁棒性。参考文献 22中针对永磁同步电机交流伺服系统，提出了一种新型的滑模速度控制器的设计方案，该方案对系

28、统参数变化和负载扰动具有很强的鲁棒性，并且使得闭环系统无静差。参考文献23在永磁同步电机控制系统中提出了一种积分模糊滑模控制器，它将模糊控制和滑模变结构控制结合起来，并且引入了积分环节，消除了高频颤抖现象。滑模变结构控制不需要任何在线辨识环节，运算量小，实现上相对容易。但滑模变结构控制本质上是一种开关控制，由于实际系统中的开关频率不可能做到无限大，所以存在滑动面附近的抖动现象，如何在保持滑模变结构控制的优点的同时减弱抖动现象，是目前需要研究的主要问题。第一章 绪论51.3.4 自适应控制自适应控制 24最早起源于高性能的自动驾驶飞行器的研究，现在已经应用于许多领域。自适应控制主要包括两种类型：

29、模型参考自适应控制和自校正控制，它们之间的界限并不十分明显，其基本思想是根据系统参数的变换和扰动来实时地调节控制器参数或重新设计控制器。自校正控制的特点是具有参数的在线辨识环节，在系统运行过程中逐步调整参数，从而达到最优的控制效果。自校正控制系统由两个闭环组成，包括一个常规的由控制器和被控系统构成的控制环，及一个控制器的参数调整环。一般来说控制环的变化比参数调整环要快。模型参考自适应控制的原理为：利用可调系统的各种信息度量或测出某种性能指标，把它与参考模型的性能指标相比较，用性能偏差通过非线性反馈的控制机构产生控制规律来调节可调系统，不断的削弱可调系统的偏差，以使被控对象获得良好的性能指标。因

30、此，如何找到一个合适的参考模型及参数调节规律是模型参考自适应控制器设计的关键。参考文献25 介绍了一个基于 DSP 的永磁同步电机自适应速度控制器，该控制器使用了模型参考自适应方法，计算量小，在系统参数变化和负载转矩扰动情况下具有良好的自适应能力。参考文献26 在永磁同步电机速度控制器中采用了间接模型参考自适应控制技术, 控制参数采用基于递推最小二乘法的自适应控制算法，控制系统有很强的自适应能力和抗负载扰动能力。一个理想的自适应控制系统应该具有良好的适应性和鲁棒性，具备良好的学习能力，而且在内部参数失效时具有恢复能力。但是自适应控制系统本身是一种本质非线性系统，并且常常兼有随机和时变特征，其内

31、部机理相当复杂，要分析它是十分困难的，还有许多问题没有解决。1.3.5 模糊控制自从 1965 年 Zadeh 教授创建模糊集理论以来，模糊控制 27在工业上得到迅速发展和广泛应用。模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言及模糊推理为基础的数字控制方法。模糊控制是智能控制中应用较为广泛的一种控制方法，它可以用来实现对一些传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。模糊控制器分为模糊化处理、模糊推理和去模糊化处理三个主要部分。模糊控制器的工作机理为：首先，对输入信号 进行模糊化处理，将 变为模糊信号 ；然后，根据模糊控制规则进行模糊推理，e()etE得到输出 ， 也为模糊量。为了对被控系统进行精确控制，还

32、需要把模糊输出 转换成精确控制输出U U，即去模糊化处理，去模糊化处理后的输出 即为被控系统的控制信号。u u因为模糊控制不需要建立对象的精确数学模型，只需要根据人工的经验或统计形成其控制规则，避免了对象的不确定性、噪声及非线性、时变性等因素的影响，有很强的鲁棒性，所以在交流伺服控制中得到了广泛应用 18。但是模糊控制器也存在稳态精度低，在稳态容易振荡等缺点，所以在永磁同步电机东南大学硕士学位论文6控制中可以将模糊控制器与 PI 控制器结合起来 28，在误差大时采用模糊控制，在误差较小时切换成 PI 控制。这种混合控制器具有算法简单、易于实现等特点，不但解决了稳态精度低的问题，而且保证了系统的

33、快速性和鲁棒性。1.3.6 神经网络控制人工神经网络(Artificial Neural Networks, 简称 ANN)29是依据人脑生物微观结构与功能，对人脑神经系统的模拟而建立起来的模型，其功能主要是模拟人脑的思维方式进行工作，具有自学习能力、并行处理能力和自适应能力，目前已经成为人工智能的一个重要分支。对控制系统而言，神经网络的优势在于：神经网络实质上是非线性系统，能够逼近任意复杂的非线性函数；神经网络的信息分布在网络的各神经元及其连接权中，使系统具有较好的容错能力;系统具有良好的自适应能力和自学习的能力，能够学习和适应不确定系统的动态特性；同时神经网络的并行处理方式使其具有快速进行

34、大量运算的能力。目前神经网络在交流伺服系统中的应用，主要是利用了其对非线性函数的良好逼近能力。神经网络强大的非线性函数逼近能力结合其它先进控制技术，可以实现具有自适应能力的控制器。神经网络控制为永磁同步电机控制开辟了新的研究方向。文献30 在永磁同步电机矢量控制系统中采用递归神经网络控制器作为速度控制器，该神经网络矢量控制系统具有良好的动、静态特性，同时具有在变速和变负载情况下良好的性能。参考文献31 采用了单神经元自适应 PID 控制器对永磁同步电机进行了调速控制，系统具有良好的动态性能。虽然神经网络控制理论上可以实现高性能的控制效果，但目前神经网络控制的研究大多停留在仿真与实验室阶段，很少

35、应用于实际系统，其原因在于：1) 算法复杂，计算量太大；2) 理想的训练样本提取困难，影响了网络的训练速度和训练质量；3) 学习算法有可能收敛到局部极小值点而不是全局最小值点，存在局部极小问题，造成网络的局部收敛，影响系统的控制精度。因此，神经网络理论还很不成熟，还有许多理论问题需要解决。所以神经网络控制在永磁同步电机中的应用还有很多工作要做。以 PI 为代表的经典控制方法在先天上存在不足，难以满足现代交流伺服系统的控制需要。上述讨论的一些新型控制方法在理论方案上丰富了伺服控制方法的研究，具有重要的价值。但是，其中的许多方法，例如神经网络控制方法、复合模糊控制方法等，涉及的数学知识较多，计算和

36、实现较为复杂，难以真正应用于交流伺服控制系统的实际控制；不少方法只是停留在数值仿真研究上，设计的控制器没有考虑到实际应用的特点，离真正应用还存在一定距离。因此，研究新型的非线性控制算法，特别是能在实际交流伺服系统中真正实现的非线性控制算法，并将其真正应用于交流伺服控制，使得闭环系统具有优异的性能，真正提升交流伺服系统的控制性能，是目前交流伺服研究中一个迫切需要解决的问题。这也是本文研究工作的出发点。第一章 绪论71.4 本论文的工作和内容安排本论文吸收和借鉴了当前国内外交流电气传动领域研究成果，对永磁同步电机调速系统的控制算法进行了研究。将自抗扰控制技术应用于当前永磁同步电机的两种主要控制方案

37、矢量控制和直接转矩控制方案中，并进行了仿真和实验研究。在对自抗扰控制算法分析基础上，着重研究了简化自抗扰控制模型，给出了初步的参数调节规律，并和传统的 PI 控制进行了性能比较。仿真与实验结果表明，自抗扰控制器有着比 PI 控制器更好的动、静态性能，抗扰动能力也有了增强。本论文的主要工作如下：1、 分析了永磁同步电机伺服系统的工作原理和数学模型；2、 分析了自抗扰控制算法的原理，研究了其控制机理、调整规律和简化实现方案，通过仿真分析了自抗扰控制系统的性能，并给出了自抗扰控制算法参数的调整方法；3、 对自抗扰控制算法在永磁同步电机的矢量控制方案中的应用做了分析。根据永磁同步电机的特点，在其矢量控

38、制方案中的速度调节器中应用了自抗扰控制算法。对该方案和传统的 PI 控制方案在交流调速系统试验平台上进行了实验研究。通过对实验结果的分析，对两者的性能进行了比较；4、 对自抗扰控制算法在永磁同步电机的直接转矩控制方案中的应用进行了分析。根据永磁同步电机的特点，在其直接转矩控制方案中应用了自抗扰控制算法。在 Matlab/Simulink 中搭建了其仿真模型和基于直接转矩控制的 PI 控制方案的仿真模型，并进行了仿真研究。通过对仿真结果的分析，对两者的性能进行了比较。本论文的内容安排为：第一章为绪论，对交流伺服系统的发展概况和当前交流伺服系统的研究现状做了简介；第二章介绍了永磁同步电机的原理和永

39、磁同步电机的数学模型，以及永磁同步电机交流调速系统的实现方案；第三章介绍了自抗扰控制算法的原理，研究了其改进方案，对该自抗扰控制算法进行了仿真研究，给出了调参规律；第四章介绍了永磁同步电机矢量控制的原理，对基于矢量控制的自抗扰控制方案进行了仿真和实验研究，并将其与 PI 控制方案进行了性能比较；第五章分析了永磁同步电机直接转矩控制的原理，提出了基于永磁同步电机直接转矩控制的自抗扰控制方案，并对其与 PI 控制方案进行了仿真分析比较；最后在第六章中对研究工作进行了总结和展望。东南大学硕士学位论文8第二章 永磁同步伺服电机调速系统的原理2.1 永磁同步电机的工作原理三相永磁同步电机(Permane

40、nt Magnet Synchronous Motor，简称 PMSM)是目前使用相当广泛的一种交流伺服电机。其定子用强抗退磁的永磁体构成，不需要励磁绕组和直流励磁电源，故永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、功率因数高等优点。同时，如果采用稀土材料制造永磁体，可以大大提高气隙密度，从而可以减小电机体积和质量，并具有良好的动态性能，如采用某新型稀土材料的永磁同步电机正反转时间约为 13ms，空载加速度可达 10000 32。2/rads在永磁同步伺服电机系统中，电机的驱动器采用交-直- 交电压型逆变器，通过脉宽调制技术输出频率、电压可变的三相正弦波电压。三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相

41、正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度 ，其中 为电源频率， 为永磁同步电机极对数。这个2/pfnfpn旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角 ，负载愈大， 也愈大，直到超过极限角度 ，电机失步为止。由此可见：同步电机在运行中，要么转速与频率严格成比例旋转，否则就失步*停转。所以，它的转速与旋转磁场同步。在负载扰动下，只是功率角 变化，而不引起转速变化。这是其它类型的电机做不到的。2.2 永磁同步电机的数学模型为了便于分析，对电机模型作如下假设：（1） 三相绕组对称，定子绕组

42、的电流在电机的空气隙中产生的磁势为正弦形式；（2） 饱和效应忽略不计，磁滞和涡流损耗不计；（3） 感应反电动势成正弦状，即定子绕组合转子绕组之间的互感系数是转子位置角的正弦函数；（4） 不考虑阻尼作用。则永磁同步电机的电压方程如式(2.1) 3 所示：第二章 永磁同步伺服电机调速系统的原理9 (2.1)11UUVVWWduRitduit式中， 为定子三相绕组电压， 为定子绕组电阻， 为定子三相绕组电流，,UVWu1R,UVi为定子三相绕组磁链。的瞬时值均和转子和定子 相绕组之间的夹角 有关，为超越函数，要得到准确的动态,UVWU响应的解析解时比较困难的。因此，在分析同步电机的数学模型时，常常采

43、用坐标变换的方式，常用的坐标系有两相同步旋转坐标系 坐标系和两相静止坐标系 坐标系。dqDQ2.2.1 电机模型中使用的坐标系永磁同步电机的定子绕组是三相对称绕组，在空间上互差 ，而绕组中的交流电流 在相120 ,UVWi位上也互差 。在电流变化的一个周期内，磁场也旋转一周。在磁场旋转的过程中，磁感应强度不变，120故称之为圆磁场 33。若绕组改用两相对称绕组，绕组空间上互差 ，两相绕组中交流电流在相位上也互差 ，那么在90 90电流变化的一个周期内，其磁场变化情况和三相绕组时一致。若仍采用两相对称绕组，但此绕组不再固定，而是以某一速度恒定旋转。当绕组中通以直流电，则同样可以得到一个磁感应强度

44、恒定的旋转磁场。如果可以用以上三种方法得到相同的旋转磁场，可以认为此时的三相磁场系统、两项磁场系统和旋转直流磁场系统是等效的。因此，这三种磁场系统中可以相互进行等效变换。通常，将三相交流系统向两相交流系统的变换称为 Clark 变换或者 3/2 变换，相应的逆变换称为 Clark 逆变换或 2/3 变换；将两相交流系统向旋转的直流系统的变换称为 Park 变换，或交/直变换，相应的逆变换称为 Park 逆变换或直/交变换。根据坐标变换前后磁场等效的原则可以推导出三相静止坐标系 坐标系到两相静止坐标系 坐UVW标系的 Clark 变换 (3/2 变换)矩阵为：东南大学硕士学位论文10(2.2)2

45、/31230C相应的两相静止坐标系 坐标系到三相静止坐标系 坐标系 Clark(2/3 变换)逆变换矩阵为：UVW(2.3)3/21032C两相静止坐标系 坐标系到两相旋转坐标系 坐标系的 Park 变换( 交/ 直变换) 矩阵为：dq(2.4)/cosiniC交 直其中 为旋转坐标系 轴超前静止坐标系 轴的角度。相应的两相旋转坐标系 坐标系到两相静止坐标ddq系 坐标系的 Park 逆变换(直/ 交变换) 矩阵为：(2.5)/cosiniC直 交2.2.2 dq坐标系中电机模型由式(2.2) 、(2.4)可以得到三相静止坐标系 坐标系到两项旋转坐标系 坐标系的变换矩阵：UVWdq(2.6)2

46、2cos()cos()2333iniinC 其中 为 相绕组和 轴之间的电角度。从而得到在 坐标系下电机的电压方程为：Uddq第二章 永磁同步伺服电机调速系统的原理11 (2.7)ddsqqsduRit其中 为 坐标系中的电枢电压分量； 为电枢绕组电阻； 为 坐标系中的电枢电流分量；,dqus ,qi， 为 坐标系中定子磁链分量， 为转子磁链， 为 坐标系,fqLiLi,dqf,dqL中等效电枢电感； 为 坐标系的旋转角频率，它和电机转子的旋转角频率 间满足 ，其 mpmn中 为电机极对数。pn三相永磁同步电机的电磁转矩方程为 1：(2.8)3()2epfqdqTniLi三相永磁同步电机的机械

47、方程为 1：(2.9)/eLmBJt其中 为负载转矩， 为阻尼系数， 为电机和负载总的等效转动惯量。LTBJ若电机为隐极电机，即 ,根据式(2.7) 、(2.8) 和(2.9)，选取定子电流 及电机机械角速度dqL ,dqi为状态变量，可以得到永磁同步电机的状态方程如(2.10 )所示：m(2.10)/0/0 /spmd ddqpspfqqmpf mLRni iuLJBTJ 其中 为微分算子。从式(2.10 )中可以发现，三相永磁同步电机是一个多变量非线性系统，而且p之间存在着耦合关系，要想实现对三相永磁同步电机的高性能控制，是一个颇具挑战性的课题。,dqmi2.3 永磁同步电机伺服系统的组成

48、2.3.1 系统的总体架构伺服系统的主要任务是实现执行机构对输入指令的准确快速跟踪，因此伺服系统应为一个闭环系统。永磁同步电机交流调速系统主要包括：电机信息采集部分、控制算法实现部分(包括速度调节器、电流调节器、PWM 信号生成部分等) 、功率电路部分及执行单元 永磁同步电机等四部分。电机信息采集部东南大学硕士学位论文12分主要用于获得电机的速度、位置及电流，作为闭环系统的反馈信号及转子位置的确定；控制算法部分是整个交流调速系统的核心，主要完成了坐标变换、对速度的闭环控制(在矢量控制体系中还包括对电流的闭环控制，在直接转矩控制体系中还包括对转矩和磁链的闭环控制)及 PWM 信号的生成等功能；功

49、率电路部分主要功能为根据 PWM 信号将电源输入转换成相应的三相交流电以驱动电机。2.3.2 系统的硬件组成本试验平台交流伺服系统采用全数字控制实现方式，系统的主要组成部分有：由 DSP 芯片TMS320F240 为核心组成的控制电路部分、由智能功率器件 (Intelligent Power Module，简称 IPM)为核心的驱动电路部分及执行部件永磁同步电机，光电编码器和霍尔器件等传感器，还包括键盘及显示模块和通信模块。各个器件的主要用途为：霍尔传感器用于采集两路电流信号 ，光电编码器用于采集VUi,电机的转速信号及转子位置；TMS320F240 DSP 为整个伺服系统的核心，用于完成坐标变换、速度调节器和电流调节器的运算、PWM 信号的生成等核心运算；键盘和显示模块用于设定参数及显示当前系统状态；通信模块