（电力电子与电力传动专业论文）基于滑模变结构的同步电机svm直接转矩控制的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 和转矩滑模控制器，而对滑模控制中常存在的抖振问题，也提出了合理的解决办 法。仿真结果表明，此方法去除了前两种系统的缺陷，其磁链脉动和转矩脉动微 弱，调速稳定，响应快速，且增强了系统的自适应性和鲁棒性，是一种先进的同 步电机控制方法。 关键词：直接转矩控制；空间电压矢量p w m 调制；滑模变结构；同步电机 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t o n eo ft h et i e n di nm o d e me l e c t r i cd r i v ec o n t r o l si sd e v e l o p i n gn e wt y p e a l t e r n a t i n gc u r r e n t ( a c ) s p e e dr e g u l a t i o na n ds e r v os y s t e m w h i l ei nt h ea cs p e e d r e g u l a t i o ns y s t e m ，n om a t t e rl o wp o w e rp 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 ra n d s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , o rh i g h p o w e re x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sm o t o ra n d 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 , b o t ho ft h e ms h o wo u t s t a n d i n ga d v a n t a g e f o r i n s t a n c e ，c o m p a r e dw i t hd i r e c tc u r r e n t ( d c ) m o t o r , s y n c h r o n o u sm o t o rh a sh i g h o v e r l o a d e dc a p a c i t y , h i g he f f i c i e n c y , s m a l lv o l u m e ，l i t t l ew e i g h t ，s i m p l em a i n t e n a n c e ， g o o dr e l i a b i l i t y , e t c ；a n dc o m p a r e dw i t hi n d u c t i o nm o t o r , i th a sh i g hp o w e rf a c t o r , s m a l lc a p a c i t yo fi n v e r t e r , l o wi n e r t i a ，e t c d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e da f t e rv e c t o rc o n t r o li n r e c e n ty e a r s ，i san e wt e c h n o l o g yi nd o m a i no fa cd r i v e s d t cm e t h o dh a sm a n y m e r i t s ，i t ss t r u c t u r ei sv e r ys i m p l e ，t h ep h y s i c a lc o n c e p t si sc l e a r , t h er e s p o n s eo ft o r q u e i sr a p i d ，t h em e t h o di sl i t t l ed e p e n d e n to ni n t e r i o rp a r a m e t e r so ft h em o t o ra n de a s yt o d i g i t i z a t i o n s om o r ea n dm o r ep e o p l ep a yt h e i ra t t e n t i o nt ot h i sm e t h o d t h e r e f o r e ，a p p l y i n gd t ct e c h n o l o g yt os y n c h r o n o u sm a c h i n eh a sh u g et h e o r y v a l u ea n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t 址st h e s i st a k e sd t cm e t h o da sc e n t e rt om a k et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d s i m u l a t i o na n a l y s i s f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y n c h r o n o u sm o t o ri sa n a l y z e d i nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e ，a n dd t c p r i n c i p l ei ss t u d i e db a s e do ni ta n dt h er u l e sa b o u t c h o o s i n gv o l t a g ev e c t o ri sd e t e r m i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a ta l t h o u g h t h er o t a t i o n a ls p e e do ft r a d i t i o n a ld t c r e s p o n d sr a p i d l y , t h ef l u xl i n k a g ea n dt o r q u e p u l s a t i o na r eq u i t eh i g h s ot h et h e s i si n t r o d u c e sam e t h o do fs p a c ev o l t a g ev e c t o r p w mm o d u l a t i o n ( s v m ) t om a k et h e i m p r o v e m e n tt ot r a d i t i o n a ld t c t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h i sm e t h o dr e s p o n d sr a p i d l y a n di tc a nr e d u c et h ef l u xl i n k a g ea n dt o r q u ep u l s a t i o ne f f e c t i v e l y , b u ti t sd e s i g n p r i n c i p l ed e c i d e st h a tt h es y s t e mc a nn o tc o n t r o lp r o m p t l yt ot h ee r r o r sc a u s e db y u n c e r t a i nf a c t o ra n de x t e r n a ld i s t u r b a n c e s ot h es e l f - a d a p t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so f t h i sm e t h o da r en o ts t r o n g i i i 山东大学硕士学位论文 i na l l u s i o nt ot h ed e f e c t so ft h ef o r m e rt w od t cm e t h o d ，t h et h e s i sp r o p o s e s s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lm e t h o df o r t h ef l u xl i n k a g ea n dt o r q u e ，w h i c h i si n t r o d u c e dt os v md t c s y s t e mo fs y n c h r o n o u sm a c h i n e s l i d i n gm o d ev a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o li so n eo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yo fv a r i a b l es t r u c t u r e s y s t e m t h e f u n d a m e n t a ld i f f e r e n c eb e t w e e nt h i sm e t h o da n do t h e r si st h ed i s c o n t i n u i t yi nc o n t r o l ， n a m e l yas w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i cw h i c hc a u s e st h es y s t e m s t r u c t u r e t oc h a n g e w i t ht i m e a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o no f o p e r a t i o np a r a m e t e r s ，t h e c o n t r o l l e d q u a n t i t i e so ft h es y s t e ma r ef o r c e dt om o v ea tt h es l i d i n gs u r f a c es = 0 ，w h i l et h i s s l i d i n gm o d ec a nb ed e s i g h e da n di ti si n d e p e n d e n to fs y s t e mp a r a m e t e r sa n d d i s t u r b a n c e s ot h es y s t e mu n d e r s l i d i n gm o d eh a sg o o dr o b u s t n e s st h a tc a nm a k et h e a c t u a lf l u xl i n k a g ea n dt o r q u et r a c kt ot h eg i v e nf l u xl i n k a g ea n d t o r q u eb e t t e r u s i n gt h ee q u a t i o n so fs y n c h r o n o u sm o t o rm o d e la n dt h ep r i n c i p l eo fs l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，t h et h e s i sd e s i g n sas l i d i n gm o d ec o n t r o l l e ro ft h e f l u xl i n k a g ea n dt o r q u eo fs y n c h r o n o u sm a c h i n e ，a n dp r o p o s e sar e a s o n a b l es o l u t i o n t ot h ec h a t t e r i n gp r o b l e mi ns l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t t h i sm e t h o dh a sr e m o v e dt h ef l a w so ft h ef o r m e rt w o s y s t e m ，i th a sw e a kf l u xl i n k a g e a n dt o r q u ep u l s a t i o n ，s t a b l es p e e dr e g u l a t i o n ，r a p i dr e s p o n s e ，s t r o n gs e l f - a d a p t a b i l i t y a n dr o b u s t n e s s s oi ti sa na d v a n c e dc o n t r o lm e t h o do fs y n c h r o n o u sm o t o r k e yw o r d s ：d i r e c tt o r q u ec o n t o l ；s p a c ev o l t a g ev e c t o rp w mm o d u l a t i o n ；s l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r e ；s y n c h r o n o u sm a c h i n e i v 山东大学硕士学位论文 p 感应电动势 f 磁动势 厂频率 ，电流 f 电流瞬时值 ，转动惯量 三自感 厶漏感 m 互感 n 同步转速 p 电机极对数 r 电阻 丁转矩 ，时间 u 电压 “电压瞬时值 国转速 够功率因数角 口扇区信号角 y 两矢量电压作用角度 磁链 符号说明 误差符号 下标 a i b c 三相静止坐标系 口两相静止坐标系 d l q 两相旋转坐标系 厂励磁 ，- 转子 j 定子 上标 丁求转置 木参考量 算术运算符号 _ d 微分运算 西 。 a 求偏导 一1 积分运算 一一_ * r r l 目 积分运算符 i 求绝对值 s i g n 符号函数 v 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：型塑日期：矽黟：f - 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二塑堕l 导师签名：缝垄：i 圣日期：丝墨：乏于 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 9 8 0 年，美国西屋电气公司利用尼古拉特斯拉的专利研制出第一台交流 同步电机【l 】。此后的1 0 0 多年，交流同步电机以其效率高、功率因数高且可以调 节等优点，在工业生产机械传动中得到了广泛应用。 同步电机的转速是由定子电流频率和电机极对数决定的，同步电机在电网固 定频率供电条件下做恒速运行，同步电机的转子将以定子旋转磁场的转速同步旋 转，故称为同步电机【2 1 。 1 1 研究同步电机的意义 随着科学技术的发展和生产工艺技术的进步，越来越多的电气传动采用调速 技术。直流电机调速性能好且方便，因而在传统调速中一直占统治地位，但是由 于直流电机存在换向器、电刷、升高片等部件，使其在单机大容量、高过载能力、 低转动惯量以及维护简单等方面受到了限制，已不能满足生产机械高性能、大型 化的发展。随着电力电子学、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，在大功 率调速传动领域出现了交流传动取代直流传动的趋势。 交流传动分为同步电机传动和异步电机传动。交流电机的转速控制大多是通 过变化频率来实现的。同步电机与异步电机变频调速系统相比，功率因数高、变 频器容量小、电机效率高且转动惯量小，因此在一般机械传动和大功率传动中， 同步电机调速优势明显。 1 1 1 同步电机与直流电机调速的比较 交流同步电机与直流电机相比，具有很多优点【1 】，如表1 1 所示。 表1 1 同步电机与直流电机的技术性能比较 参数 直流电机同步电机 电机电压1 2 0 0 v6 0 0 0 v 功率因数0 71 o 变换器效率 0 9 80 9 7 调速范围 0 1 1 0 0 0 1 0 0 调速精度 士o 0 1 士o 0 1 速度影响 15 - 一3 0 r a d s 4 0 - - 1 0 0 r a d s 山东大学硕士学位论文 1 ) 单机容量不受限制 直流电机由于换向器的换向能力限制了电机的容量和速度，单机容量i o m w 已达到极值。而同步电机可以充分利用电力电子器件的能力来提高供电电压，采 用先进的冷却方式，其单机容量可以做到5 6 m w 。 2 ) 体积小、重量轻、占地面积小 直流电机不仅单机体积大，而且为了减少转动惯量，常常采用双电驱或三电 驱串联方式，占地面积很大。而同步电机由于结构简单、坚固，因此可与机械合 为一体形成机电一体化，大大简化了机械结构，减少了体积和重量，提高了系统 的可靠性。 3 ) 转动惯量小 直流电机由于其大体积大重量的构造，使其转动惯量较同容量的同步电机大 4 - - , 5 倍。 4 1 动态响应好 同步电机转动惯量大大减小，并且没有换向火花对过载能力的限制，电机可 以具有更大的动态加速电流。因此，同步电机较直流电机有更好的动态响应特性。 5 ) 维护简单化 交流电机无需换向器，体积小、重量轻，维护工作量大大减少。 6 ) 节约能源 同步电机功率因数可调，能达到1 ，所以其效率比直流电机高2 3 。 1 1 2 同步电机与异步电机调速的比较 同步电机与异步电机各有其特点，近2 0 年来，世界各国电气公司和学术界 对采用同步电机还是异步电机争论不休。但进入2 0 世纪9 0 年代，对于大容量交 流电机调速和控制精度高的场合，世界各国已趋向于采用同步电机。表1 2 列出 了同额定功率、同转速下的同步电机与异步电机有关数据的比较1 1 。 山东大学硕士学位论文 表1 2 同步电机与异步电机的技术性能比较 参数异步电机同步电机 额定功率6 0 0 0 k w6 0 0 0 k w 转速1 2 0 r 1 2 0 r 电机功率因数 0 8 91 o 效率，7 0 9 3 90 9 5 5 电网输入功率因数c o s 妒 0 6 7o 8 5 相对变频器容量 1 3 7 1 0 0 相对转动惯量 1 3 4 i o c l 相对定子重量 1 1 6 1 0 0 相对转子重量 1 0 9 1o o 磁通变化时间3 0 5 m s0 3 5 5 m s 1 ) 功率因数、效率、电网输入功率因数高 异步电机的激磁功率必须通过定子侧获得，因此，定子电流始终是滞后的， 其功率因数一般在o 8 左右。为了改善异步电机的功率因数，可以降低电机的磁 通密度，但受到了电机的材料设计限制；另一种提高电机功率因数的方法是降低 漏抗，但这样又增加了电流的谐波，因而又会进一步恶化功率因数。显然，异步 电机功率因数低是一个很难克服的缺陷。而同步电机由于独立的转子激磁调节控 制，可使其定子功率因数保持为l ，即c o s 够= 1 。这样，由于同步电机的结构特 性和控制特性，其功率因数、效率和电网输入功率因数都比异步电机的高。 2 ) 变频器容量小 异步电机的激磁能量是从定子侧供给的，异步电机的功率因数低于同步电 机，视在功率高于同步电机，故异步电机调速的变频器容量要比同步电机大3 0 。 3 ) 电机尺寸和转动惯量小 异步电机为了提高功率因数，尽可能要将电机气隙减少，但减少气隙要求电 机制造工艺具有更高的加工精度，而细长结构的绕度也限制了气隙的减少，使异 步电机的设计和制作更加困难。所以异步电机常常设计成较大的定子和转子铁心 直径，电机结构短粗。而同步电机激磁从转子提供，其气隙可以较大，制造相对 山东大学硕士学位论文 容易，同步电机可以设计成细长结构，且长度和直径之比可以优化设计。这样相 同容量的同步电机与异步电机相比，其体积d 2 、相对定子重量、相对转子重量、 相对转动惯量都要比异步电机小得多。 4 ) 控制精度 异步电机的磁场控制系统中，磁通控制取决于转子电阻参数，而该电阻随温 度变化。为了消除这一影响，必须进行转子参数辨识控制。而同步电机激磁电流 是单独控制的，电机磁通不随温度变化，且磁通变化时间比异步电机短很多，故 转矩控制精度高、响应快。 1 1 3 永磁同步电机的发展 永磁同步电机运行原理与普通电激磁同步电机相同，但它以永磁体激磁代替 磁绕组激磁，使电机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时还省去了容易 出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无需激磁电流，没有激 磁损耗，而且提高了电机的效率、功率密度和可靠性，所以被誉为同步电机之中 的王牌。 永磁同步电机可分为凸极式永磁同步电机和隐极式永磁同步电机，前者的转 子磁极是凸起在轴上，定子和转子之间的气隙是不均匀的，后者的转子磁极是内 置在轴内的，气隙均匀i s 。 永磁同步电机出现于2 0 世纪5 0 年代。早期对永磁同步电机的研究主要是针 对固定频率供电的永磁同步电机，特别是稳态特性和直接启动性能的研究。在工 频供电的条件下，永磁同步电机没有自启动的能力，一般通过在转子上安装阻尼 绕组来产生异步启动转矩将电机加速到接近同步转速，然后由永磁体产生的磁阻 转矩和同步转矩将电机牵入同步。 2 0 世纪7 0 年代，随着电力电子技术和微型计算机的发展，永磁同步电机开 始应用于交流变频调速系统。逆变器供电的永磁同步电机与直接启动的永磁同步 电机结构上基本相同，但不加绕组。因为阻尼绕组的安装不仅增加了电机制造的 复杂性，而且阻尼绕组还产生热量，使永磁材料温度上升，产生损耗，降低电机 效率，增大转动惯量。 2 0 世纪8 0 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性进展，特别是剩磁高、 矫顽力大且价格低廉的第三代新型永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的出现，极大的促进 4 山东大学硕士学位论文 了永磁同步电机调速的发展。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结 构。设计方法、制造工艺等方面的改革，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞 越，从而成为交流调速领域中的一个重要分支。 2 0 世纪9 0 年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件 的进一步发展和改进，再加上永磁同步电机研究和开发经验的逐步成熟，目前稀 土永磁同步电机正向大功率( 超高速、大转矩) 、高性能化、微型化和智能化方向 发展，必将广泛应用于各种工业领域。 1 2 同步电机变频调速的原理f 4 1 同步电机三相对称的定子绕组通入三相对称电流会在气隙内产生一旋转磁 场，旋转磁场的同步转速为： ：盟 ( 1 1 ) 。p 同步电机转子的绕组通入直流电，在转子内产生一恒定磁场，此时，转子可 以看成一块磁铁。由电机统一理论可知，两磁场在电机稳态运行时，必须保持相 对静止才能产生稳定的电磁转矩，驱动电机以同步转速旋转。由( 卜1 ) 式可知， 改变同步电动机转速的主要方法是改变供电电源的频率，即变频调速。从控制方 式上可将同步电动机的变频调速分成两种，一种为他控式变频调速，一种为自控 式变频调速。 1 2 1 他控式变频调速 他控式变频调速系统采用的变频装置是独立的，变频装置的输出频率是由速 度给定信号决定的，这种系统一般为开环控制系统。图1 1 所示的是转速开环恒 压频比控制的同步电机变频调速系统。但是这种系统存在明显的缺点，主要是转 子的振荡和失步问题难以解决。 山东大学硕士学位论文 图1 1 恒压频比他控式变频调速系统 1 2 2 自控式变频调速 自控式同步电机变频调速系统所采用的变频装置是非独立的，变频装置的输 出频率是由电机轴上所带的位置检测器控制的，组成电源频率自动跟踪转子位置 的闭环系统。与他控式变频调速相比，最大的优势是从根本上消除了同步电机转 子振荡和失步的问题。自控式同步电机变频调速系统主要由同步电机、变频器、 转子位置传感器和控制单元组成，如图1 2 所示。 图i - 2 自控式同步电机变频调速系统 控制单元的主要作用是把来自转子位置传感器的信号进行分析，判明转子的 确切位置和转速后，按一定的控制策略产生控制信号，控制变频器输出三相电流 ( 电压) 的频率、幅值和相位大小，达到对转子转速控制的目的。 6 山东大学硕士学位论文 由于自控式变频调速有着他控式变频调速不能比拟的优势，所以，目前在可 靠性和调速性能要求较高的调速场合几乎全部都用自控式变频调速。至于自控式 变频调速中转子位置传感器的安装造成的成本升高，维护工作量提高的影响，目 前有多种无传感器方案，也是今后调速领域的研究热点。 1 3 直接转矩控制技术1 5 1 1 6 l | 7 1 11 1 8 】 h a s s e 于1 9 6 9 年，b l a s c h k e 于1 9 7 2 年分别提出了交流电机磁场定向矢量控 制技术的概念。从交流电机理论出发，仿效直流电机的转矩控制理论原理，把交 流电机通过坐标变换控制等效为直流电机，产生出交流电机磁场定向控制原理， 引起交流电机控制的一场革命。磁场定向控制系统的特点是通过坐标变换，把交 流电机在按磁场定向的同步旋转坐标系上等效成直流电机，从而模仿直流电机进 行控制，使交流电机调速达到并超过传统直流电机的调速性能。 然而矢量控制技术也并非完美，系统特性受电机参数影响，以及在模拟直流 电机控制过程中，矢量坐标变换的复杂性都使得实际的控制效果难以达到理论分 析的结果，而且在同步电机普遍采用的矢量控制中，转矩处于开环状态。由于磁 体位置的偏移，磁性材料的分布不均匀，电流传感器非线性化，电流调节器的局 限以及非优化的参考电流等因素，导致电机转矩的脉动和电机铜耗的增大，使得 矢量控制并不能实现转矩的直接控制。矢量控制技术在转矩控制、弱磁控制和无 位置传感器技术方面都存在由于本身控制思想带来的实现上的复杂性。 1 9 8 5 年德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出了不同于坐标变换磁场定向 矢量控制的另一种交流电机调速控制原理直接转矩控制。随后，日本学者 i t a k a h a s h i 也提出了类似的控制方案，引起了学术界极大的兴趣和关注。 直接转矩控制具有不同于磁场定向控制的鲜明特点，不需要进行旋转坐标变 换，是一种瞬时转差控制方案，对参数的依赖小，控制结构简单，在静止坐标系 上控制转矩和磁链，采用砰砰控制以获得快速的转矩响应。因此一经提出就以 自己新颖的控制思想，简明的系统结构，优良的动静态性能受到普遍关注并被大 量研究，近年来更是得到快速的发展，引发了交流电机控制的另一场革命。 1 9 5 5 年，瑞士a b b 公司将直接转矩控制技术应用到通用变频器上，推出采 用直接转矩控制技术的i g b t 脉宽调制变频器，随后又将直接转矩控制技术应用 于i g c t 三电平高压变频器，并应用于大型轧钢、船舶推进中。日本研制成功的 7 山东大学硕士学位论文 1 5 k w 直接转矩控制变频调速装置，其转矩响应频率高达2 k h z ，使电机从 + 5 0 0 一5 0 0 转分的反转时间只有4 m s 。在电气传动领域中，这几项指标均居目 前世界最高纪录。当前，德国、日本、美国等国家都在竞相发展该项技术，向工 业生产推出全数字化最优直接转矩控制的异步电机变频调速装置。 尽管直接转矩控制在异步电机上获得了如此重大的成功，但是该项技术应用 到同步电机却有很大的困难，主要是因为同步电机和异步电机运行的机理不同。 异步电机直接转矩控制是建立在对电机转差角频率控制的理论基础上的，而同步 电机中从宏观上来讲不存在异步电机拥有的转差角频率。因此，直接转矩控制技 术应用于同步电机中首先需要解决其控制的理论问题。论文将分析怎样解决这些 问题和如何改进。 1 4 滑模变结构控制技术【9 1 f 1 1 1 0 1 | 1 1 1 1 12 i 变结构控制是前苏联学者e m e l y a n o v 、u t k i n 和i t k i n 在2 0 世纪6 0 年代初提 出的一种设计方法。当初研究的主要是二阶和单输入高阶系统，并用相平面法来 分析系统的特性。所谓变结构是指在系统的工作过程中，根据运行参数的变化使 系统环节之间的联接方式发生变化，或者使某些信号的极性发生变化。变结构控 制是一类特殊的非线性控制，在动态控制过程中，系统的控制器结构可以根据系 统当时的状态偏差及其各阶导数值，以跳变方式有目的的按设定规律作相应变 化，从而获得所期望的系统运行轨迹。 进入7 0 年代，学者们则开始研究状态空间线性系统，使得变结构控制系统 设计思想得到了不断丰富，至今为止已经提出了多种的变结构方法，但其中只有 带滑动模态的变结构控制被认为最有发展前途。 滑模变结构控制是变结构控制系统的一种控制策略。这种控制与常规控制的 根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构随时变化的开关特性。该 控制系统可以迫使系统在一定条件下沿规定状态轨迹做小幅度、高频率的上下运 动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数与扰动无关。这样，处于滑模 运动的系统就具有很好的鲁棒性。滑模变结构控制可以用于多种线性及非线性系 统，构成滑模变结构控制系统。 然而，滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性将会引起系统的一种“抖 振”问题，这对连续系统的光滑控制而言是不允许出现的。滑模变结构的机理决 山东大学硕士学位论文 定其输出必然存在抖动，但是完全消除抖动也就消除了这种控制策略的抗摄动、 抗外界干扰的鲁棒性。因此，对于滑模变结构控制中出现的抖动现象，正确的处 理方法应该是削弱或抑制。 滑模变结构控制虽然存在不足之处，但是它的强鲁棒性和快速性却有着极强 的诱惑性。因此，滑模变结构控制在工业领域中得到了广泛的研究和应用，并取 得了许多有意义的成果。 1 5 本文的主要研究内容 本文旨在研究同步电机控制系统性能提高的问题，把鲁棒性能好的滑模变结 构控制理论应用于同步电机直接转矩控制系统之中，使同步电机具有快速的转矩 响应，良好的稳定性、鲁棒性和自适应性。 第1 章绪论，讲述同步电机较直流电机和异步电机的优势，简单介绍永磁同 步电机较其他同步电机的优势，分析同步电机变频调速的原理，并回顾了直接转 矩控制的发展和滑模变结构控制技术的发展。 第2 章同步电机的数学模型，介绍其基本数学模型公式，推导三相静态a b c 坐标系、两相静态口一坐标系、转子旋转d q 坐标系之间的变换公式，介绍在 口一坐标系下的数学模型，d q 坐标系下的数学模型及其等效电路，并分析了 同步电机稳态运行时的空间矢量图。 第3 章同步电机直接转矩控制，介绍同步电机直接转矩控制的特点和原理， 推导出同步电机直接转矩控制的数学模型，对传统的直接转矩控制系统进行了模 型分析，给出了仿真结果并对结果进行了分析。 第4 章基于空间电压矢量p w m 的同步电机直接转矩控制，针对传统直接转 矩控制中存在的转矩和磁链脉动问题，提出基于空间电压矢量p w m 调制技术的 方法，分析它的模型并给出仿真结果，证明了此调制方法的优越性。 第5 章基于滑模变结构的同步电机s v m 直接转矩控制，介绍滑模变结构控 制理论的发展、特点及原理，针对空间电压矢量p w m 直接转矩控制的缺点，提 出基于滑模控制理论的定子磁链观测器和转矩观测器模型，分析了其稳定性和鲁 棒性，给出的仿真结果表明此方法具有更好的调速性能。 第6 章总结与展望，对全文做出总结，指出本课题需要进一步研究的方向。 9 山东大学硕士学位论文 第2 章同步电机的数学模型 交流同步电机有凸极式和隐极式之分。本章以三相凸极同步电机为研究对 象，建立对同步电机的数学模型。隐极同步电机气隙均匀，即厶= 厶，可看作 是凸极同步电机的特例。 2 1 交流同步电机的基本数学公式1 1 1 电磁方程 根据电磁感应定律，可以写出同步电机的磁链方程为 【甲l 肥= 三 a 占( ， 爿肥 ( 2 1 ) 式中， ， 爿b c = 如i cf ，i d q 】7 ； 一】4 掰= 【纨纷】1 ； 三 4 b ( 1 = l a ama bma cm 暂ma dm a q m b al b 8mb c m b f m b d m b q m c am c bl c cm c fm c dm c o m 飙m f bmfl f m f d m f q m d amd bm 蔸mwl ) dm 的 m 泓mq bm 西mq m q dl q q 电感矩阵 三 4 b c 中，l a a 、l b 疗、厶、0 、l d a 、l q q 分别为各绕组的自感； m 胛= m m ，为x 、】，两个绕组之间的互感，x 、】厂可分别代表彳、b 、c 、d 、 q 各绕组。 电压方程 u 一时= r 】爿口c ， 4 占c + 烈甲 爿b c = 【r 爿艇【j 4 盯+ p 【l 】爿盯 j 】一口c ( 2 2 ) 式中， u 4 盯= 帆“，0o 7 ； r j 4 b c = d i a g r , 足足br d dr d g 】 l o 山东大学硕士学位论文 b 为定子绕组电阻，r ，为转子励磁绕组电阻，r 蹦为纵轴阻尼绕组电阻， 为横轴阻尼绕组电阻；p = 磊d 为微分算子。 转矩方程 根据机电能量转化公式，同步电机转矩方程为 m = j 1 似t b c 警脚 ( 2 - 3 ) 将上式中某些量替换，电磁转矩公式可以写成 心7 1 脚掣刚w 玎掣。 也嘲r 掣吲玎百o l s o k ( 2 _ 4 ) 其中，第一项是凸极效应产生的反应转矩，如果是隐极机，孕：o ，该项 变为零；第二项是电子电流和激磁电流产生的同步转矩；第三、四项是定子电流 和阻尼电流产生的阻尼转矩。 以上公式构成同步电机自然坐标轴系下的数学模型。可以看出，该模型为线 性时变方程，十分复杂。因此，必须寻求简化方法。 运动方程 丝一蚝丢q ( 2 _ 5 ) 其中，m 。为负载转矩；j 为转动惯量；q 为转子转速。 2 2 坐标变换i i l 【1 3 1 1 1 4 l l l 5 1 1 1 6 l 在交流电机三相对称的静止绕组a ，b ，c 中，通以三相平衡的正弦电流乞、 之时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势f ，它在空间呈正弦分布，并以同步速吐 顺着a b c 相序旋转，其物理模型示于图2 1 ( a ) 中。 然而产生旋转磁动势并不一定非要三相不可，除了单相以外，二相、三相、 四相等任意多相对称绕组，通以多相平衡电流都能产生旋转磁通势，当然两相最 为简单。图2 1 ( b ) 绘出了两相静i 匕绕组口一届坐标系，它们在空间互差9 0 0 ，通以 山东大学硕士学位论文 时间上互差9 0 。的两相平衡交流电流时，也产生旋转磁动势f 。当图2 1 ( a ) 和( b ) 的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图2 1 ( b ) 的两相绕组与图2 1 ( a ) 的三相绕组等效。 b c ( a ) a - b c 坐标系 r j 三x l憋。 fi 。l 7a q f ( b ) 口一坐标系 ( c ) d q 坐标系 图2 1 坐标变换示意图 d 图2 - 1 ( c ) 是两个匝数相等且互相垂直的绕组d 和g ，分别通以直流电流厶和 l ，产生合成磁动势f ，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个绕 组在内的整个铁心以同步转速纯旋转，则磁动势f 自然也随之旋转起来，成为 旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图2 1 ( a ) 和图2 1 ( b ) 中的 磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效 了。当观察者也站在铁心上与绕组一起旋转时，在他看来，d 和4 就是两个通以 直流电而相互垂直的静止绕组，如果控制磁通的位置在d 轴上，就和直流电机 物理模型没有本质上的区别了。这时，绕组d 相当于励磁绕组，g 相当于伪静止 的电枢绕组。 由此可见，如果以产生通用的旋转磁动势为准则，那么图2 1 ( a ) 的三相交流 绕组，图2 1 ( b ) 的两相交流绕组和图2 1 ( c ) 中的整体旋转直流绕组彼此等效。或者 说，在三相坐标系下的i o 、乇、f c ，在两相坐标系下的乞、和在旋转坐标系下 的直流电流、乞是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。这样，通过坐标变 换就可以找到与三相交流绕组等效的直流电机模型。在一个坐标系中看，就是图 2 2 所示。 1 2 山东大学硕士学位论文 ) 图2 2 三种坐标系的相对分布图 现在的问题是，如何求出、之，乞、绉和0 、之间准确的等效关系， 这就是坐标变换的任务。 2 2 1 坐标变换和矢量变换 同步电动机的矢量变换控制，首先需要把a b c 三相定子静止坐标系的交流 量变换成口一两相静止坐标系的交流量，然后再变换成为以转子磁场定向的 d q 直角旋转坐标系的直流量，即必须进行坐标变换和矢量变换。由于矢量变 换控制系统中，最后必须将直流量还原为交流量以控制同步电机，因此这些运算 功能的变换是可逆的。 2 2 2c l a r k e 变换$ f l c l a r k e 反变换 c 图2 - 33 2 变换和2 3 变换示意图 三相静止坐标系a - b c 和两相静止坐标系口一之间的变换，称为c l a r k e 变换 和c l a r k e 反变换，也叫3 2 变换和2 3 变换，其示意图如图2 - 3 所示。该变换服从于 功率不变的约束条件，则可推导出c l a r k e 变换及其逆变换方程式如下 山东大学硕士学位论文 阡 阡 店。 11 压2 厍 o 、3 。 11 瓜扼 考虑零序分量，其它方程可用下式表达 小肠心目 肛 j ； ， 2 lc l 瞅2 = j l 一1 1 22 o 鱼一笪 22 1 11 2， 1 1 2 1 2 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 这样，结合2 1 节三相静止坐标系a b c 中的方程式，就可以建立了静止的 口一坐标系下的所有方程。 2 2 3p a r k 变换$ 1 ：l p a r k 反变换 g 掰j 图2 42 s 2 r 变换示意图 交流电机两相静止直角坐标系口一和两相旋转直角坐标系d q 之间的变 换称为p a r k 变换和p a r k 反变换，简称2 s 2 r 变换和1 2 r 2 s 变换，其示意图如图2 4 所 1 4 o鱼2笪2 山东大学硕士学位论文 示。两相交流电流乞、彩和旋转坐标系下的直流电流岛、f g 产生同样的以同步转 毛= 一乞s i n o , + 绉c o s o , ( 2 1 2 ) 委 = 7 k 膻 委 z 脯= 二三虽：c s i 。n 三o e 7 ； c 2 一3 ， 委 = z ：袅 奏 z ；k = l f c s ；o 三s p o r - c s 。i 三n 只o ； c2 一4 ， 2 3 d g 坐标系下和口一坐标系下同步电机的数学模型【1 3 1 1 1 4 1 1 1 7 i 甲】由= 】由【j 】由 ( 2 1 5 ) 磁链矩阵 甲】由= 盼】t ； 电流矩阵 ，k = i , qf ，i d di v q t ； 山东大学硕士学位论文 电感系数矩阵 三 由= l d 0l 积l 积0 0 l q 00 l 明 k 0 l fl 口d 0 l 碰0l 砸l 既d 0 0 l 。q 00 l d q 在电感矩阵中，厶= k + l 为纵轴同步电感系数；厶= k + 厶为横轴同步 电感系数；= k + 为纵轴阻尼绕组电感系数；l 脚= k + ，为横轴阻尼 绕组电感系数；0 = k + b 为激磁绕组电感系数；k = 3 2 l , d 为纵轴电枢反 应电感系数；k = 3 2 l 朋。为横轴电枢反应电感系数；岛= 匕，+ 鸠为定子绕组 漏感系数；b 为激磁绕组漏感系数；厶甜为纵轴绕组漏感系数；为横轴阻尼 绕组漏感系数。 电压方程 “】由= 月 由 ， 由+ p 甲 由+ q d 甲】砌 ( 2 1 6 ) 式中， 电压矩阵 甜 由= 吁0o t ； 电阻矩阵 r 由= 坊昭 愿足够r 删 ； 磁链系数矩阵 d 】_ ol 1 o 00 o0 o0 以为转子转速。 电磁转矩方程 m = 要 砭 g 】 ， 由 式中， g 】= d i l l 幽 且式( 2 1 7 ) 也可以写成 1 6 o 0 0 o 0 0 0 o o o 0 o o 0 0 ( 2 - 1 7 ) 山东大学硕士学位论文