（控制理论与控制工程专业论文）电梯用永磁同步电机模糊控制策略研究.pdf

摘要 本文对电梯系统的现状进行了分析，并对永磁同步电动机的发展概况进行了简要介绍。 结合永磁同步电动机的数学模型，详细的研究了永磁同步电动机的控制原理和策略。为了实 现对永磁同步电动机的高性能的控制，采用智能控制策略，主要是模糊p i 控制和模糊神经 网络控制，用m a t l a bg u ij r ：具箱设计了模糊p i 控制器，对基于模糊p i 控制的永磁同步 电动机矢量控制系统进行了仿真分析，仿真结果表明，系统具有较好的动态性能和鲁棒性。 提出了一种基于白适应模糊神经网络原理的永磁同步电机速度控制器实施方案。该控制器具 有神经网络自学习能力和模糊控制器处理不确定信息的能力。网络初始参数通过离线训练方 式获得，运行过程中可实时调整，仿真结果表明，当电机参数改变或者受剑外部扰动时，此 种控制方法具有良好的鲁棒性和动态特性。最后提出了一种基丁脉振高频电压信号注入与卡 尔曼滤波的无传感器控制方法。在同步旋转坐标系的d 轴注入脉振高频电压信号，利川空间 凸极跟踪技术，从高频载波电流中提取转子位置估计误著信号，经过卡尔曼滤波器处理得到 转速和位置估计信息。仿真结果验证了这种方法的可行性。 关键词：永磁同步电动机模糊控制 自适应模糊神经网络无速度传感器控制 a b s t r a c t t h i sp a p e rf i r s th a sc a r r i e do na n a l y s i st ot h ep r e s e n ts i t u a t i o no fe l e v a t o rs y s t e ma n dm a k e s ab r i e fi n t r o d u c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i cm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , v e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi ss m d i e d i nt h i sp a p e r t h e nt h ef u z z yp ic o n t r o l l e ri sd e s i g n e d 、析t l lb yt h em a t l a bg u it o o l b o x t h r o u g h t h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nt h ef u z z yp ic o n t r o l ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mh a sab e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d r o b u s t n e s s a n dt h i sp a p e rp r e s e n t st h ei m p l e m e n t a t i o no fa d a p t i v ef u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e rf o ra c c u r a t es p e e dc o n t r o lo fap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r f u z z yn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l l e rc o m b i n e st h ec a p a b i l i t yo ff u z z yr e a s o n i n gi nh a n d l i n gu n c e r t a i ni n f o r m a t i o n a n dt h ec a p a b i l i t yo fn e u r a ln e t w o r ki nl e a r n i n gf r o mp r o c e s s e s t h ei n i t i a lw e i g h t sa n db i a s e so f t h ef n n ca r eo b t a i n e db yo f f l i n et r a i n i n gm e t h o d u s i n gt h eo u t p u to ft h ef u z z yc o n t r o l l e r , o n l i n e t r a i n i n gi sc a r r i e do u tt ou p d a t et h ew e i g h t sa n db i a s e so ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na r ep r o v i d e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e ru n d e r t h eo c c u r r e n c eo fp a r a m e t e rv a r i a t i o n sa n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e t h i sp a p e rp r e s e n t sa na p p r o a c h t os e n s o r l e s sc o n t r o lo fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n eu s i n gaf l u c t u a t i n gh i g h f r e q u e n c yv o l t a g es i g n a li n j e c t i o n nt h i sp r o p o s e dm e t h o d ，t h ec o n t r o ls c h e m ei si m p r o v e db yt h e u s i n go fk a l m a nf i l t e r i n g t h eh i g hf r e q u e n c yv o l t a g es i g n a li si n j e c t e di nda x i s ，a n dt h er o t o r p o s i t i o ne r r o rs i g n a li se x t r a c t e df r o mt h ec a r t i e rc u r r e n tw i ms a l i e n c y t h e ni ti sp r o c e s s e db y k a l m a nf i l t e r , w h i c hy i e l d sp o s i t i o na n dv e l o c i t ye s t i m a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v e dt h e g o o dp e r f o r m a n c eo ft h ei n t r o d u c e dm e t h o d k e yw o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , f u z z yc o n t r o l ， f u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l ， s e n s o r l e s sc o n t r o l i v 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：银幂 日期：2 o o 年3 月( 7 日 授权书 本人同意将所著硕士学位论文电梯用永磁同步电机模糊控制策 略研究著作权中的数字化制品复制权、信息网络传播权和汇编 权授权j 匕立建篁王猩堂院婴窒生处行使。上述授权的范围包括： j 匕京建笪王程堂院自己使用或委托他人使用。 本人保证为该论文作者，依法享有著作权，并愿承担因著作 权问题引起的责任。 兰匕立建笪王猩堂暄须依照我国著作权法的有关规定，充分尊 重本人享有的著作权权利( 包括获酬权) 。 本授权有效期年。 作者联系方式：扣东违工髻p 允 地址：f b 朱市霞咆馆鼹f 乡 电话： 手机： 邝斗矿孑7 孓? 牛2 c 7 论文作者：镍太帚1 ( 签章) 2 0 o 年3 月( 7 日 邮编：ioo o 砰 传真： 电子信箱：1 7 ( 队厶 膨n ) i 北京建筑工程学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电梯的发展概况 在现代经济和社会生活中，电梯作为城市物质文明的一种标志，在城市中的作用越来越 重要。尤其是在高层建筑中，电梯作为垂直运输设备，是不可或缺的。电梯这种垂直运输的 升降设备，具有在高层建筑中所占的面积很小，通过电气或其他的控制方式米控制其运行， 可以将乘客( 或货物) 安全、合理、有效地运送到不同的楼层的特点。2 0 世纪初，曳引式 电梯首先出现在美国，在随后的几十年里，调整电梯运行速度的技术电梯的自动平层控 制系统以及通过变换电动机级数的调速方法相继研制成功，1 9 3 3 年，在美国纽约的帝国大 厦安装了世界上第一台运行速度为6 m s 的电梯。在第二次世界大战以后，随着建筑业的发 展，促使电梯进入了高速发展的时期，由于电子技术等新技术广泛的应用于电梯领域，陆续 出现了超高速电梯、群控电梯。电力电子技术的发展、品闸管变流装置越来越多地应用于电 梯系统促使电梯的拖动系统简化，性能提高。同时交流调压调速系统的研制与开发使得交流 电梯的调速性能有了很大的改善。进入2 0 世纪8 0 年代以后，调压调频技术( 通过控制电动 机定子供电电压与频率调整电梯运行速度) 研制成功，将这种技术应用丁电梯，便出现了交 流变压变频( v v v f ) 调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。1 9 9 3 年，世界最高速交流变压 变频调速电梯( 1 2 5 m s ) 在日本研制成功，结束了高速电梯领域由直流电梯独l 的历史。 目前，智能化、信息化的建筑不断兴起与完善，对电梯的要求也随之提高，除了要完成垂直 运输的基本功能，还应该以人为本，提高乘客乘梯的舒适度；同时还要从电梯运行的控制智 能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是要采用神经网络、专 家系统、模糊控制理论等智能控制方法，以期实线单梯与群控管理的最佳模式、合理的配置 与使用、远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等【l j 。 1 2 电梯电机及控制技术 由于电梯在运行中具有短时工作，频繁起、制动，正、反向运行和重复1 ：作特点，曳引 电动机作为驱动曳引机一i ：作的动力装置应考虑剑如_ 卜儿个方面的技术性能l i j ： 1 ) 要能适应一定的电源电压的波动，具有足够大的起动力矩，从而能满足轿厢满负荷 起动、加速迅速的特性。 2 ) 要具有能重复短时：i ：作，正、反转运行和频繁起、制动的特性。 3 ) 要具有较硬的机械特性，不会冈电梯运行时负荷的变化而造成电梯运行速度的变化。 4 ) 要具有发电制动的特性，能由电动机本身的电气性质米控制电梯满载下行或空载上 行时的速度要求。 5 ) 要具有起动电流小的特性。 6 ) 要具有良好的调速性能。 7 ) 要具有运行平稳、j l ：作可靠、噪声小及维护简单的特性。 为了满足以上对电梯曳引电动机的要求，电梯的电力拖动方式不断发展，随着科学技术 的发展，最先进的l 乜力拖动技术一一出现，并很快应用丁电梯的拖动系统中。与人们生活最 贴切的建筑设备电梯，不断的向人们展示最新的科技成果，让人们享受科学技术带来的 方便与舒适【l 】。目前电梯主要采川如f 一些电力拖动方式i l j ： 北京建筑- t 程学院硕十学位论文 单相励磁、发电机组供电的直流电动机拖动 三相励磁、发电机组供电的直流电动机拖动 晶闸管供电的直流电动机拖动 斩波控制的直流电动机拖动 双速交流异步电动机定子串电阻调速拖动 交流调压一能耗制动的交流异步电动机拖动 交流调压一涡流制动的交流异步电动机拖动 交流调压一反接制动的交流异步电动机拖动 变压变频( v v v f ) 交流异步电动机拖动 永磁同步电动机变频拖动 直线电动机拖动 上述各种拖动方式中，各自具有不同的特点。 1 2 1 直流调速的特点 直流调速系统长期以米在调速传动中占统治地位，主要是由于和交流调速系统相比，其 控制方法简单，调速性能好，变流装置结构简单。但是随着交流调速理论和技术的发展，在 越来越多的场合，直流调速系统被交流调速系统所替代。这主要是由于直流电机调速系统以 下的缺点造成的1 2 jp j ： 1 ) 直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难且：i ：作量人，经常因火花人而影 响生产。 2 ) 直流调速系统需要用剑机械换向器，而机械换向器的换向能力限制了直流电动机的 容量、电压和速度；接触式的电流传输限制了直流电动机的应用场合。 3 ) 直流电动机的电枢在转子上，电动机的效率低，散热条件差，冷却费用高。为了提 高直流电动机的换向能力，减小电枢漏感，将会使转子变得粗短，从而增加电动机的转动惯 量，影响直流调速系统的动态性能。 1 2 2 异步电动机调速系统的特点 一般电梯用的异步电动机都是笼型转子结构，这种异步电动机的特点是结构简单，牢同 耐用。应h j 下电梯的异步电动机的控制方法最初是调压调速，后米发展到使h j 调乐调频的标 量控制，再演变成磁链定向的欠量控制方法。不但提高了电动机调速系统的控制精度，也提 高了其运行效率。但是异步电动机调速系统存在以下几个缺点1 2 j 【3 l ： 1 ) 异步电动机励磁是由定子一侧实现的，所以，异步电动机的运行功率冈数低，导致 变频装置输入的功率也随之降低。所州变频装置比同容量的同步电动机要人。 2 ) 为了提高异步电动机的功率冈数和效率，需要尽量减小定、转子间的气隙，这需要 较高的制造：i ：艺水平。 3 ) 在高性能异步电动机的矢量控制调速系统中，随着温度的变化，转子参数将发生变 化，从而产生控制误著，影响调速系统的控制精度。 1 2 3 永磁同步电动机调速系统的特点 传统的电梯驱动使h j 的电动机主要是异步电动机，使朋的拖动系统多是有齿轮传动系 统。有齿轮传动系统存在的缺点是：由丁采刚机械减速机构( 蜗轮蜗杆或展形齿轮等) ，造 成了拖动系统的结构复杂、维护i ：作难度增人和噪声较人；由于齿轮传动的效率很低( 如蜗 轮蜗杆的传动效率仅为7 0 左在) ，这就使得整个拖动系统的能耗较人，增加了系统的运行 成本；，7 同时，这种传动方式所使川的齿轮箱和曳引机的体积都比较人，在建筑结构上需要人 的上置式机房，上置式机房不仅增加了建筑成本，而且挤。i 了建筑物的有效面积，建筑物的 2 北京建筑工程学院硕上学位论文 立面整体美感也受到了影响。 永磁同步无齿轮曳引机采用的外形是扁平、盘式的，结构分为三类，分别是：轴向磁场、 径向磁场内转子和径向磁场外转子，电动机的径向尺寸大，多对极，采用的永磁同步电动机 具有低速、高转矩的特点。这种电动机轴向尺寸短，结构紧凑，重量轻，体积小，定子绕组 具有1 f 常好的散热条件，功率密度可以达剑很高的水平。同时，该种电动机还具有一下特点： 电动机的机电时间常数小，转子转动惯量小，低速运行平稳，峰值转矩和堵转转矩高，转矩 质量比人，具有优良的动态性能【l 】。 永磁同步无齿轮曳引电梯的主要特点是i l j ： 1 ) 结构简单紧凑、少维护 有齿轮曳引机的机械减速结构非常复杂，减速机构的加 ：精度通常需要很高，以便保证 整机的机械传动性能。减速机构存在的缺点是使得曳引机有较人的体积和重量。永磁同步 无齿轮传动系统的电动机和曳引轮同轴，这种传递方式是最为简单和可靠的传递方式，这使 得曳引机的结构变得非常简单紧凑，不仅易于小型化、轻鼙化，而且也可使传统的有机房形 式向无机房等新形领域拓展，使无机房型式的电梯拖动系统成为可能。由丁这种拖动方式没 有复杂的机械结构和润滑系统，使驱动系统实现少维护甚至免维护。 2 ) 提高了电梯曳引系统的安全性、可靠性 电梯曳引机使用永磁同步电动机米驱动，大人增加了电梯运行的可靠性和安全性，可以 实现防龄防飞车，特别是各类超高速电梯的安全钳模块在高速动作时有时会冈高温而损毁， 永磁同步无齿轮曳引电梯可以减小这种损毁所引起的安全风险。采川永磁同步无齿轮曳引技 术可以实现电气的超速保护功能，这是冈为无齿轮曳引机的曳引轮与电动机同轴，曳引轮与 制动轮同体。另外，同步电动机可以真正做到无须抱闸的机械制动实现电气的零速停车，主 要是通过向电枢绕组供直流电来实现的带负载零速停车，这样可以防i ：由于抱闸失灵造成溜 车的故障，进一步提高系统的可靠性。 3 ) 减低了对环境的污染 永磁同步电动机与曳引轮同轴，而且旋转的转速很低，这样电动机的噪声和震动都很小， 人为降低整个曳引系统的噪声，从而减少对环境的噪声污染；无齿轮曳引机可以减少油脂对 环境的污染，主要是由丁无齿轮曳引机1 ，省润滑油，同时还省去了补充、更换润滑油的一i ：作 量；永磁同步电动机对电源电网无污染，原冈在丁其正常一1 ：作不产生谐波干扰，反电动势通 常也是正弦波，而且当过励时能补偿电网感性负载所需的无功功率，从而提高电网的功率因 数，所以是理想的负载和环保产品。 4 ) 提高传动效率，：侮能、经济、具有较高的性能价格比 永磁同步无齿轮曳引技术具有优越的调速性能，有优越的低速转矩特性，而且运转特性 精确平稳，能真正实现“直接停靠”和“零速抱闸”；除了具有结构紧凑、体积小、噪声低、 对电源无污染和能提高电网功率冈数等优点外，其最主要的优点是：1 了约能源。一方面，由于 永磁同步曳引机采用了永磁材料，所以电动机不需要励磁电流，这样使得定子电流的无功分 量极低，可达剑近似丁l 的功率因数；另一方面，由于没有齿轮，所以去除了机械减速结构 相应的损耗。 5 ) 与交流无齿轮异步电动机驱动系统的比较 在同级数同容鼙及相同的i ：况卜，与交流无齿轮异步电动机驱动系统的比较，由丁：三相 永磁同步电动机不需要励磁电流，人人提高永磁同步电动机的效率，所以可以使得电动机的 体积减少3 0 。另外，永磁同步电动机还具有低速性、快速性、硬机械特性和停车自仞】等 优点，这些是异步电动机所无法相比的。 6 ) 优于直流无荫轮电动机驱动系统 直流电动机结构复杂，存在体积人、重最人、成本高等问题，还需要有电刷和整流子等 3 北京建筑工程学院硕士学位论文 部件，这些部件维护较困难，这在电梯中使用时由于接触原因使低速段产生爬行而使电梯运 行效率降低；由于成本高、耗电大、维护复杂等这些缺点，所以人们一直在研究，设法用交 流电动机米取代直流电动机。 永磁同步电动机的基本原理是建立在反装式直流电动机基础上的；普通直流电动机采用 电刷集成环装置向转子励磁绕组送励磁电流，而永磁同步电动机采j j 永磁材料做磁极，不 需要励磁电路；普通直流电动机采用由换向器和电刷组成的机械式整流、逆变器，而永磁同 步电动机采j i j 受转子位置控制的电力电子开关装置米代替那些易损装置，取出了这些机械接 触易损部件后，永磁同步电动机使电路实现了无触点；由于永磁同步电动机的转子采用了高 性能积的稀十材料，控制装置都由大功率晶体管组成，电动机的力矩惯性比人，动态性能好， 具有更高的调速精度、低速性能和快速响应性能，且耗电省、寿命长、维护简单、可运j 于 易燃易爆场合等优点。所以三相永磁同步无齿轮驱动技术是同时具有交、直流电动机驱动的 优点的理想驱动技术。 7 ) 易丁实现低转速、大转矩，特别适合无齿轮曳引 低转速、大转矩是电梯驱动系统中所需要的理想驱动模型。交流异步电动机为了达到低 转速就必须制成高极数。极数的增加使电动机的电流增人，损耗增人，温度升高，特性变差； 和异步电动机不同。永磁同步电动机不需要励磁电流，采用金属粘贴技术可使转子制造变得 非常容易，高极数可以轻松的实现，和低频变频器配合使用，低转速可以很容易的实现。另 外，为了提高电动机的转矩特性，可将电动机制成定、转子具有很小的气隙间隙和较人的气 隙直径。如薄形电动机不但没有增加体积和重草，还易丁制成高极数、低转速、火转矩、小 电流：同时也易于实施内、外转子的电动机物理模型，以及易丁扩展改变传统的径向磁场方 向为轴向磁场的盘式电动机等米满足各类电梯曳引驱动模式的需要。 永磁同步无齿轮曳引技术是当今电梯传动中的先进技术，代表了今后电梯技术发展的一 个方向。 1 3 永磁同步电动机的概况 1 3 1 永磁同步电动机的发展概况 利用永久磁铁制造电机，已有很久的历史，世界上第一台电动机就是永磁体产生励磁磁 场的永磁电动机，但是早期的永磁材料是大然铁矿石，磁能密度很低，永磁电动机体积庞人， 非常笨重，因而很快被电流励磁的电动机所取代。 到了2 0 世纪3 0 年代以后，具有较高剩磁密度曰，的铝镍钴永磁材料和具有较高矫顽力 h 。的铁氧体永磁材料先后出现，永磁电动机义开始发展。但是这两种永磁材料都有弱点， 性能不够理想，冈而永磁电动机的体积较人，还不能和电流励磁电动机相比，主要 j 丁微特 机领域。 2 0 世纪6 0 年代后期出现的稀十永磁以及其他各种永磁材料性能的不断改善，推动了永 磁电机的迅速发展。稀十永磁兼有铁氧体和铝钴镍两种永磁材料的优点，曰，和日。值都很 高，具有很高的最人磁能积( b h ) 。，而且退磁曲线基本上是一条直线，同复线与退磁曲 线基本重合，不怕丢磁，性能稳定，且热稳定性也比较好，剩磁温度系数小。例如2 0 世纪 6 0 年代出现的第一代稀十永磁材料钐钴5 ，其最人磁能积己超过2 4 0 k j m 3 而2 0 世纪7 0 年 代初出现的第二代稀十永磁材料，义把最人磁能积提高剑3 3 0 1 0 m 3 。但是钐钴族稀十永磁 4 北京建筑工程学院硕- 上学位论文 材料含钴量高，价格昂贵，影响了它在一般电动机中的应用。因而当时的永磁同步电动机的 研究开发重点是航空、航天用电机和要求高性能但是价格不是主要冈素的高科技领域贮1 。 1 9 8 3 年出现的钕铁硼永磁材料性能十分优越；其最人磁能积高达3 8 0 k j m 3 ，成为第三 代稀土永磁材料，它把稀土永磁材料的性能提高到了一个崭新的阶段。到2 0 世纪9 0 年代， 钕铁硼永磁材料的最大磁能积已超过5 0 0 k j m 3 ，钕铁硼永磁材料不含价格比较昂贵的钴， 其可加t 性能也比较好，它的价格比钐钴材料便宜的多。同时加上电力电子器什和微机控制 技术的迅猛发展，国内外对永磁同步电动机的开发研究重点转移剑i ：业和氏州电机上，使得 永磁同步电动机在国防、t 农业生产和日常生活中等方面获得越来越j 泛的应用，稀十永磁 同步电动机的研究开发进入到一个新的阶段。目前，稀十永磁同步电动机的单台容量已超过 1 0 0 0 k w , 最高转速已超过3 0 0 0 0 r m i n ，最低转速低于0 0 l r h l i n 【2 1 。 特别应当指出的是我国是稀士大国，储量为世界第一。我国在钕铁硼永磁材料的研制方 面也取得了很人的进展，小批量生产的钕铁硼永磁材料的磁能积也已达到4 0 0 k j m 3 。特别 是在解决这种材料在电机行业中应用的主要障碍一使用温度低、温度系数人的材料方面也 取得了显著进展，现在国产铁硼材料的温度系数已由一般的- 0 1 2 6 o c 降低剑0 0 6 ，其 使用温度可以提高到2 0 0 0 c ，磁性能和热稳定性已能满足一般电机的要求。所以钕铁硎永 磁同步电动机已逐渐成为变频调速系统一种重要的机型。目前，在永磁同步电动机中实际采 用的钕铁硼永磁体，剩磁密度高达1 0 6 t ，矫顽力达一7 2 0 k a m ，磁能积达2 8 6 k j m 3 【。 l - 3 2 永磁同步电动机的基本结构和种类 根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电动机转子可以分为三类：凸装式、嵌 入式和内埋式，如图1 1 所示。 凸装式和嵌入式结构的优点是：可以减小转子直径，从而降低转动惯量；如果将永磁体 直接粘在转轴上还可以获得低电感，这有利于电机动态性能的改善。 内埋式转子是将永磁体装在转子铁心内部，其优点是其磁路气隙比较小，适用丁弱磁控 制。 a ) 凸装式b ) 嵌入式c ) 内埋式 图1 - 1 三种转了结构 假设乙为永磁体厚度，乞为转子永磁体表面剑定子表面的距离，k 为等效气隙长度， 永磁材料的磁导率与空气的磁导率儿乎相等，凸装式转子结构可以认为是均匀的，可以得剑： k = 丢+ 1 。 ， 5 北京建筑工程学院硕士学位论文 其中, u r 为相对磁导率，对于凸装式交流永磁同步电动机，由于它的交轴和直轴磁路对称， 则： k = k = 厶 ( 1 - 2 ) 式中：k 和k 是d - q 轴的励磁电感，厶是励磁电感。 对于嵌入式的永磁同步交流电动机有k l 转矩线性 退磁系数 端l 乜压 隐极式 功率i 大l 数 p l 转矩线性 退磁系数 端l u 瓜 凸极式功率冈数 p l转矩线性 退磁系数 注：最好，一好，一中等，一差，一最差 p 为交直轴电感之比 对于特定的电梯川永磁同步电动机控制系统，究竟采用什么控制方式比较合适，一般要 根据电动机转矩和电流之间关系的线性度、控制过程中电动机端电压的允许变化利度、功率 冈数利电枢反映的去磁效应等4 个方面的队i 素进行综合比较后米判断确定。对比上述四种控 制方式，我们可以发现，针对人功率交流同步凋速系统，比较适合使刚o o s o - - 1 控制和总磁 链恒定控制方式，冈为这两种控制方式可以获得比较高的功率冈数，能够充分发挥利川逆变 器的容量。但是对丁电梯川永磁同步电动机拖动系统，由丁它的装置功率一般不人，对装置 的过载能力及转矩响应性能有比较高的要求，冈此，适合使川屯= o 的控制方式和转矩线性 北京建筑工程学院硕士学位论文 控制方式。又由于电梯对快速性的要求很高，而转矩线性控制方式的控制算法很复杂，要占 用很人的c p u 开销，故本课题所研究的电梯用永磁同步电动机控制系统中，选择= 0 的控 制方式n 8 1 - 2 1 。 2 3 永磁同步电动机电流滞环与电压空间矢量控制的比较 矢量控制是永磁同步电动机的一种重要的控制方法，电流滞环跟踪控制与电压空间矢 量控制是常用的两种逆变器控制方式。在目前对永磁同步电机的仿真研究中，关注磁链的 文章较少坦2 1 ，但是磁链对电机的电磁转矩影响很人，磁链质量对电机性能具有重要的意义。 本章对电流滞环跟踪控制与电压欠量控制两种控制方式进行比较时，重点探讨了磁链对永 磁同步电机性能的影响。 2 3 1 永磁同步电动机磁链的可观测性 磁链对电机的电磁转矩具有重要的意义，因而有必要观测电机的磁链，而对电机磁链 的观测首先要分析电机磁链的可观测性。 线性定常连续系统 能观测性判别矩阵 q。=妻，满秩，即，口，z幻q。=以。 选择，为状态变量，蚴，为输入，岛为输出，得剑永磁同步电动 机状态空间表达式： 其中，国为电角度。 标准状态空间表达式为： 其中 l 墨 例三 f瓤：测 僻) 七：制 肛巨 i = a x + b u y = c x + d u 1 2 f l b = l l fd ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 、，0j r 一厶o 0 l 、， 旦厶r 一譬 c = 北京建筑t 程学院硕上学位论文 小 一i l q ) 1 、 一l 厶l ( 2 - 8 ) 01 由于永磁同步电机的电气时间常数远远小于机械时间常数，所以缈可以看作是随时间 缓慢变化的恒值变量。这样可以认为永磁同步电动机的状态空间表达式为线性定常连续系 统。 得到能观测性判别矩阵为： q 。= ，其中，厶1 - - - 0 , l 言一l = 一z 三i 。 l i f p ar a n k q 。= 2 ，q 。满秩，因此永磁同步电动机的磁链可观测。 定子磁链全维状态观测器的实现m 1 在实际中，并不是所有的状态变量都可以被直接测最到。某些状态变量可以间接的测量 到，但是作测量所川的代价非常高。可以直接测量的输入输出量可以用米代替或者估计状态 变量。 定子磁链全维状态观测器的结构如图2 5 所示。 图2 - 5 伞维状态观测器的结构图 由图2 5 我们可以得剑全维状态观测器的状态方程为： 痧= ( 彳一o c ) o4 - g c j u + b “ ( 2 9 ) 其中的g 是恒定矩阵，称它为反馈增髓矩阵。状态观测器的输出汐，称之为状态估计。 1 3 0 l l 0 ，。l o 土乞竺厶尽一0 上厶。 墨口竺厶 北京建筑工程学院硕士学位论文 希望状态估计的汐和控制系统。的实际状态的差距妒( 妒= 痧一) 越小越好。可以看 到永磁同步电机的动态特性完全依赖丁矩阵( 彳一o c ) 的特征值。由于彳和c 的系数是由永 磁同步电机系统决定的，所以求解出矩阵g ，就可以对磁链进行观测了。 2 3 2 电流滞环跟踪控制与电压空间矢量控制控制的建模 电流滞环跟踪控制的目的是使三相定子电流严格地跟踪正弦的电流给定信号，其基本思 想是将电流给定信号与检测到的逆变器实际输出电流信号相比较，若实际电流大于给定电流 值，则通过改变逆变器的开关状态使之减小，反之增大。搭建电流滞环跟踪控制模型如图 2 - 6 所示11 2 6 1 。 图2 - 6 电流滞环跟踪控制模型 电流型控制方式的目的是输出电流的正弦化，从而在空间建立圆形磁链轨迹，产生恒定 的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以磁链轨迹为圆的目标来形成p w m 控制信 号称为磁链跟踪控制，由丁磁链轨迹可借助电压空间矢量相加得剑，故义称电压空问矢量控 制。电压空间矢量控制易于实现数字化控制。搭建电流滞环跟踪控制模型如图2 - 7 所示幢7 2 8 1 图”l 乜爪窄问矢量控制模型 2 3 3 仿真研究 永磁同步电动机参数为：定子电阻r s = 0 6 1 8 q ，直轴电感l d = 0 0 0 7 4 1 8 h ，交轴l 乜 1 4 北京建筑工程学院硕士学位论文 感l q = 0 0 1 2 2 8 5 h ，转子磁链= 0 1 1 2 8 w b ，转动惯量j = 5 5 9 1 0 _ 4 k g m 2 ，极对数 p 。= 2 。 两种控制方案均采用i d = 0 的速度、电流双闭环p i 控制，仿真条件为给定转速 ，l = 1 0 0 0 r m i n 。负载0 5n 所启动，0 1s 时负载增至ln 聊，仿真时间0 3 s 。 两种控制方式下的速度响应如图2 8 和图2 - 9 ，从图中可以看到，电流滞环跟踪控制与 电压空间久量控制的速度响应均满足快速性与稳定性方面的要求。 图2 8 乜流滞环跟踪控制速度响心 q 1 5 n 2 l ( e ) 图2 9 电骶窄问矢量控制速发响应 两种控制方式卜的电磁转矩响应如图2 一l o 和2 1 1 ，电压空间欠鼙控制的电磁转矩响应 脉动幅值稳定且开关频率i 爿定。电流滞环跟踪控制比电压空间欠量控制的电磁转矩响应质量 差，表现为脉动振荡幅值人且波动较人。还可以看到，电流滞环跟踪控制的开关频率不同定， 显示为时变性，其原冈在丁器件开关更迭取决于反馈电流到达上。卜限值的时间，而反馈电流 的变率是时变的，冈而滞环控制的开关频率不同定，而且变化范同很人，频率高处是频率低 处的5 倍左右。而频率越高电路开关损耗越高并将导致电路效率降低。 1 5 哪 驰 哪 瑚 鲫 锄 蛐 卸 挪 姗 。 一ui山，|)u 啪 蛳 仰 瑚 啪 蛳 佃 埘 抛 僻 0 【u 一毫c 制2 - t o ，h 黼环聪拄硝电融转矩响应局部 i ! ；阿 凹 1 2i u 蹴滞w 撤昧箱制m 链 划21 3 b i ，问矢i 抨制磁链 北京建筑t 程学院顾 学位论立 团田 图2 1 4l b 流滞环跟踪控制磁链局部 目2 - 1 5l b k 卒问矢苴拌制啦链月揶 通过仿真结果我们可以看到； 1 ) 电流滞环罪踪控制的开关频率不矧定，高于电压空间矢量控制的开黄频率，开关 损耗火，对开关器竹的要求较高，增加成本。 2 ) 电压空间火蜮控制的磁链优t 电流滞环跟踪控制电磁转矩的性能更好。 所以在电梯永磁同步电动机电力拖动系统中逆变罄的调制方式选扦l 乜压生问九城控 2 4 本章小结 本章柏分析永磁同步电动机数学模型的基础上，通过数学推导验证了其嫩链的可观测 性利川仿真i ：具m a t k b s i m u l k u k 描建了电流滞环跟踪控制与电压卒间欠蜮控制的仿真模 n 并【七较，返埘种逆变方式的特点。在车论文所研究的i 乜梯永磁同步- u 动机电力拖动系统 中逆变器的调制冉式选择l u 压空间父量控制。 北京建筑t 程学院硕上学位论文 第三章永磁同步电动机模糊p i 控制系统 3 1 永磁同步电动机模糊p i 控制系统 模糊p i 控制的原理幢引：为了使控制系统响应较快，在误差较大时利用模糊控制，在误差较 小时采用p i 控制，这类控制方式的特点是在大偏差范围内利用模糊推理的方法调整系统的 控制量u ，而在小偏差范嗣内转换成p i 控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。 系统结构框图如图3 1 所示。 图3 1 模糊p i 控制原理 其中，模糊控制器的设计方法为： 1 ) 以误著e ( 即电动机给定转速与实际转速的偏差) 和误差的变化率e c ( 速度偏差的 导数) 作为模糊控制的输入，输出量为控制值u ( 即给定的i q 电流值) 。 2 ) 输入、输出变草的模糊语言的描述 设定输入变量e 和e c 及输出u 语言的模糊子集： ee c 和u 的子集为 负人，负中，负小，零，正小，正中，正大) - 并简记为 n b ，n m ，n s ，z 0 ，p s ，p m ，p b 隶属度函数均为三角形隶属度函数，如图3 2 所示。 n bn mn sz 一一一 图3 - 2 隶属度函数 3 ) 模糊控制规则的语言描述 模糊控制规则实质上是将人的控制经验加以总结而得出模糊条件语句的集合，确定模糊 控制规则的原则是必须保证控制器的输山能够使系统输出响应动、静态的特性达到最佳。模 糊控制规则如表3 - 1 所示。 1 8 北京建筑t 群皖硕学位论史 表3 - 1 筷期控制规则表 义 n sp sp m n bp bp bp mz o p b 蹦z o n sn sn s 阴p mp sn s瑚 p sp s z o瑚肌 z o埘 z oz on mn bmn b 3 2 模糊p i 控制方式与p i 控制方式的性能比较 为了测试所设计的模期p i 控制系统的性能给定不同的初始速度观察系统舶速度响应， 由j 电动机的转动惯鬣会发生变化，所以还作了改变电动机的转动惯量情况r f 的仿真研究。 井同时做了p l 控制系统的仿真实验来与模糊p i 控制系统进行比较，具体仿真条仆为： 负载o n m 起动，l5 s 时负载突增为i n i n 。给定转速分别为5 0 0 r r a i n ，1 0 0 0 r r a i n ， 1 5 0 0 r m i n 。速度曲线响麻如幽3 - 3 、3 4 、3 - 5 。 将电动机的转动惯量政变为正常值的i5 倍、2 倍和3 倍。重复以上实验，所得速度柏 鹿曲线如蚓3 6 3 1 4 。 分别从3 个性能指标( 稳志时刻、超调量和负载突变遗度变化的幅值) 对仿真的结果进 行了分析，到成表格3 - 2 、3 3 、3 - 4 。 目3 - 3 速度为5 0 0 r m l n 、转动惯盈为i u 机的f 常 值的速度响庸曲线 ”j i j _ _ ： 幽3 4 速度为i m i n ，转功攒蓝为b 帆f 目 伯 的速艘响麻曲线 幽3 - 5 速度为15 0 0 r r a i n 、转动惯篮为l u 机m 常值 的速度响应帅线 幽3 - 64 度为5 0 0 r m i n 、转动惯量为i b 机i e i i i 值 的i5 估的建度响h 曲线 北京建筑i 程学院碰士学位论文 畜。掣卿嚣“。习 m p - 驾 哪 l 辜 鞠；，；， 圈3 - 7 速度为i0 0 0 t m i n 、转动惯且为电机正常值 的15 倍的速度响战曲线 n3 - 8 建度为i5 c c , f f m l n 、转动惯量为i u 机常值 削3 一1 2 速度为5 0 m m l n 转动惯量为电机常值 的i5 倍的速度响麻曲线的3 倍的速度响麻曲线 酗3 - 9 速度为5 0 0 r m i n 、转动惯量为也机f 常值幽3 1 3 速度为i o o 州m 转动惯量为电机f 常 的2 佑的速度响麻曲线值枘3 倍的速虚响麻曲线 幽3 + i o 建艟为i f i 1 ) f m i n 、转动惯麓为 l l e t m 常幽3 1 4 速度为1 5 0 0 r m l n 、转功惯垂为l b 机f 常 值的2 信的速度响h 帅线值的3 信的速度响心曲线 北京建筑工程学院硕士学位论文 表3 - 2 转动惯量为证常值 5 0 0 r m i n1 0 0 0 r r a i nl5 0 0 r m i n 稳态时n ( s ) p i 控制 0 0 0 7 20 0 4 0 20 0 8 9 3 模糊p l 控制 0 0 0 5 00 0 0 8 l0 0 1 1 6 超调量p i 控制 1 4 0 2 3 7 3 5 3 模糊p i 控制 0 6 6 0 9 0 1 3 3 负载突增速度下p i 控制7 2 0 3 6 0 2 3 3 降幅值 模糊p i 控制 4 0 0 1 3 0 o 6 6 表3 3 转动惯量为正常值的1 5 倍 5 0 0 r m i n10 0 0 r m i nl5 0 0 r m i n 稳态时n ( s ) p l 控制 0 0 4 4 50 0 9 4 5o 1 4 2 8 模糊p i 控制 0 0 0 7 0 0 0 1 2 1o 0 1 7 2 超调量 p i 控制 2 3 2 3 5 1 5 2 0 模糊p i 控制 0 7 0 1 3 0 1 3 3 负载突增速度卜p i 控制7 0 0 3 4 2 2 2 4 降幅值模糊p i 控制2 8 0 1 1 2 0 4 0 表3 - 4 转动惯量为正常值的2 倍 5 0 0 r m i nl0 0 0 r m i nl5 0 0 r m i n 稳态时刻( s ) p i 控制0 0 8 9 4o 1 3 2 20 0 2 3 0 模糊p i 控制 o 0 1 0 20 0 1 6 10 1 8 1 5 超调量p i 控制 3 2 0 4 5 9 5 2 0 模糊p i 控制 0 9 4 1 7 6 6 8 0 负载突增速度下 p l 控制6 8 0 3 4 0 2 2 6 降幅值 模糊p i 控制 2 8 0 1 0 0 0 0 0 表3 5 转动惯量为正常值的3 倍 5 0 0 r m i n10 0 0 r m i nl5 0 0 r m i n 稳态时刻( s )p i 控制 0 1 4 3 00 1 8 4 50 2 3 8 2 模糊p i 控制 o 0 1 5 20 0 2 4 l0 0 2 7 0 超调量p l 控制 4 9 0 6 6 0 1 0 模糊p i 控制1 4 5 2 0 0 1 4 7 负载突增速度卜p l 控制 7 o o 3 2 0 2 0 7 降幅值 模糊p i 控制 2 5 2 0 7 2 o 0 0 从图3 3 、3 _ 4 、3 5 和表3 2 ，我们可以看到，在给定速度分别5 0 0 r m i n ，1 0 0 0 r m i n ， 1 5 0 0 r m i n 的情况f ，模糊p i 控制达到稳态的时间都比纯p i 控制达到稳态的时间短，同时 2 l 北京建筑工程学院硕上学位论文 超调量却比纯p i 的小，这说明模糊p i 控制的快速性比纯p i 控制的好，当负载突增的时候， 模糊p i 控制卜的速度- 卜降幅值小于纯p i 控制，这说明模糊p i 控制比p i 控制的抗干扰能力 强。 当转动惯量变化的时候，从图3 6 3 1 4 和表3 3 、3 4 、3 5 我们可以看到模糊p i 控 制的性能指标同样好于纯p i 控制，这说明模糊p i 控制的鲁棒性好于纯p i 控制。 3 3 模糊p i 控制与p i 控制对电梯速度曲线的跟踪 电梯