完整版永磁同步电动机自适应模糊控制方法的研究毕业设计.docx

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完整版永磁同步电动机自适应模糊控制方法的研究毕业设计

永磁同步电动机自适应模糊控制方法的研究

摘要

永磁同步电动机由于其结构中掺入了高能量的稀土合金如铆-铁-硼。

与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高、转矩/惯量比高、转动惯量低、易于散热、易于维护保养等优点因而其应用范围极为广泛，在现代交流电机中也占有举足轻重的地位。

文中首先概要性介绍了交流调速系统的发展，d-q坐标系下永磁同步电动机的数学模型，然后建立了永磁同步电机的矢量控制系统。

当采用传统的PI控制器时，控制器参数与对象匹配的情况下可以取得良好的控制效果。

但是当对象参数发生变化时，PI参数需要重新整定。

模糊控制具有不依赖于对象的数学模型、鲁棒性强的优点，能够很好地克服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素，从而实现系统的高品质控制。

本文将模糊控制与传统PI控制器相结合应用于永磁同步电动机调速控制系统中，设计了基于模糊自适应PI控制器，用MATLAB\SIMULINK进行了仿真，仿真结果表明，这种复合的模糊自适应PI控制器较单一的传统PI控制器能够获得较好的控制效果。

自适应模糊控制器通过在线调整自适应参数确保永磁同步电机的输出渐近收敛于给定的参考信号。

通过理论研究和仿真研究证实，当永磁同步电动机的参数或负载发生突变时，系统响应仍可以很好的跟踪参考信号，具有良好的动态性能。

关键词：

永磁同步电动机（PMSM），矢量控制，PI控制，模糊控制，自适应

Title

Abstract

Permanentmagnetsynchronousmotorbecauseofitsstructurewithahigh-energyrareearthalloyasrivet-ofiron–boron,withthetraditionalexcitationsynchronousmotor,PMSMhaveasimplestructure,sizeandweightandhighefficiency,thepowerfactor,highpowerfactorthelowproportionoftorqueandinertia,lowmomentofinertia,easytoturntotheamountofheatandmaintenance,theadvantagesanditsbroadscopeofapplication,especiallyinademandingcontroltheaccuracyandreliabilityoftheoccasion,suchasairandspace,numericalcontrolmachine,processingcenter,suchrobotshavebeenwidelyusedinmoderncommunicationofelectricmotorsareveryimportantposition.

FirstlythedevelopmentofACspeedregulationsystem,thecontrolstrategiesusedinthePMSMcontrolsystemandthemathematicsmodelofPMSMaregeneralizedinthisthesis.Then,PMSMvectorcontrolsystemissetup.GoodperformancecanbeachievedwhenthePIcontroller'sparametersmatchwiththecontrolsystem.However,theparametersofPIhavetobemodifiedwhenthesystem'sparameterschange.Fuzzycontrolhastheadvantageofnotrelyingontheobjectmathematicalmodelandstronglyrobustnesssoitcanovercometheuncertaintyofelementinthesystemsuchasparameterchangeandnon-linearchangeandcanrealizethehighqualitycontrolperformanceofthesystem.FuzzycontrolcombinedwithPIcontrolisappliedinthePMSMcontrolsystem.ThesimulationresultsunderMATLAB/SIMULINKenvironmentprovethatbetterperformancecanbeobtainedbyusingthecompoundcontrollerthanPIcontroller.

AdaptivefuzzycontrollerwhichusesuniversalapproximationpropertyoffuzzysystemsthroughonlineadaptiveparameterscanguaranteetheconvergenceofthePMSMoutputtothegivensignal.TheoreticalstudyandthesimulationresearchindicatethatthesystemresponsestillhaveagooddynamicperformanceandtrackreferencesignalwhenPMSMparameterortheloadsuddenlychange.

KEYWORDS：

PMSM,Vector-control,PIcontrol,Fuzzycontrol,adaptive

1绪论

1.1课题意义与目的

1.1.1课题意义

永磁同步电动机英文名称：

permanentmagnetsynchronousmotor定义：

采用永磁磁极转子的同步电动机。

对节能要求高的场合：

在工农业生产中，有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。

这类机械大量采用三相感应电动机驱动，但感应电动机的效率和功率因数较低，采用异步起动永磁同步电动机可获得高效率和高功率因数。

在某些场合，负载率低，若采用三相感应电动机，轻载时功率因数和效率低，经济运行范围窄，造成大量的电能浪费。

若采用异步起动永磁同步电动机，可以实现高效、高功率因数和宽广的经济运行范围，节约大量电能。

模糊控制就是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。

在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。

然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。

因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。

随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，非线性解祸控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。

但是由于现代高性能数控机床和机器人的飞速发展要求其驱动系统具有更高的精度和更好的控制性能，所以这就需要为PMSM提出更高品质的控制方法和设计更高精度的控制策略。

永磁同步电动机的矢量控制可以获得很高的性能，该系统中控制器的设计对系统的性能起主要作用。

电机本身的参数（如转子电阻）和拖动负载的参数（如转动惯量）在某些应用场合会随工况而变化;同时，永磁同步电机本身实质上是一个非线性的被控对象。

对一些精度要求较高的场合，传统的线性的常参数的PID调节器很难获取非常满意的控制效果。

而智能控制器则可以自适应地改变参数，以弥补线性PID调节器的不足，从而提高系统对各种扰动，非线性因素的适应能力。

1.1.2课题目的

本文以永磁同步电机作为被控对象，提出了一种自适应模糊控制方法。

永磁同步电动机的矢量控制可以获得很高的性能，该系统中控制器的设计对系统的性能起主要作用。

电机本身的参数（如交流机的转子电卿和拖动负载的参数（如转动惯影在某些应用场合会随工况而变化;同时，交流电机本身实质上是一个非线性的被控对象。

控制对象的参数变化与非线性特性，使得线性的常参数的PID调节器常常顾此失彼，不能使系统在各种工矿下都保持设计时的性能指标，也就是说系统的鲁棒性不能尽如人意。

模糊自整定PID控制可以提高控制系统的精度和增强系统鲁棒性，但查表模糊控制方法由于规则表需要占用大量的内存空间，查表反映速度慢，只能够按照己经编入的规则进行控制，因此不够理想。

用神经网络记忆模糊规则的神经模糊控制是利用离线训练好的网络，通过在线计算即可得到最佳输出。

这种控制模式的反应速度极快，而且又具有神经网络的自学习功能和联想能力。

由于它本质上仍是模糊控制，所以也具有模糊控制的精度高和鲁棒性强等优点。

1.2国内外永磁同步电动机交流伺服系统研究现状

1.2.1永磁同步电机交流伺服系统的控制策略

目前永磁同步电动机应用最成功的场合是油田抽油机。

抽油机是油田的主要生产机械，所消耗的电能约占油田电能消耗的60％左右。

抽油机对电动机的要求是大起动转矩、高效率和宽广的经济运行范围。

若采用感应电动机，为满足抽油机大起动转矩的要求，需配置大功率的感应电动机，而正常运行时平均负载率较低，效率和功率因数低，造成电能的大量浪费。

与感应电动机相比，将永磁同步电动机应用于抽油机，具有以下优点：

①经合理设计，可获得大起动转矩，因而可用小机座号的永磁同步电动机代替比其大1/2个机座号的感应电动机，在减小电动机体积的同时，提高了负载率；②可获得高效率和高功率因数；③经济运行范围宽。

永磁同步电机由稀土永磁材料来产生磁场，是永磁电机家族中的重要一员。

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，稀土钻永磁和铆铁硼永磁（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。

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动机的研究开发之中，使其成为当代电机技术发展的一个重要方向。

九十年代以后，自适应控制理论、鲁棒控制、智能控制理论、滑模变结构控制等先进的控制技术在PMSM的控制中都有了成功的应用，尽管还存在一定的局限性。

我国在PMSM结构和设计方面的研究工作具有世界先进水平，但是高性能数控机床和机器人所采用的PMSM仍然主要依靠进口，究其原因主要是我国在电机驱动技术和控制策略的研究上存在差距。

所以，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，研究具有先进控制策略的高性能PMSM，可以促进我国航空、航天、国防、机器人及工业自动化等领域的发展，跟踪和赶上世界先进水平。

对永磁同步电机的控制策略大致可分三类。

（a）传统的控制策略，如PID反馈控制、解祸控制等。

其中PID控制算法蕴含了动态控制过程中的过去、现在和将来的信息，而且其配合几乎为最优，