（控制理论与控制工程专业论文）基于自抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究.pdf

r e s e a r c ho ns p e e dr e g u l a t i o no fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do na u t o , a c t i v ed i s t u r b a n c e r e j e c t i o nc o n t r o l at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l o n gx i a o j a n ( c o n t r o lt h e o r y a n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry us h u a n g h e j u n e 2 0 1 1 3舢2舢6川598 川ly 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博， 硕士学位论文 ：基王自蕴选照苤丝丞磁回垄生扭遢速立选班塞：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明 的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出 版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：叁蘸辂师签名： 和 日期：2 口川年7 月牛日 中文摘要 摘要 永磁同步电机( 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 ，简称p m s m ) 因其体积 小、效率高、可靠性高以及对环境适应能力强等优点而被广泛应用于工业生产等 各个领域。p m s m 是一种多变量、非线性、强耦合、时变的被控对象，因此解 决系统的非线性性和不确定性成了p m s m 控制的关键。本文采用了自抗扰控制 技术( a u t o a c t i v ed i s t u r b a n c e sr e j e c t i o nc o n t r o l l e r , 简称a d r c ) ，它继承了经 典控制中“基于误差来消除误差”的思想精髓，是不依赖于被控对象精确数学模 型的一种新型的控制方法。a d r c 可以很好的解决系统的非线性和不确定性的问 题，对系统的扰动具有很好的抗干扰能力，因此保证了系统的控制精度，具有良 好的动、静态性能和鲁棒性。 本文首先对交流伺服系统的发展以及交流电机经典的控制策略作了简单的 介绍，提出了本文的研究内容。然后推导了p m s m 在d - q 轴坐标系下的数学模 型，根据p m s m 的数学模型，介绍了p m s m 的矢量控制策略，并通过使i d = o 实 现系统的解耦控制。接着介绍了a d r c 的发展，分析了自抗扰控制器的各个组 成部分( 跟踪微分器、扩张状态观测器、状态反馈控制率以及扰动补偿) 的结构 与原理。针对永磁同步电机调速系统设计了自抗扰控制器和基于扩张状态观测器 的比例控制器，并根据扩张状态观测器观测扰动的能力设计了速度观测器。利用 m 明a b s i m u l i n k 软件对基于a d r c 的各个调速系统进行仿真，并将仿真结果 与矢量控制系统的控制效果进行比较。基于a d r c 的调速系统的速度调节效果 比矢量控制的调节效果更好；无论是在低速还是高速运转时，当系统的负载发生 变化时，基于a d r c 的调速系统都具有很好的抗干扰能力；速度观测器对系统 速度有很好的跟踪能力，负载扰动对速度观测器的影响很小。 仿真结果表明：在自抗扰控制器中，扩张状态观测器起到了观测系统扰动的 作用，并通过扰动补偿环节减小扰动对系统的影响；基于a d r c 的调速系统对 负载扰动有很好的抗干扰能力，具有很好的动、静态性能和良好的鲁棒性。 关键词：永磁同步电机；矢量控制；自抗扰控制技术；扩张状态观测器 英文摘要 a b s t ra c t b e c a u s eo fi t ss m a l ls i z e ，h i g he f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yt o t h e e n v i r o n m e n ta n ds oo n ，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 ( p m s m ) i sw i d e l y u s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n do t h e rf i e l d s p m s mi sam u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r , s t r o n gc o u p l i n ga n dt i m e - v a r y i n gc o n t r o l l e do b j e c t ，s ot os o l v et h en o n l i n e a r i t ya n d u n c e r t a i n t yi st h ek e yo fp m s mc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i s ，a u t o , a c t i v ed i s t u r b a n c e s r e j e c t i o nc o n t r o l l e r ( a d r c ) i su s e d ，w h i c hi n h e r i t st h ee s s e n c eo f “e l i m i n a t ee r r o r b a s e do ne r r o r i nt h ec l a s s i cc o n t r o l ，i san e wk i n do fc o n t r o lm e t h o dw h i c hd o e sn o t d e p e n do nt h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o l l e do b j e c t a d r c c a l ls o l v et h e p r o b l e m so f t h es y s t e m sn o n l i n e a r i t ya n du n c e r t a i n t y ；t h es y s t e mb a s e do na d r ch a s g o o da n t i d i s t u r b a n c e sc a p a b i l i t y , w h i c he n s u r e st h ec o n t r o la c c u r a c yo ft h es y s t e m ， a n dh a sg o o dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ea n dr o b u s t n e s s f i r s t l y , t h ep a p e rm a k e st h es i m p l eb r i e fo ft h ed e v e l o p m e n to ft h ea c s e r v o s y s t e ma n da cm o t o rc o n t r o ls t r a t e g y , a n di n t r o d u c e st h er e s e a r c ho ft h ep a p e r a n d t h e ni tc a l c u l a t e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi nt h ed - qa x i sc o o r d i n a t es y s t e m ， a n di n t r o d u c e st h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yo fp m s ma n dt h ed e c o u p l i n gc o n t r o lb y i d = ob a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m a n dt h e n i ti n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n to fa d r ca n dt h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e so ft h ec o m p o n e n t so fa d r c w h i c hi sc o n s i s to ft r a c k i n gd i f f e r e n t i a t o rf r o ) ，e x t e n d e ds t a t eo b s e r v e r ( e s o ) ， n o n l i n e a rs t a t ee r r o rf e e d b a c kc o n t r o ll a w ( n l s e f ) a n dd i s t u r b a n c ec o m p e n s a t i o n ( d c ) i td e v i s e st h ea d r c a n dt h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o l l e rb a s e do ne s oi nt h es p e e d r e g u l a t i o ns y s t e mo fp m s m ，a n dt h es p e e do b s e r v e rb yt h ec a p a b i l i t yo fe s ow h i c h e s t i m a t e st h es y s t e m sd i s t u r b a n c e u s i n gt h es o f t w a r eo fm a t l a b s i m u l i n ki t s i m u l a t e st h ec o n t r o ls y s t e m s ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h ev e c t o r c o n t r o ls y s t e m t h ee f f e c to ft h es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do na d r ci sb e t t e r t h a nt h ee f f e c to ft h ev e c t o rc o n t r o l ；w h e nt h es y s t e m sl o a dc h a n g e s ，t h es y s t e m b a s e do na d r ch a sg o o da n t i d i s t u r d a n c e sc a p a b i l i t yb o t hi nl o ws p e e do rh i g hs p e e d ； t h es y s t e mw i t ht h es p e e do b s e r v e rh a sag o o da b i l i t yf o rt r a c k i n gs p e e d ，a n dl o a d d i s t u r b a n c eh a sl i t t l ee f f e c tt ot h es p e e do b s e r v e r 英文摘要 t h er e s u l t ss h o w ：t h ee s op l a y st h er o l eo fo b s e r v i n gt h es y s t e md i s t u r b a n c ei n t h ea d r c ，a n dt h ep a r to fd cr e d u c e st h ee f f e c to fd i s t u r b a n c et ot h es y s t e m ；t h e s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mb a s e do na d r c h a sag o o da n t i - d i s t u r d a n c e sa b i l i t yt ol o a d d i s t u r b a n c e ，g o o dd y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c ea n dg o o dr o b u s t n e s s k e y w o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o l ；a d r c ：e s o 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 交流电机伺服系统的发展趋势1 1 2 永磁同步电机在交流伺服系统中的应用：2 1 3 交流电机经典控制策略2 1 3 1 矢量控制3 1 3 2 直接转矩控制3 1 3 3 恒压频比控制3 1 4 交流电机控制算法的研究现状4 1 4 1p i 控制4 1 4 2 神经网络控制4 1 4 3 滑模变结构控制5 1 4 4 模糊控制5 1 4 5 自适应控制5 1 4 6 反馈线性化控制6 1 5 本文研究的主要内容6 第2 章永磁同步电机的数学模型及矢量控制7 2 1 永磁同步电机的结构7 2 2 永磁同步电机数学模型7 2 2 1 三相定子坐标系与两相定轴坐标系之间的坐标变换7 2 2 2 两相定轴坐标系与两相转轴坐标系之间的坐标变换8 2 3 永磁同步电机的矢量控制1 0 2 3 1 永磁同步电机的矢量控制方法1 0 2 3 2s v p i 脚控制技术1 1 2 4 本章小结1 5 第3 章自抗扰控制器技术1 6 3 1 自抗扰控制器技术介绍1 6 3 2 自抗扰控制器的基本结构1 7 3 2 1 跟踪微分器1 8 3 2 2 扩张状态观测器1 9 3 2 3 非线性状态误差反馈控制律2 0 3 3 自抗扰控制器的应用2 0 3 4 本章小结2 2 第4 章基于自抗扰技术的永磁同步电机调速系统设计2 3 4 1 基于扩张状态观测器的调速系统设计2 3 4 1 1 基于线性扩张状态观测器的比例控制器2 3 4 1 2 基于非线性扩张状态观测器的比例控制器2 5 4 2 基于自抗扰技术的调速系统设计2 6 4 2 1 基于自抗扰控制技术的速度控制器设计2 7 4 2 2 基于自抗扰控制技术的速度观测器设计2 7 4 3 本章小结2 9 第5 章系统仿真及结果分析3 0 5 1s v p l j i m 仿真模块3 0 目录 5 2 永磁同步电机调速系统仿真3 2 5 3 仿真结果及分析3 5 5 4 本章小结4 0 第6 章结论4 l 参考文献4 2 攻读学位期间公开发表论文4 7 致谢4 8 基于自抗扰控制技术的永磁同步电机调速方法研究 第1 章绪论 1 1 交流电机伺服系统的发展趋势 随着微电子技术、传感器技术、永磁体材料及控制理论技术的发展，在7 0 年代末期进入了交流伺服技术n 1 的时代，并相继开发出了各种类型的交流伺服系 统乜儿羽，并被广泛应用于控制系统中。由于交流伺服系统的结构简单和维护方便 等优点，在发达国家，交流伺服系统已经得到了广泛的应用，被应用于电力、铁 路运输、冶金、化工等多个领域n 1 。伴随着电力电子技术1 和微电子技术的发展 以及新控制思想的引入，为交流伺服系统的快速发展提供了技术支持“1 。交流伺 服系统是以取代直流电机调速系统旧盯1 为目标的交流调速控制技术，并以其优良 的调速性能，朝着高性能、智能化、数字化、网络化的方向快速发展嘲。在很 多的应用领域内交流伺服系统取代了直流电动机和步进电动机的驱动系统，并已 经成为伺服系统的主流。 交流伺服系统的发展趋势主要表现为3 ： 1 直流伺服系统的应用将逐渐地转向交流伺服系统，交流伺服系统将有可能 完全取代直流伺服调速系统。 2 交流伺服系统通常采用的是模拟电子器件为主逐渐转向主要采用微处理 器、数字电路、数字信号处理器等技术，从而实现半数字化或全数字化。软件伺 服技术更好的为交流伺服系统设计与使用提供了可能，并且有自动诊断、保护、 显示的功能。可以根据系统的要求设置参数，这就增强了与上位机的通讯和沟通 能力。 3 交流伺服系统将有两个大方向的发展：一个方向是结构简单、成本低的交 流伺服系统将得到迅速发展，应用的领域将会进一步扩大；另一个方向是高性能 的数字化、智能化伺服系统将得到迅速发展，以满足高要求的应用场合，例如精 度数控机床、特种加工设备、机器人等领域。这有可能是交流伺服系统的主流发 展方向，也是交流伺服系统发展的水平的重要标志和主导方向。 4 单一功能的传感器将逐步遭到淘汰，越来越多的多功能传感器被需求。因 此小型、低成本的传感器将得到广泛的应用。 5 交流伺服系统通常所采用的p i d 控制，但是随着控制要求和精度的提高现 代控制理论越来越得到广泛的应用，这些现代的控制理论包括如模糊控制、人工 1 第1 章绪论 智能、神经元网络等技术在内的控制理论。 6 随着电力电子技术的发展，应用在交流伺服系统中电力电子器件也向着高 频化的方向发展，智能功率集成电路也得到了普遍的应用，小型化、高频化的无 噪声逆变器被更为广泛的应用。 7 交流伺服系统控制器的结构逐渐趋向于小型化，可靠性更高的采用多单元 组合的多坐标控制器将得到使用。 8 永磁稀土材料由传统的铁氧体、稀土钴等材料逐渐转向性能更好、价格更 低的铷铁硼。 1 2 永磁同步电机在交流伺服系统中的应用 交流伺服电机之所以得到了广泛的应用就是因为克服了直流伺服电机系统 在运行过程中的电刷和换向器带来的各种限制。在现有的伺服电机系统中，同步 伺服电机口州1 1 1 2 1 主要应用在额定功率要求小的领域。由于永磁材料的高性价比， 并可以实现精确控制，因此永磁同步电机被广泛应用。根据反电动势的波形形状 的不同，可以将永磁同步电机分为正弦波永磁同步电机n 册和梯形波永磁同步电机 ( 又称无刷直流电机n 4 儿1 5 1 ) 。和异步电机相比，同步电机的电源的频率与转速保 持一致，电机的转速在极对数和电源频率不变的情况下一直保持稳定。在同步电 动机的系统控制中，主要有两种变频调速方式：自控式和他控式n 6 1 。他控式变频 调速系统存在振荡、失步等问题，因此实际应用的较少，多采用自控式运行方式。 自控式系统的控制方式主要有：交一直一交电压型同步电动机调速系统；交一直一 交电流型同步电动机调速系统；大功率交一交变频调速系统n 6 1 。正弦波永磁同步 电动机不是电励磁，就没有转子发热和励磁损耗等问题，因此提高了电机的效率 和功率因数。永磁同步电机的体积小、重量轻、控制简单n 刀n 引、有良好的动态和 静态性能，因此被广泛应用在中、- 小容量的伺服系统中。 1 3 交流电机经典控制策略 电机的电磁转矩是由主磁场和电枢磁场相互作用而产生的。直流电机的主磁 场和电枢磁场互差9 0 。电角度，可以实现独立调节；交流电机的主磁场和电枢 磁场互相不垂直，并且相互影响。因此，交流电机的转矩控制效果较差，效果不 理想。到目前为止交流电机的控制方案有：矢量控制n9 1 、直接转矩控制n 羽啪1 、恒 2 基于自抗扰控制技术的永磁同步电机调速方法研究 压频比控制皿小嘲等。 1 3 1 矢量控制 1 9 7 1 年，德国e b l a s c h k e 教授提出了矢量控制理论2 钔推动了交流传动控 制技术的发展，使交流电动机控制理论有了实质性的突破。其基本原理为：建立 转子磁链的旋转空间矢量坐标系，定子电流被分解为相互正交的两个分量，一个 分量与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一分量与磁链方向逆时针正交， 代表定子电流转矩分量，并且分别对其进行独立控制，可以获得像直流电机类似 的良好的动态特性嘲。在理论上，矢量控制可以提高交流电机传动系统的动态性 能，但同时也带来一些问题，例如要进行较复杂的坐标变换、对电机的参数有较 大的依赖性、转子磁链的准确值以及难以保证完全解耦，因此控制较复杂，要求 精度高。在实际电机运行的过程中，电机参数有一定的时变性，系统受温度和励 磁电感的影响较大2 4 1 。因此受参数变化的影响使得矢量控制系统的实际控制效 果并不理想。 1 3 2 直接转矩控制 异步电机直接转矩控制理论n 町是由德国d e p e n b r o c k 教授在上世纪8 0 年代 提出的。该方法并没有继承矢量控制的解耦思想，而是实行了定子磁场定向控制， 从而避免了对定子磁链的观测和坐标变换的计算，对电机参数的依赖性较小。直 接转矩控制的控制方法简单、动态性能好、响应速度快瞄1 。因此，直接转矩控制 一直以其系统结构简单，优良的静、动态性能而被广泛的应用。逆变器开关速 度较慢，对象电机的电感较小，使得电机在低速运转时电流和转矩的脉动较大， 控制效果不佳，制约了直接转矩控制技术的进一步使用。 1 3 3 恒压频比控制 恒压频比控制技术硷”盥幻是开环控制，利用空间矢量脉宽调制技术将系统的给 定量转化为期望的输出量进行控制，使电机以一定的转速运行。但是恒压频比控 制技术必须依据电机的稳态模型，因此系统的动态控制性能差。如果要获得良 好的动态性能，必须利用电机的动态数学模型，但是永磁同步电机的动态数学模 型是多变量、非线性的，含有角速度与电流d i 或q i 的耦合项，因此要得到精 确控制性能必须对角速度和电流进行解耦。 3 第1 章绪论 1 4 交流电机控制算法的研究现状 交流电机系统是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象位刀，电机在运行的 过程中参数会发生变化，经典控制理论受负载的扰动、模型参数的大范围变化以 及外部扰动的影响较大，因而控制性能将会受到影响啪1 。随着现代控制理论的发 展，在交流电机控制系统的研究中引进了许多先进的控制策略，例如神经网络控 制四1 侧、滑模变结构控制m 1 、模糊控制池1 、自适应控制嘲、反馈线性化控制1 等，并且取得了一定的成果。 1 4 1p i 控制 p i 控制器口5 1 以其结构和算法简单、易于实现、参数调节方便、有较好的控 制效果而被普遍应用在电机控制系统中。永磁同步电机调速系统的速度环和电流 环一般均采用p i 控制器。永磁同步电机是一个强耦合的非线性被控对象，应用 环境一般较为复杂并且存在各种干扰( 电机参数的变化和来自外部的干扰) 。因 此，在交流电机调速中p i 控制器会由于自身的特点而达不到很好的控制效果， 本文第三章中介绍了p i 控制技术的缺陷。p i 控制器虽然控制简单，但是难以满 足高精度的要求，不能得到高精度的调速性能。因此近年来出现了很多对p l 控 制的改进算法，例如自适应p l 啪3 、模糊p l d 力、神经网络p i 嘲1 以及它们的相互结 合的新型控制算法州剐h 引，在很大程度上改善了永磁同步电机的调速性能。 1 4 2 神经网络控制 人工神经网络根据人脑的生物微观结构与功能模拟人脑神经系统建立起来 的模型。在交流伺服中，神经网络控制可以代替传统的p d 控制，由于矢量控 制对系统的参数很敏感，引入神经网络可以辨识和跟踪电机的参数，并可以对磁 通和转速控制器进行调整；基于无速度传感器的矢量控制需要转速的确切值，神 经网络控制技术可以用来精确估计位置及转速；基于模型参考自适应控制h 妇的速 度控制器，可以将神经网络控制技术应用在速度控制器中。神经网络控制技术在 交流伺服系统的应用研究中已取得了一些成绩，但是仍有有许多问题需要解决， 例如神经网络控制器主要凭经验设计，对系统的控制效果缺少理论预见性，且设 计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产生振荡等。 4 基于自抗扰控制技术的永磁同步电机调速方法研究 1 4 3 滑模变结构控制 滑模变结构控制是变结构控制技术的一种控制策略，控制的不连续性是其区 别于常规控制的特性，控制的不连续性是使系统“结构 随时发生变化。滑模变 结构控制的主要特点：根据被调量的偏差及微分信号有目的地使系统的控制量沿 着设计的“滑动模态 的轨迹运动n 引。滑动模态是可以根据需求被设计的，并且 与系统的参数和扰动无关，因而系统具有很强的鲁棒性。并且滑模变结构控制技 术不需要任何的在线辨识，容易实现。但是不连续开关特性会使系统产生“抖振 的现象，这是因为实际的滑模变结构控制系统，其控制能力是有限的，从而使系 统的加速度有限，并且系统的惯性、切换开关的时间空间滞后以及状态检测的误 差等对系统的控制效果都有很大的影响b 妇n 铂。所以，在实际控制系统的应用中可 能会产生抖振，一定程度上会限制它的应用。 1 4 4 模糊控制 1 9 6 5 年z a d e h 教授创建模糊理论，模糊控制技术在工业上得到了广泛的应 用。模糊控制技术是利用模糊集合来描述日常概念中的模糊性，可以使控制器逼 真和熟练地模仿操作人员和专家的控制经验和方法。模糊控制是以模糊语言变 量、模糊逻辑推理及模糊集合论为基础的一种计算机数字控制技术阳羽。模糊控制 的突出特点是：系统的鲁棒性强，适用于解决常规控制难以解决的时变、非线性 及滞后问题；不需要被控对象精确的数学模型；以语言变量代替常规的数学变量； 可以模仿人的思维过程，根据专家的知识、经验，能处理复杂的控制问题h 引。但 是模糊控制技术也是有不足之处的：系统的静态性能差，模糊控制难以消除系统 的稳态误差，因此控制精度低；难以确定系统的模糊控制规则，针对不同的应用 领域和运行环境，模糊规则需要分别设计，因此而缺乏系统的、有规律的模糊规 则设计方法口2 儿4 副。 1 4 5 自适应控制 与常规的控制方法类似，自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，但不 同的是自适应控制所需要的先验知识少，只需要在系统运行过程中不断提取相关 模型信息，逐渐完善系统模型，是克服因参数变化带来影响的有效方法侧。自适 应控制技术是现代控制理论技术的一个重要分支，被广泛用于研究领域。在永磁 同步电机的控制系统中，自适应控制是用来克服电机的参数变化和各种抖动带来 5 第1 章绪论 的影响，以提高系统的鲁棒性。自适应控制在永磁同步电机控制中应用的主要问 题是：数学模型和计算繁琐，从而使控制系统复杂化；需要较长的时间来辩识和 校对扰动信号，对于变化较快的伺服系统或者是时间要求精度高的系统难以达到 很好的控制效果啪1 。 1 4 6 反馈线性化控制 反馈线性化控制技术是研究非线性控制系统的一种有效方法，通过非线性状 态反馈和非线性变换，可以实现系统的动态解耦和全局线性化1 。利用反馈线性 化技术可以将非线性、强耦合、多变量的异步电动机系统分解为两个独立的线性 单变量系统，它们的调节器可以利用线性控制理论来分别设计，以使系统达到良 好的动静态性能。但是，反馈线性化理论是通过坐标变换及状态或输出反馈将非 线性性系统线性化，单纯地进行鲁棒控制器设计，系统的控制效果不一定良好； 另一方面，反馈线性化需要系统的准确参数，因此对系统的数学模型依赖性较大。 电机在运行的过程中，系统会发生扰动，会不可避免地影响着系统的鲁棒性h 钔。 1 5 本文研究的主要内容 本文是以永磁同步电机调速系统为研究对象，应用自抗扰控制技术，解决永 磁同步电机的非线性、强耦合和扰动的问题。对控制器设计和速度观测等方面进 行深入研究： ( 1 ) 简单介绍了交流电机伺服系统的发展及永磁同步电机在交流伺服系统 中的应用，对各种控制策略进行了简单的介绍； ( 2 ) 简单介绍了永磁同步电机的结构和数学模型，并对矢量控制技术进行 了重点介绍； ( 3 ) 详细介绍了自抗扰控制技术，包括自抗扰控制技术的发展及自抗扰控 制器的结构及应用； ( 4 ) 研究了基于自抗扰控制技术的永磁同步电机的自抗扰控制器的设计， 并设计了基于扩张状态观测器的比例控制器。在基于自抗扰控制技术的调速系统 的基础上，利用扩张状态观测器的能够观测系统状态的特性设计了速度观测器。 对基于自抗扰控制技术的永磁同步电机的调速系统进行仿真，并对仿真结果与矢 量控制的仿真效果进行比较与分析。 6 基于自抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究 第2 章永磁同步电机的数学模型及矢量控制 2 1 永磁同步电机的结构 永磁同步电机和常用的励磁式同步电机的结构是一致的，都是由三相绕组和 铁芯构成，并且电磁绕组的连接方法是星型的。永磁同步电机的转子是由永磁体 代替普通励磁电机的励磁绕组，节省了励磁线圈，电刷和滑环。永磁同步电机的 内部电磁结构如图2 1 所示。 转 磁钢 图2 1 永磁同步电机的电磁结构 f i g 2 1e l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r eo fp m s m 按照转子的结构不同，永磁同步电机可以分为表面贴装式、内埋式和嵌入式， 表面贴装式也就是隐极式同步电机，内埋式和嵌入式是凸极式同步电机n 5 删。表 面贴装式和嵌入式同步电机的转子直径较小，因此转动惯量小，动态性能好；内 埋式同步电机机械强度高、电驱反应强、磁路气隙小，适用于高速运行h 7 1 。由于 永磁同步电机的转子结构的不同，电机的凸极系数差别大，因而其控制方法也不 相同。 2 2 永磁同步电机数学模型 2 2 1 三相定子坐标系与两相定轴坐标系之间的坐标变换 永磁同步电机为三相对称绕组，其轴线分别定义为a 、b 、c ，且互差1 2 0 。 的空间角度，当通入三相对称电流时，就会产生一个旋转磁场。 7 第2 章永磁同步电机的数学模型及矢量控制 b 图2 2 三相定于坐标系与两相定轴坐标系 f i g 2 2t h r e e - p h a s es t a t o rc o o r d i n a t ea n dt w o - p h a s ef i x e da x i sc o o r d i n a t e 为了便于计算和分析永磁同步电机的性能，将电机的三相定子坐标系转化到 两相定轴坐标系下分析。定轴坐标系的口轴与a 轴重合，p 轴与口轴逆时针呈 9 0 。角，这样就可以将三相定子坐标系下的量转化到两相定轴坐标系下进行计算 和分析。 由线性代数的知识可知，三相定子坐标系到两相定轴坐标系的变换矩阵为： 铲信 1一三 一三 22 o 鱼一巫 22 从两相定轴坐标系到三相定子坐标系转化的逆矩阵为： 一叵 c 狮。、了 10 1压 22 1压 22 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在实际应用中，三相定子通入的是三相对称电流，因此有+ + 屯一0 ，根 据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 有： 卧 鱼o 2 1 片 万化 ( 2 3 ) 2 2 2 两相定轴坐标系与两相转轴坐标系之间的坐标变换 转轴坐标系是固定在电机的转子上，d 轴是与转子磁极的轴线重合，q 轴逆 8 基于自抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究 时针超前于d 轴9 0 。，此坐标系是与转子一起旋转，故称为旋转坐标系。定轴 坐标系到旋转坐标系的变换如图所示： q 形d 。 图2 3a ，b 坐标系到d 、q 坐标系的转换 f i g 2 3t h et r a n s f o r m a t i o nf r o ma ，bc o o r d i n a t i o nt od 、qc o o r d i n a t i o n 图中，一是俩坐标系之间的夹角；屯、i p 、分别为电流矢量在口、卢、 d 、q 轴的坐标分量。则电流矢量t 从固定轴到旋转轴的变换矩阵为： ， f c o s 0 由l s i n0 l 即： 豇n 0 1 ( 2 4 ) c o s 0l j 乏】2 。一c s o ；s n 0 口。s i n s 0 口 乏】 c 2 5 ， d 、q 轴坐标系到口、卢轴坐标系的变换矩阵为： 脚2 瞄= 】 汜6 ， 由式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 可知，d q 轴到a b c 轴的电压转换关系为： m 压 h 。、亏 【“cj c o s 0 s i n 0 1 2 c o s ( o - 1 2 0 。) - s i n ( 0 - 1 2 0 。) 1 2- c o s ( o + 1 2 0 。) - s i n ( 0 + 1 2 0 。) 1 2 式中，u 、u pu c 为定子相电压的瞬时值。 综上所述，可以得到永磁同步电机的d q 轴数学模型h 町为： 电压方程： 9 m ”u q 2 7 第2 章永磁同步电机的数学模型及矢量控制 2 l i d + h i d + p w i q u q = l i q + r i q + p 试d + p w q 6 r ( 2 8 ) 磁链方程： 办= 弛+ 办 ( 2 9 ) 奶一 转矩方程： t 一孚( 九乞一办) ( 2 1 0 ) 运动方程： 西= 手亿一瓦一b ) ( 2 式( 2 8 ) ( 2 1 1 ) 中，u q 是定子电压在d ，q 轴的分量；，是定子电 流在d 、q 轴的分量；l 是d ，q 电感；妒，是转子永磁体磁链；r 是定子电阻；互是 电机的电磁转矩；瓦是电机的负载转矩；是转子电角速度；p 是极对数；j 是 电机的转动惯量：b 是摩擦系数。 2 3 永磁同步电机的矢量控制 2 3 1 永磁同步电机的矢量控制方法 空间矢量脉宽调制( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称s v p w m ) 控制技术是根据变流器空间电压矢量和电流矢量切换以达到控制变流器为目的 的一种新型的控制策略 4 9 1 5 0 1 最初是由同本学者针对交流电机变频驱动策略提出 的，该控制策略利用逆变器空间电压矢量的切换来获得近似圆形的旋转磁场，由 此得到较好的控制效果。不但提高了电机的动态性能，也调高了逆变器的电压利 用率，减小了电机的转矩脉动。 根据永磁同步电机的用途和应用场合的不同，矢量控制方法可以分为：屯一0 控制、恒定磁链控制、弱磁控制晦、c o s o 。1 控制、最大转矩控制及最大输出功 率控制等。 ( 1 ) 一0 控制是最常用的矢量控制方法之一，也即转子磁场定向控制。由 式( 2 1 0 ) 可以看出，永磁同步电机在运行的过程中若保持一0 ，则转矩只受 的影响，这样可以使永磁同步电机获得和直流电机近似的动态性能。本文正是采 1 0 基于自抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究 用了这种方法，在= 0 的情况下可以实现d 轴与定子绕组的完全解耦，从而简 化了电机的数学模型。转子磁场定向控制策略比较适合于小容量的永磁同步电机 的交流伺服系统控制。 ( 2 ) c o s o = 1 控制，是使电机的功率因数恒定为1 ，从而使逆变器的容量可 以得到充分的利用。但是由于转子励磁不可以调节，负载变化时，转矩绕组的磁 链无法保持恒定，导致转矩与电驱电流之间不能保持线性关系。 ( 3 ) 最大转矩控制策略，是使定子电流最小，减小电机的铜耗，有利于逆 变器的运行，从而使逆变器的损耗小。并且由于逆变器的输出电流小，因此可以 选用运行电流较小的逆变器，从而降低了系统的运行成本。 2 3 2s v p w m 控制技术 随电子技术的发展和半导体器件的出现，逆变电路的结构得高了简化，与晶 闸管类的半导体器件相比有着根本的不同，原来的相位控制技术也改为脉宽宽度 调制技术( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 。p w m 技术被广泛应用于逆变 电路中，这也确定了p w m 技术在电力电子技术中的重要地位瞄引。 通常使用的p w m 逆变器是由三个部分组成的，即直流电流、中间滤波环 节和逆变电路睛引。通常使用的直流电源都是不可控的整流电路，并且没有调压功 能；中间滤波环节则是通过采用电容或者是电感滤波；逆变电路采用常用的脉宽 调制的方法就可以将直流变成交流，同时还可以调压或调频阳1 。p w m 逆变器的 实质就是依靠脉冲宽度调制来改变输出电压，从而达到改变输出频率的目的。脉 宽调制的方法有很多，较常见的有单极性三角波调制法，双极性三角波调制法等。 三角波调制技术的目的在于生成一个可以调压调频的三相对称的正弦波电 压源，尽可能的降低输出电压的谐波分量，使输出波形尽可能的接近正弦波，也 就是说三角波调制技术是从电源的角度出发的嘲。与此不同的是，s v p w m 是从 电机的角度出发，当以三相对称正弦波为电源供电时，通过改变逆变器的开关状 态，使交流电动机产生光滑的磁链圆嘶3 。基于s v p w m 控制技术的电机调速系 统的转矩脉动小、电压利用率高，因此被广泛应用于电机的调速系统中。如图 2 4 所示，s v p w m 控制技术通过控制8 个基本的空间电压矢量( 包括6 个基本 的互成6 0 。的电压矢量和俩个零电压矢量) 使电机产生光滑的圆形磁场。 一釜! 童查垡旦垄皇垫塑鍪堂堡型垄叁量丝型 u 30 1 0 1 1 21 1 0 u 4 0 1 1 s 3 s 4 s 2 h im 。s 6 。 u 50 0 1 1 1 61 0 1 图2 4 电压空间矢量 f i g 2 4v o l t a g es p a c ev e c t o r ( 1 ) 扇区判断 通常情况下，矢量n 何的分量玎。，可以用来表示三个参考量。、：、 ，关系式如下： 1 a h 卢 ：一三( 厄。嘶) ( 2 1 2 ) ，ti 1 ( 一厄。一) 定义3 个变量a 、b 、c ，如果， o ，a _ 1 ，否则a = o ；如果： o ，b = l ， 否则b = 0 同理如果3 o ，c = l ，否则c = 0 。假设： n = 4 半c + 2 * b + 口 ( 2 1 3 ) 则n 与扇区数的对应关系如表所示： 表2 1n 与扇区数的对应关系 l n 1 2 34 5 6 s s 2 s 6 s l s 4 s 3s 5 ( 2 ) 导通时间计算 p w m 技术通过改变空间矢量对应的开关的状态得到给定的定子参考电压 矢量“一。将参考电压矢量h 阿用在a ，8 轴的分量h 。和“卢来表示，以s 1 区为例， “。、与u l 、u 2 的对应关系如图2 5 所示： 1 2 基于白抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究 u 图2 5 空间矢量的合成 f i g 2 5t h es y n t h e s i so fs p a c ev e c t o r 由图2 5 可以看出，“。表示u 1 、u 2 在a 轴的分量之和，表示u t 、u 2 在 b 轴的分量之和。在扇区s 1 中，比耐可以用u l 和u 2 两个矢量来表示，则有： 一争叭拿巧2 ( 2 1 4 ) 丁，互+ 互+ 瓦