基于滑模变结构的永磁同步电动机文档格式.docx

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3.1渭模变结构控制基本原理……………………………………….…………………….l6

3.1.1滑动模态的定义及数学表达………………………………..…………………….l6

3.1.2滑模变结构控制的基本问题………………………………………………………17

3.1.3滑模变结构控制的设计方法………………………………..…………………….l8

3.1.4滑模变结构控制系统的抖振问题分析……………………….………………….19

3.2滑模变结构速度控制器………………………………………….……………….……l9

3.2.1永磁同步常规滑模速度控制器的设计……………………………………………19

3.2.2滑模控制与Pl结合控制器的设计……………………………………………….21

3.3本章小结……………………………………………………………………………….23

第4章PMSM滑模变结构矢量控制系统的仿真研究………………………………….…24

4.1控制系统的仿真…………………………………………………..………………………24

4.2坐标变换单元的仿真模块……………………………………………………………..……25

4.3SVPWM的仿真模块………………………………………………………………………26

4.3.1合成矢量所处扇区N的判断…………………………………………………..……26

4.3.2基本矢量作用时间计算仿真模型………………………………………...…………26

4.3.3三相SVPWM波形的合成…………………………..………………………………27

4.4速度环滑模变结构组合控制器的仿真……………………………………………………28

4.5PMSM控制系统的仿真结果和波形分析………………………...………………………28

4.6本章小结……………………………………………………………………………………32

第5章PMSM矢量控制系统的软硬件设计…………………………………………………33

5.1系统的硬件设计…………………………………………………………………………33

5.1.1TMS320F2812简介…………………………………………………………………….34

5.1.2电机位置检测电路……………………………………………………………………34

5.1.3电流采样电路…………………………………………………………………………35

5.1.4丰电路‘j驱动电路设计……………………………………………………………36

5.2系统的软件设计…………………………………………………………………….……38

5.2.1主程序…………………………………………………………………………………38

5.2.2软件定时器Tl下溢中断子程序………………………………………………………39

5.2.3PMSM的转速计算与初始位置定位………………………………………….………40

5.3本章小结…………………………………………………………………………………43

第6章系统实验结果分析……………………………………..………………………………44

6.1PMSM实验系统的结构……………………………………………………….………44

6.2PMSM控制系统的实验性能分析…………………………………………………….45

6.3本章小结…………………………………………………………………………………47

结论……………………………………………………………..………………………………48

参考文献…………………………………………………………………………………..……49

第1章绪论

1.1课题的背景和意义

随着现代工业自动化的发展，对伺服控制系统提出了更多性能方面的要求，而以永磁同步电动机（PMSM）为执行机构的伺服系统由于具有稳定性好、精度高和功率密度大等特点，使其逐渐成为现行伺服系统的主流。

目前，PMSM已经广泛应用于国家经济建设中的各个领域，如兵器国防、航空航天、数控机床和机器人等领域。

因此，研究和开发永磁同步电动机伺服控制系统具有非常广阔的应用前景【1】。

对伺服装置提出的要求主要是定位精确、跟随误差小、响应快、无超调和调速范围宽等。

如果采用异步电动机构成伺服系统是难以满足这些要求的，而由永磁同步电动机构成的伺服传动系统则比较容易实现。

永磁同步电动机采用永磁体提供转子磁场，具有结构简单、体积小、重量轻、高动态响应和高可靠性等优点，因此使得永磁同步电动机伺服系统成为高精度、微进给系统的最佳执行机构【2】。

交流调速系统性能的好坏不仅与电机本体有关，还很大程度上取决于电机控制策略的选择。

较为简单的一种交流电机控制策略是标量控制（又称变压变频控制），其弱点在于低频转矩不够、速度稳定性不好、调速范围窄。

而目前应用较成熟的一种电机拉制策略是矢量控制，其是经过多次的坐标变换，将交流电动机电流矢量解耦成类似于直流电动机的励磁、转矩分量，实现对交流电动机磁场分量和转矩分量的完全解耦控制，从而获得类似于直流电动机的控制效果，因此使得采用矢量控制的永磁同步电动机调速系统具有优异的控制性能，使永磁同步电动机不论运行在低速区还是在高速区，其动静态性能均达到直流调速系统的水平。

继矢量控制技术后出现了的另一种高性能交流调速控制技术一直接转矩控制，它结合空间矢量分析的方法，采用定子磁场定向，并借助于滞环控制器的离散两点式调节控制，直接对逆变器的开关状态进行最佳选择控制，从而使PMSM获得转矩的高动态响应性能。

但使用直接转矩控制策略控制的永磁同步电动机，其不仅启动比较困难，而且在启动及负载变动过程中电流冲击较大，并伴随较大磁链及转矩的脉动。

因此，直接转矩控制技术只适用于调速范围较窄，对转矩脉动要求不高的场合【3】。

综上所述，选用矢量控制技术的永磁同步电动机伺服控制系统，不仅能够克服同步电动机标量控制与直接转矩控制的缺点，而且使永磁同步电动机的调速范围、抗扰特性、启制动特性、稳速特性均达到直流调速系统的水平。

另外，矢量控制技术对系统处理的实时性、快速性要求很高，而近年来出现的各种高速微处理芯片以及高集成度模块，如具有丰富的外设资源和高速数据处理能力的数字信号处理芯片和保护功能完备、容量较大、开关频率较高的IPM模块，则为矢量控制系统提供了完备的硬件保证，从而使得复杂的电机控制算法能够实时、高效地实现。

由于PMSM自身的特点，使其引起了人们广泛关注。

而矢量控制技术则一直以结构简单、稳定性好、动态响应快而著称，近年来得到了飞速的发展。

近几年来国内不少高校对PMSM及PMSM矢量控制系统进行了深入研究，但是国内外产品在实用化方面却存在着较大的差距。

因此，结合国内在PMSM矢量控制系统领域理论研究较多、系统实现较少的现状，将其侧重点放在系统的基本实现上，研究设计出一套能够实现矢量控制的完备的软硬件平台，使基于矢量控制技术的PMSM伺服系统的国产化、商品化，对国民经济建设具有重要而深远的现实意义。

本文最终提出了基于DSP的全数字式永磁同步电动机矢量控制方案，并建立一套仿真和实验平台，从而为永磁同步电动机拄制系统的开发和应用奠定了基础。

1.2永磁同步电动机调速系统的特点

交流永磁同步电动机控制系统由控制器和电机组成，它与其它电机控制系统的区别主要体现在电机上。

因此，为便于了解永磁同步电动机控制系统的特点，有必要先了解一下电机的基本结构。

永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）是从绕线式转子同步伺服电动机发展而来的。

其表面分为表面式永磁同步电机和内嵌式永磁同步电机，其定子和普通的绕线式伺服电动机一样，而转子则采用强抗退磁的永磁磁钢代替电励磁，见图1-1，具有体积小、重量轻、效率高、转子无发热的优点，结构简单，坚固耐用、控制也比较简单，并且转矩控制特性好。

1.3PMSM及其控制技术发展的概况

1.3.1PMSM的发展概况

出现于19世纪20年代的世界首台电机，其励磁磁场就是由永磁体产生的。

但由于当时用的永磁材料为天然的磁铁矿石，不仅磁能密度低，而且用它制成的永磁体电机体积庞大，使其不久便被电励磁电机所取代。

直至上世纪80年代初，由于永磁材料的日渐发展，PMSM才因功率密度高、体积小和效率高等显著特点引起电机本体设计及电机驱动研究人员的高度重视。

特别是1983年问世钕铁硼（NdFeB）永磁材料，由于具有低廉的成本、优异的磁能特性和充足的原材料等原因，便引起了世界各国的广泛关注，并进行了无数的研究和应用研究工作。

可以预测不久的将来，NdFeB永磁材料将成为PMSM首选的永磁材料。

另外，由于我国稀土材料资源丰富，其蕴藏量占全世界总量85%以上，因而在开发应用高性能稀土永磁材料方面拥有得天独厚的条件。

从上世纪90年代以来，随着永磁材料的性能不断提高，特别是NdFeB永磁材料的性能逐步改善，价格的逐步降低，还有电力电子器件的日渐发展，使得对稀土永磁电机的研究进行了全新的阶段。

在稀土永磁电机的理论设计、结构工艺、计算方法和驱动控制策略等方面的研究出现了很大的突破，形成了以等效磁路解析和电磁场数值计算相结合的分析方法和计算机分析软件。

目前永磁电机不仅覆盖了微、小以及中型的功率范围，而且扩展至大功率领域。

此外，永磁材料的优异的磁能特性、轻量化、体积小等特点，给永磁同步电动机带来如下特点：

电机结构简单、坚固耐用、体积小、重量轻、电磁转矩波动小、静态特性良好、动态响应快，过载能力强、低损耗、高效率、节约能源等等。

因此，PMSM应用范围异常广泛，遍及兵器国防、航空航天、工农业生产建设和人们的日常生活。

而且PMSM将会延续目前良好的发展势头，必将在各个领域获得广泛的应用【5.6】。

1.3.2PMSM控制技术发展的概况

从二十世纪八十年代后期开始，随着世界上现代工业的高速发展，使得其对工业设备的重要驱动源一调速系统提出了更高的要求，研究和制造出高性能永磁同步电动机调速系统已成为国内外研究人员的共识。

近年来，他们从提高PMSM调速系统性能出发，进行了长时间的深入研究，取得大量重要的研究成果。

永磁同步电动机伺服驱动技术是一门涵盖了多种学科的综合性技术，自世界上第一台伺服控制系统出现以来，伺服驱动技术就在一直不断发展，尤其是各种现代控制理论的产生和广泛应用，一方面为高性能伺服驱动系统的研制提供了理论依据，另一方面也使高性能伺服系统实现全数字化、智能化和微型化成为可能。

纵观PMSM控制系统的研究现状，其控制策略分为矢量控制技术和直接转矩控制技术。

其中矢量控制从模拟直流电机控制的思想出发，从而将交流电动机电流矢量解耦【7】。

另由于PMSM自身性能比感应电动机更为优越，

而且PMSM转子磁极的位置易于检测，因而使得矢量控制技术在PMSM的控制得到了更为广泛的应用。

而直接转矩的控制是在准确观测定子磁链空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负栽转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，进而达到直接控制电机输出转矩的目的。

这两种方案各具特点，如何根据它们的特点找到其最佳应用场合，最大限度地发挥出这两种控制技术在PMSM控制领域应用中的潜力有着深远的现实意义。

近几十年来，为永磁同步电机调速性能、加快其实际应用进程，国内外电机控制技术研究人员在控制策略上作了许多大胆的研究，并取得了可观的研究成果。

其中的一个重要分支一智能控制，其在电气传动控制系统中的运用已成为目前电气传动控制的主要发展方向。

从上世纪80年代后期开始，B.K.Bose等人一直致力于将人工智能技术应用于电气传动领域，取得不少实用性的研究成果。

由于PMSM本身具有强耦合性、非线性的特点，加之系统实际运行时还会受到运行环境的干扰，因此常规的控制策略已经很难满足高性能PMSM控制系统的性能要求。

因此何结合新型控制理论来改进永磁同步电动机系统的调速性能，理应是当前发展高性能PMSM调速系统的一个重要“突破口”【8-10】。

1.4本论文的主要研究内容

本文主要对永磁同步电动机矢量控制系统进行了理论分析、系统的软、硬件设计、仿真研究以及实验论证。

论文的主要内容如下：

1．介绍永磁同步电动机及其控制技术的特点、现状、趋势以及本文研究的意义和主要研究内容。

2．分析坐标变换原理，分别建立在静止坐标系、同步旋转坐标系下PMSM的数学模型，深入研究PMSM矢量控制的基本工作原理及其电流控制方法，并确定电流反馈控制的系统结构，分析电流解耦控制环节的主要影响因素。

3．介绍滑模变结构的基本原理，并针对变结构控制系统中的抖振问题设计速度环滑模变结构组合控制器。

4．采用Matlab建立基于滑模变结构的PMSM矢量控制系统的仿真模型，并在此基础上对控制系统进行大量的仿真研究，从而为控制系统的实现提供理论依据。

5．介绍以TMS320F2812DSP为控制核心的全数字化PMSM伺服系统的硬件和软件设计，对系统软硬件各部分的结构和功能分别进行详细的阐述，其中在软件设计中详细分析三种测速算法的优劣和初始位置角的具体检测方法。

6．对以TMS320F2812DSP为控制核心的PMSM矢量控制系统进行实验测试并进行大量的分析，其结果表明该控制系统设计合理且具有良好的性能。

第2章PMSM的数学模型及矢量控制策略

研究实际物理对象的一种重要手段为数学模型，通过某种途径，建立能够充分反映研究物理对象本质规律的数学模型，可对实际的物理对象进行有效分析和控制，探讨系统参量的变化规律，研究对象控制系统的响应特性。

因此，为便于对永磁同步电机进行分析与控制，本章首先建立永磁同步电动机的数学模型，并在此基础上介绍矢量控制的基本原理及其电流解耦控制方法，确定其电流解耦控制系统结构，并分析电流解耦环节中的主要影响因素。

另外，空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）能明显减少逆变器输出电流的谐波成分，降低转矩脉动，提高直流电压利用率。

是永磁同步电动机控制系统的核心环节。

本章最后将详细介绍SVPWM的原理和具体实现方法，从而为控制系统的实现奠定理论基础。

2.1PMSM的数学模型

由PMSM的电磁关系可知其数学表达方程为时变微分方程，该微分方程的系数是随着电机的转子和定子的相对位置变化的时间函数。

因此，构建PMSM数学模型的属于一种非线性的系统，分析和求解这些变常数的微分方程较为困难，需要借助于数值计算方法方可求解。

而20世纪20年代建立的Park方程将同步电机定子坐标系中所有变量等效地由转子坐标系变量来替代，消除了同步电机数学模型中的时变系数，简化了同步电机数学模型，成为研究同步电机的重要方法。

接着二十世纪七十年代发展起来的矢量控制技术，为高性能交流电机的控制提供了坚实的理论基础。

这一节将探讨矢量控制坐标变换及永磁同步电机的电磁特性，并阐述分别在静止坐标和旋转坐标下的PMSM的数学模型【11】。

2.1.1静止坐标系下永磁同步电机的数学模型

PMSM定子上装有三相对称绕组ABC，其转子为永久磁钢构成，定转子之间通过气隙磁场进行耦合。

为了方便对永磁同步电机进行分析，建立现实可行的永磁同步电机数学模型，通常做出如下假设：

1．假设PMSM的磁路是线性的，并且不考虑电机磁滞、涡流影响和磁路饱和的影响；

2．假设三相绕组ABC是完全对称的，且不计其边缘效应影响；

3．假设忽略齿槽效应的影响，电机定子电流在气隙中只产生正弦分布磁动势，并且忽略电机运行时高次谐波；

4．假设不计铁心损耗。

在三相坐标系ABC中，将PMSM定子绕组中的A相轴线作为静止空间坐标系中的参考轴线as，在确定好电流、磁链的正方向后（见图2-1），可以得到永磁同步电机在ABC坐标系下的定子电压方程为

图2-1中，as、bs、cs为电机三相定子绕组轴线，θ为转子d轴轴线与A相绕组轴线之间的夹角，Ψf为转子产生的穿过定子的磁链，is为电机定子三相电流的综合矢量。

在ABC三相坐标系下的磁链方程为

写成向量形式，上式可表示为

，在以上两式中

式中iA，iB，iC，为三相绕组ABC相电流；

uA，uB，uC，为三相绕组ABC相电压；

Ψf为PMSM转子永磁体磁极的励磁磁链；

LA，LB，LC，为PMSM定子绕组自感系数；

MXY=MYX，为PMSM定子绕组的互感系数；

Rs，为PMSM定子相绕组的电阻；

θ为转子d轴超前定子定子参考轴线as的电角度。

除以上电压方程和磁链方程外，ABC坐标系下的数学模型还包括电机运动方程和转矩方程。

电机运动方程是描述电机电磁转矩与电机运动状态之间的关系，其方程的表述会比较简单。

但转矩方程涉及永磁同步电机电流向量和磁链矩阵，其值会随永磁同步电机定转子的位置而变化，表述则相对复杂【12.13】。

因此，由上述知在静止三相坐标系中，PMSM的数学模型较为复杂，其主要原因系统

的非线性。

因此如果直接依据三相静止坐标系下PMSM的数学模型进行设计，其控制系统将变得极为复杂，而复杂的算法就会极大地增加控制系统的响应周期，因此，考虑通过一系列的坐标变换，将摸型中的时变参数转换成常数参数，以方便对PMSM进行有效的控制。

2.1.2坐标变换

坐标变换通常分成“等量”和“等功率”变换两种。

“等量”坐标变换是指变换前后通用矢量相等，也称2/3变换。

“等功率”变换在坐标变换前后功率相等，或称√2/3变换。

实际情况时，可根据具体要求任意选用两种变换。

这里遵循“等功率”原则进行坐标变换。

变换过程的参考坐标系如图2-2示。

图中定义αβ轴系的α轴与静止空间坐标系中的参考轴线即定子A相绕组重合，轴β超前轴α90°

的电角度。

由于轴α与在A相绕组轴线重合，故称αβ轴系为电机三相静止坐标系。

同时定义系统的d轴与电机转子磁极的轴线重合，且系统q轴超前d轴90°

电角度，A相定子绕组与d轴之间的夹角为θ，dq轴坐标系在空间上随电机转子以电角度ωe一同旋转，称为旋转坐标系【14.15】。

定子三相静止坐标系ABC与两相静止坐标系αβ之间的变换为Clarke变换即3/2变换，其变换公式为

两相静止坐标系αβ到定子三相静止坐标系ABC的Clarke逆变换公式为

对于绕组是Y形连接的电机，存在iA+iB+iC=0，则iC=-iA-iB，将此式代入（2-4）得

它的逆变公式为

两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq之间的Park变换，即2/2变换的变换公式为

它的逆变换公式为

2.1.3旋转坐标系下PMSM的数学模型

由于系统在静止三相坐标系下的数学模型较为复杂，故通过坐标变换公式转将其换至旋转坐标系下，而旋转坐标系（dq轴）下的数学模型较为简单，因为此时PMSM的磁链和坐标轴都随电机转子以同步速度旋转，且模型中数学方程参数为定常参数，因此其不仅用于分析PMSM的稳态运行，也常用于分析PMSM的瞬态性能【16】。

参见图2-3所示，其d轴的方向是永磁同步电机转子转子磁极的轴线方向，系统的d轴滞后q轴90度电角度，在旋转坐标系中PMSM的等效模型如下图2-4示。

图2-4中β为PMSM直轴与定子三相电流合成空间矢量的夹角。

另外θ为PMSM励磁链与其A相绕组轴线的夹角。

Ψf为PMSM转子励磁磁链。

永磁同步电机在dq轴同步旋转坐标系下的磁链、电压方程为

电磁转矩矢量方程

用dq轴系分量来表示式（2-11）中磁链和电流综合矢量，有

将式（2.-12）代入（2-11）中电机电磁转矩方程变换为

将磁链方程式（2-9）代入式（2-13），可得永磁同步电动机的电磁转矩为

由图2-5可知，id=iscosβ，iq=issinβ将其代入式（2.-14）中得

式（2-9）~（2-15）中，RS为定子电阻，

、

为磁链、定子电流的综合矢量，Ld、Lq为dq轴电感，Pn为定子绕组极对数，id，iq，为同步旋转坐标系中dq轴电流。

转矩平衡方程式

式中，

，分别是电机的负载阻力矩、电机转动惯量、电机机械角速度，

电机阻尼系数。

公式（2-9）（2-10）（2-15）（2-16）便是PMSM在dq轴坐标系下的数学模型。

另外PMSM的矢量图如图2-5所示，图中

为电机的功角【17.18】

从前面的分析可见，在dq坐标系下同步电机的数学模型，比起静止坐标系下的数学模型要简单得多，其简化系统运算和分析方便了。

对于表面式永磁同步电机，有Lq=Ld，其数学模型为

对于内嵌式永磁同步电机，有Lq≠Ld，其数学模型为

有表面式永磁同步电机和内嵌式永磁同步电机数学模型可以看出，这两种电机的数学模型基本相同，差别仅在于其电磁转矩的表达式上【19】

2.2PMSM矢量控制的基本原理

永磁同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，在气隙中产生旋转磁场，转子的永磁体产生恒定的磁场。

转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转予以等同于定子旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。

定子旋转磁场与转子的同步旋转速度ns为

其中，f1为定子电源频率，Pn为永磁同步电动机磁极对数【20】。

PMSM矢量控制的实现是以坐标变换及电机电磁转矩方程为基础的，对于内嵌式的PMSM，其电磁转矩如式（2-23），对于面装式永磁同步咆动机，交直轴电感相等，有

即PMSM和直流电机具有类同的电磁转矩方程。

由于Ψf由电机的永磁体转子产生，其值恒定。

因此对PMSM而言，可以考虑用类似控制直流电机的方法控制PMSM转矩，从而获得和直流电动机类似的控制效果。

在PMSM中，电机ABC三相绕组分别通入交流电，不仅这三相绕组间互相耦合，而且三相绕组又与转子永磁体励磁磁场耦合。

因此，PMSM的控制较直流电机的复杂得多。

但如式2-26示若选择电机转子励磁磁场和