（控制科学与工程专业论文）永磁同步电动机滑模变结构直接转矩控制的研究.pdf

il i i i iiii iii i i ii ii i i iiiii y 19 0 6 4 7 7 t h er e s e a r c ho nv a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n gm o d ef o rp 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 rd i r e c tt o r q u ec o n t r o l z h a n g p e n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r 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 f e n g i n e e r i n g l n c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ro u y a n gh o n g l i n a p r i l ，2 0 1 1 本人郑重 研究成果。除 集体已经发表 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：栅 日期：少，f 年歹月丛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：勿沥吻 日期：多护f 年歹月巧日 导师签名：册晚硝日期：幽j 年歹月蜘 水磁步l u 动机滑模变结构直接转矩控制的研究 摘要 随着科学技术的发展，永磁同步电动机越来越受到了学者的推崇。相对感应 电动机来说，永磁同步电动机具有结构紧凑、重量轻、功率密度高等优点，在机 械制造、航空航天和电力牵引等领域得到广泛的应用。近2 0 年来，随着高性能永 磁材料的问世及电力电子技术的发展，以永磁同步电动机为动力核心的驱动系统 已受到国内外的普遍重视。因此，对其控制系统的研究具有重要的理论和工程实 际意义。 本文首先介绍了永磁同步电动机驱动系统的研究现状和发展趋势；由矢量坐 标变换理论出发，推导了永磁同步电动机由o 轴电压方程、磁链方程、转矩方程和 它的数学模型，并以此为基础分析了永磁同步电机的基本控制方法。 其次研究了永磁同步电机控制系统传统的直接转矩控制原理，确定了直接转 矩控制系统中电压矢量的选择规则。仿真结果表明，传统的直接转矩控制虽然转 矩响应快，但是，转矩和定子磁链都存在很大的脉动。为了解决传统永磁同步电 机直接转矩控制中存在的磁链和转矩脉动较大的问题，本文采用了一种基于滑模 变结构控制的永磁同步电机直接转矩控制策略，把传统的直接转矩控制方法中用 到的两个滞环调节器分别用滑模控制器来代替，以期待解决转矩和定子磁链的脉 动。 文章最后给出了永磁同步电动机驱动系统详细的硬件结构电路、软件流程图 和采样的实验波形，结果表明，所提出的这种新颖的滑模变结构控制方法不仅有 效地减小传统直接转矩控制中存在的磁链和转矩脉动，而且还保持了直接转矩控 制固有的转矩快速响应的特征和对系统参数摄动、外干扰具有鲁棒性强的优点， 有效地改善了系统的动、静态运行性能。 关键词：永磁同步电动机；直接转矩控制；滞环调节器：滑模变结构控制 硕i j 学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) m o r e a n dm o r er e s p e c t e db yt h es c h o l a r s p m s mh a st h ee x c e l l e n c eo f c o m p a c ts t r u c t u r e ，l i g h tw e i g h t ，h i g hp o w e rd e n s i t yc o m p a r e dw i t h t h ei n d u c t i o nm o t o r ， e t c t h e r e f o r ep m s mi sw i d e l yu s e di nm a c h i n o f a c t u r e ，a e r o s p a c ea n de l e c t r i ct r a c t i o n i nr e c e n t2 0y e a r s ，w i t ht h ea d v e n to fh ig hp e r f o r m a n c ep e r m a n e n tm a g n e ta sw e l la s t h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s ，d r i v es y s t e mc e n t e r i n go np m s mi s m u c ha c c o u n t e do fa th o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，s t u d yo nt h ed e s i g no fc o n t r o l s y s t e mf o rp m s mh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p sf u t u r eo fp m s m d r i v es y s t e m a c c o r d i n gt ov e c t o rc o o r d i n a t ec o n v e r s i o np r i n c i p l e ，t h em o d e l so f p m s mi nt h et w o p h a s es y n c h r o n o u sr o t a r yc o o r d i n a t e ( 由0 ) a r ed e d u c e da n d o b t a i n e d ，a n dt h u st h eb a s i cc o n t r o lm e t h o do 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 r ea n a l y z e d s e c o n d l y ，t h es t u d yo 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 rc o n t r o ls y s t e mo f t h et r a d i t i o n a lp r i n c i p l eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ( d t c ) ，d e t e r m i n i n gt h ev o l t a g ev e c t o r s e l e c t i o nr u l e so fd t cs y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l t h o u g ht h ec o n v e n t i o n a l d i r e c tt o r q u ec o n t r o lh a sf a s tt o r q u er e s p o n s e ，b u tt h ef l u x a n dt o r q u er i p p l ei s r e l a t i v e l yl a r g e i no r d e r t os o l v et h et r a d i t i o n a ld i r e c tt o r q u ec o n t r o lo fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o rt h a te x i s t si nal a r g e rf l u xa n dt o r q u er i p p l ep r o b l e m ，an e w v a r i a b l es t r u c t u r es l i d i n g ( v s s ) m o d ec o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t w o h y s t e r e s i sr e g u l a t o r si nt h ec o n v e n t i o n a ld t cs y s t e mw e r e s u b s t i t u t e db yt h ef l u xa n d t o r q u ev s sc o n t r o l l e rr e s p e d t i v e l y ，l o o k i n gf o r w a r dt os o l v et h ep r o b l e mo ft o r q u ea n d s t a t o rf l u xr i p p l e a tl a s t ，t h ep a p e rg i v e sh a r d w a r ec i r c u i t s ，s o f tf l o wa n dt h ee x p e r i m e n t a lw a v eo f t h ep m s md r i v es y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e d t h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o l s c h e m es i g n i f i c a n t l yr e d u c e sf l u xa n dt o r q u er i p p l e ，p r e s e r v e sq u i c k l yd y n a m i ct o r q u e r e s p o n s em e r i t ，a n ds h o w sr o b u s tt om o t o rp a r a m e t e ru n c e r t a i n t y ，d i s t u r b a n c e ，w h i c h e f f e c t i v e l yi m p r o v e sd y n a m i ca n ds t a t i co p e r a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p m s m ；d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ；h y s t e r e s i sr e g u l a t o r s ；v a r i a b l es t r u c t u r e s l i d i n gm o d ec o n t r o l 永磁同步电动 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书1 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 永磁同步电动机的发展概况及趋势2 1 2 1 永磁同步电动机驱动系统发展概况2 1 2 2 永磁同步电动机驱动系统发展趋势一3 1 3 滑模变结构理论发展及应用情景5 1 3 1 滑模变结构理论的提出5 l - 3 2 滑模变结构理论的的发展6 1 3 3 滑模变结构理论在永磁同步电动机中的应用一7 1 4 主要研究内容8 第2 章永磁同步电动机驱动系统及直接转矩控制一9 2 1 永磁同步电动机的基本结构与类型9 2 2 空间矢量一9 2 3 永磁同步电动机的数学模型小1l 2 3 1 电压和磁链方程1 1 2 3 2 转矩方程1 2 2 4 永磁同步电动机的基本控制方式1 3 2 4 1 永磁同步电动机的丌环控制原理1 3 2 4 2 永磁同步电动机的闭环控制1 4 2 5 永磁同步电动机的直接转矩控制策略一1 5 2 5 1 永磁同步电动机直接转矩控制的基本思想1 5 2 5 2 永磁同步电动机传统的直接转矩控制系统1 6 2 6 仿真分析1 7 2 7 本章小结1 9 第3 章永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制一2 0 3 1 滑模变结构控制原理2 0 3 1 1 滑动模态定义及数学表达2 0 3 1 2 滑模变结构控制的设计目标2 l i v 3 2p m s m 伺服系统滑模变结 3 2 1 滑模变结构器的设计 3 2 2 滑模变结构控制鲁棒 3 2 3 滑模变结构控制抖动 3 3s v p w m 控制技术一 3 3 1s v p w m 调制原理 3 3 2s v p w m 的实现算法3 0 3 3 系统仿真分析3 3 3 4 本章小结一3 5 第4 章永磁同步电动机驱动系统的硬件设计3 6 4 1p m s m 驱动系统整体设计3 6 4 2p m s m 驱动系统主回路设计3 6 4 2 1 整流桥设计3 6 4 2 2i g b t 模块选择3 7 4 2 3 滤波电容及预充电电路的选择3 7 4 2 4 制动单元的选择。3 8 4 3p m s m 驱动系统控制电路设计3 8 4 3 1 控制芯片3 9 4 3 2 电流检测电路4 1 4 3 3 转子位置转速检测电路4 2 4 3 4i g b t 驱动电路4 3 4 3 5 通讯接口电路一4 4 4 5 本章小结一4 5 第5 章驱动系统的软件设计和实验结果4 6 5 1p m s m 驱动系统的软件设计4 6 5 1 1 开发环境和编程语言4 6 5 1 2 系统控制算法总体框图4 6 5 1 3 驱动系统软件流程图一4 7 5 2 实验结果分析4 8 5 3 本章小结4 9 结 论5l 参考文献5 3 致谤 5 6 附录a 攻读硕士期间发表的论文目录5 7 v 硕i ：学位 1 1 选题的背景和意义 第1 章弟覃 随着现代科学技术的不断发展，尤其在电机制造技术、电力电子技术和微型 计算机控制技术方面取得了很重大的突破和进步，永磁同步电动机驱动系统的控 制方法可以说是时时刻刻在变化、在更新、在改进。目前，在机械制造、工业机 器人、航空航天、大规模集成电路制造、和柔性制造系统等相关领域，永磁同步 电动机驱动系统都起着非常重要的作用。近些年来，随着机电一体化技术快速地 发展，永磁同步电动机驱动系统作为电力电子与电力传动控制系统的一个重要部 分，已成为了现代工业、航空航天和国防科技领域不可缺少的一部分。 从19 世纪3 0 年代中期开始，应用在交流伺服系统上的背景技术不断进步以 及需求市场的不断扩大，使得交流伺服驱动系统得到了飞速发展。在交流伺服系 统的研究中，永磁同步电动机凭借其结构紧凑、重量轻、功率密度高、转动惯量 小、转子无热及可控性高等诸多优点，逐渐取代异步电机成为交流伺服系统的主 流，因此永磁同步电动机的控制方式的研究成为各国争相研究的热点问题。目i ； 国际先进的交流伺服驱动系统具有调速范围宽、定位精度高、高转矩输出、动态 响应快等优点，由于我国有关交流伺服系统的研究起步比较晚，所以，和国际上 那些技术水平很先进的国家相比，我国仍存在着一定的差距，这样那些很关键的 控制技术和器件还是需要进口来满足工业的发展，虽然如此，我们国家也在有些 方面具有一定的优势，如制作永磁体必须要用到的稀土资源。我国是一个稀土资 源非常丰富的国度，这样就为永磁同步电动机的制造提供了一个很好的先天条件。 因此，研究高性能的永磁同步电动机驱动控制系统，具有非常重要的现实意义和 使用价值【卜4 1 。 目前，永磁同步电动机驱动系统基本上大多采用矢量控制方式和p i d 调节器 来进行控制，后来又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等控制方法；由于p i 调 节器对电机参数、转速和负载变化敏感，而且根据幅频响应理论，p i 调节器本身 具有相位滞后效应，因此，需要引入现代控制理论提高系统的鲁棒性，所以滑模 变结构控制和模糊神经等智能控制技术被很多学者提出和研究。滑模变结构控制 不仅不需要精度很高的系统数学模型，而且具有对控制系统的参数及外部扰动鲁 棒性强、响应快速和结构简单等优点，非常适合应用于永磁同步电动机驱动系统 以改善其动、静性能1 5 7 1 。 永磁步i 【 动机滑模变结构直接转奸拎制的研究 1 2 永磁同步电动机的发展概况及趋势 1 2 1 永磁同步电动机驱动系统发展概况 2 0 世纪6 0 年代，美国的d h a r r i s i o n 等学者申请用品体管换向电路代替有刷 直流电动机机械式电刷结构的专利，使得现代无刷直流电动机问世i ) j ，无刷直流电 动机的电枢绕组一般为集中绕组，绕组反电动势为方波或梯形波。2 0 世纪7 0 年代 末，由于高性能、低成本的第三代永磁材料以及大功率可控型功率器件的出现， 使方波驱动的无刷直流电动机得到迅速的发展，许多学者对无刷直流电机做了深 入的研究，取得了显著的成果。2 0 世纪3 0 年代，一些学者丌始研制采用电子换相 的无刷直流电机，为无刷直流电机的诞生提供了条件；l9 6 2 年，非常成功地采用 霍尔元件来实现无刷直流电动机的换流；1 9 8 6 年，学者h r r o l t o n 通过一篇论 文对方波无刷直流电动机系统进行了较为全面的分析介绍和总结，使得无刷直流 电机系统在理论上、驱动控制方法上已基本成熟1 8j ，从此，方波驱动的无刷直流电 动机在驱动、伺服等领域得到了广泛的应用。 无刷直流电机在原理和控制方式上基本与直流电动机系统类似，但这种电动 机的转矩存在较大的波动。为了克服这一缺点，人们在此基础上丌始在交流伺服 系统上进行了深入的研制。按交流传动伺服系统所采用电动机类型来划分，至今， 交流电机主要分异步电动机和永磁同步电动机两大类。 异步电动机以其容易制造、价格低廉，不需要太过特殊的维护，且在矢量控 制的方法下就很容易实现弱磁条件下的高速运行等优点，在很长的一段时间也受 到了人们的喜爱。虽然如此，这些优点还是很难掩饰它存在的一些缺点，比如转 子的电阻阻值随着温度的变化而发生变化、转子散热比较困难等，这样都很容易 影响磁场定向的准确性，也就影响了所建立的数学模型的准确性，从而在很大一 定程度上限制了系统控制性能的提高。在交流驱动系统发展的初期，交流异步电 动机在机床的主轴传动系统中得到了重要的应用。但是随着永磁材料性能的大幅 提高和价格的降低，各种永磁交流驱动系统逐渐成为交流驱动系统的主流。 永磁同步电机因其具有结构简单、功率高、可靠性高、精度高、低转动惯量、 易散热等优点，已经成为了高精度、高性能要求的驱动领域的一个发展趋势。随 着电力电子技术和控制方法的不断发展，永磁同步驱动系统在技术上己r 趋成熟。 至今，在永磁同步驱动系统中，应用较为普遍的永磁驱动系统主要有两种：无刷 直流电动机和永磁同步电动机。前者在上一段中已作了较为简单的介绍，般采 用方波电流驱动，而永磁同步电机一般是采用三相j 下弦波电流来驱动。由于永磁 同步电动机在性能上比无刷直流电动机优越，在更高要求的场合应用很广泛，诸 如机械制造、高精度数控机床和电力牵引等领域。所以目前国内外对永磁交流伺 服技术的研究也主要集中在永磁同步电机驱动系统上。 硕f - q ：化论文 1 2 2 永磁同步电动机驱动系统发展趋势 目前，永磁同步电动机驱动系统的研究主要围绕着电动机设计、控制器的分 析与设计、新型位置检测器件与方法和驱动系统的电磁兼容性研究等几个方面展 丌的。电动机设计方面主要集中在永磁材料的研究和使用、电动机结构的优化设 计和电动机数学模型的分析和完善。永磁材料直接影响着永磁同步电动机的性能 和制造成本，不同的领域对电动机的性能要求不同，因此可以针对不同应用场合 需要来合理选择永磁材料以降低成本实现永磁同步电动机的应用推广；随着电动 机分析设计软件的不断成熟，场路结合的设计方法可使得电动机的结构进一步优 化，在稀土永磁材料价格昂贵的情况下，合理地选择永磁体的工作点，使之在满 足电动机性能指标前提下，使所用的永磁材料最少，即电动机的成本最小或体积 最小；电动机数学模型的研究主要集中在不同结构电动机模型的建立、电动机动 态和稳态特性的分析以及电动机参数的计算和参数辨识等。通过电动机整体合理、 优化设计可以提高电动机的动、静态性能，减少转矩波动，并使成本降低。 采用变频器供电的永磁同步电动机驱动系统需要获得转子位置信息来提供功 率驱动器的开关信号，实现电动机的闭环控制。近几年新兴的无传感器位置检测 技术使永磁同步电动机驱动系统的结构更加紧凑，成本降低，但由于受到噪声以 及参数不确定性等因素的影响，位置检测的精度难以令人满意。故而如何在实际 应用中实现转子位置的精确测量也是永磁同步电动机驱动系统研究的方向之一。 控制器的研究主要包括以下两个方面： ( 1 ) 硬件实现 19 4 7 年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命；l9 5 7 年，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管( s c r ) ，标志着电力电子技术的诞生。 晶闸管式通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控 型器件，对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。由于晶闸管的关断需要 借助外部条件来实现，这就很大程度上限制了晶闸管的广泛应用。 7 0 年代后期，随着门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 和电力双极型晶体管( b j t ) 等全控型器件的迅速发展，使电力电子技 术又上升到了一个更高的台阶。在8 0 年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器件异军突起，其中g t o 和b j t 是电流控制型，而p m o s f e t 和i g b t 是电压控制型，即场控器件。i g b t 融合了m o s f e t 和b j t 的优点，它 把m o s f e t 的驱动功率小、开关速度快的优点和b j t 通态压降小、载流能力大的 优点集于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主要功率器件。 随着微电子技术的发展，各国半导体厂商不断推出电动机专用控制集成电路， 解决了电机和电子电路结合问题，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高。特 别是随着专用控制集成电路的批量生产，价格大幅度下降。d s p 在电机控制中的 水磁步i 乜动机滑模变结构直接转矩控制的研究 应用就是这种发展的代表性成果，也反映了今后发展的趋势。特别是在1 9 8 2 年美 国的德州仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ) 成功推出d s p 系列产品之后，电机驱动已可 实现全数字化。 ( 2 ) 控制理论和方法在电机驱动器中的应用 纵观永磁同步电动机控制理论的发展，先后涌现出大量的控制方法，其中具有代 表性的有：转速开环恒压频t 匕( u f = 常数) 控制、矢量控制( v c ) 、直接转矩控制 ( d t c ) 、自适应控制、滑模变结构控制( s m c ) 和智能控制等。矢量控制，又称 磁场定向控制。19 7 1 年，德国学者f b l a s c h k e 发表了第一篇有关异步电机的矢量 控制的方法，以非常详细的对比方式分析阐述了这一原理，由此丌创了交矢量控 制的先河。永磁同步电机矢量控制的基本思想史模仿直流电机的控制方式，即模 仿其磁场定向过程，这种控制策略的优点是具有精确的速度控制，良好的转矩响 应，可以获得类似于直流电机的工作特性。从此，人们看到了交流电动机同样可 以实现转矩和磁场的独立控制。然而矢量控制技术也有它的缺点，工作特性易受 电机参数的影响，与直流电机驱动比较，一系列的矢量坐标变换使控制系统变得 很复杂；还有，由于磁体位置的偏移、磁性材料的分布不均匀以及器件本身的非 线性因素和测量误差，导致电机转矩的脉动和电机铜耗的增大，使得实际的控制 效果难于达到理论分析的结果。 由于矢量控制存在着不足，1 9 8 5 年德国鲁尔大学教授d e p e n b r o c k 首次提出了 直接转矩控制的理论，接着19 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。随后，同本学者 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 矩控制具有不同于矢量控制的鲜明特点：对参数依赖性小、快速的动态响应、控 制结构简单和不需要进行旋转坐标变换，是一种瞬时转差控制方案。所以，该方 案一经提出便以其控制方法的新颖，系统结构的简单明了和很好的动静态性能受 到了大量学者的普遍关注和细心研究，并力图转为实际应用。近年来更是得到飞 速的发展，引发了交流电机控制的另一场革命。尽管直接转矩控制获得了重大的 成功，但是该项技术应用到永磁同步电机上时，存在着磁链和转矩脉动较大、系 统低速运行时难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题。针对永磁同 步电机传统的直接转矩控制中存在的这些问题，目前大多数的学者多采用的方法 如下： 1 1 改进传统直接转矩控制的开关状态表，这主要有两种方法：一种是把空间 电压矢量再细分，另一种就是增加零电压矢量来加以控制1 8 j 。 2 ) 采用电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制技术来减小转矩的脉动【lo i 。 3 ) 把多电平功率变换器应用到直接转矩控制中通关过控制电机的多个空间电 压矢量来减小定子磁链和转矩的脉动【l 引。 4 ) 基于智能控制如模糊神经控制理论的直接转矩控制【1 3 , 1 4 j 。 这四种方法都对传统直接转矩控制 他们都存在着各自的不足，方案一对转矩脉动的减小很有限；方案二由于是采用 p i 型调节器来代替转矩和磁链这两个滞环调节器，从而不仅引入了p i 调节器的共 同缺点，还没能体现直接转矩控制转矩响应快的特性；方案三使控制系统更加复 杂，并且也增加了系统的硬件成本；方案四缺点是进行在线模糊推理的计算工作 量大，难以实时控制。 综上述分析，本文将滑模变结构引入到永磁同步电机直接转矩控制中，以期 待解决上述问题。 1 3 滑模变结构理论发展及应用情景 1 3 1 滑模变结构理论的提出 目前，在电力电子技术不断快速突破和发展的条件下，各种高性能的功率器 件的不断面世，且生产成本也随着技术的发展在一直不断地降低，永磁同步电动 机驱动控制技术也很迅速地步入了全数字化的阶段。币是有了这些技术的发展， 使得很多以前在模拟量控制中比较难实现的先进控制方法得以在高性能，高精确 度的驱动系统中得以应用。 但是，随着永磁同步电机驱动系统的发展，应用到的领域是越来越大，这样 使得电动机的应用场合和环境也越来越复杂和多样化，这样对电机的要求就越来 越高，精度也越来越要求准确。基于这些原因，这就要求我们能提出更好的控制 方法，丌发出更稳定的芯片器件，是电动机的稳定性变得更好，控制精度更高。 所以，很多的学者都一直在探索出更好的理论来支持交流驱动系统的发展。 由前苏联学者e m e l y a n o v 、u t k i n 和i t k i n 等人在2 0 世纪5 0 年代末首次提出变 结构控制( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，简称v s c ) 这一概念，当时，变结构控制以 其新颖的特性，为复杂耦合的非线性系统和一些模型不确定的系统提供了一种行 之有效的方法。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。 目前，综合众多学者提出的变结构理论，变结构系统主要归纳为这样的两类 结构：第一类变结构系统是不具备滑动模态特性的系统：与此相反，第二类是具 有滑动模态特性的系统。大多数情况下学者们所指的变结构系统都指的是第二类 变结构系统，这是由于变结构系统不仅可以通过滑模函数和控制律的设计获得很 好的动态品质，同时它的控制方法简单，易于在实际中实现；还具有很强的鲁棒 性和抗干扰性等优点。所以基于滑动模态的变结构控制系统在国际上受到了广泛 重视 5 6 1 1 1 5 1 1 6 1 。 永磁i 叫步i u 动机滑模变结构直接转奸控制的研究 1 3 2 滑模变结构理论的的发展 对滑模变结构控制的研究发展到现在，主要经历了以下三个阶段： ( 1 ) 从1 9 5 5 年到1 9 7 0 年。这一阶段的研究主要是从滑模变结构控制理论的 提出逐渐到单输入的控制系统，主要是由一批前苏联学者同以继夜的精心研究， 他们的研究方向重点集中在这几个方面：滑模变结构的三要素：可达性、存在性 和稳定性的设计和证明，针对那些参数随着时的变化而变化的控制系统，给出更 好的控制律。并且都取得了一定的成绩。 ( 2 ) 从1 9 7 0 年到1 9 8 0 年，上面的一阶段主要是针对但输入的系统，这阶段 的研究已经发展到多输入多输出系统的滑模控制控制系统。在这个阶段，一般的 线性系统的滑动模念控制理论得到了更加进一步的发展，但是对这些方面的研究 主要还是存在于理论这个层面上，加上用微分结构综合出来的变结构系统在实际 中的应用很受限制，使得滑模变结构理论并没有真正应用搞工业中来。 ( 3 ) 从19 8 0 到现在，这个阶段可以说是滑模变结构控制发展的高速阶段。 这么多年来，经过一批一批学者不停的研究，滑模变结构控制无论是在理论 还是在实际的应用中都取得了很大的突破，主要在如下这两个方面得以体现：- 是对非常复杂的控制系统在理论上提出滑模控制器的设计方法；二是体现了滑模 变结构系统确实具有很好的鲁棒特性，这两分方面的成果使得滑模控制系统发生 了质的变化。在9 0 年代之后，随着控制理论、信息论以及电力电子学的发展极大 程度上促进了滑模变结构控制系统的研究和实现。滑模控制理论已经从一般线性 系统的研究基础上向很多控制系统发展，诸如复合系统、时间延迟性系统和一些 非线性系统的滑模控制的研究和设计。 前面说了变结构控制发展的三个阶段，但是变结构控制的本质就是一种比较 特殊的具有不连续性的非线性控制系统。 滑模变结构策略最大的特点就是他多针对控制的系统结构不太固定，模型也 不太确切。它之所以能对这样的系统进行控制，采用的原理就是在滑动模态的过 程中，通过反馈量取得系统当前的状态变量，然后按照所设计的控制律进行有规 律的变化，这样就可以强迫控制系统按着理论所设计好的“滑动模态”轨迹进行 运动。基于滑模变结构这样的运动特性，很多的学者又把变结构控制称为滑动模 态控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，简称s m c ) ，即滑模变结构控制。正是因为滑模变 结构控制是根据预先设计好的控制律在运动，这样对外界参数的变动就不敏感， 从而使得滑模变结构控制不仅具有响应快、物理实现简单等特点，还具有对参数 变化及外界干扰具有很好的鲁棒性等诸多优点。 基于滑模变结构控制所特有的这些优点，致使很多的学者对它很重视并且还 做出了很大的研究，使其渐渐比较成熟地应用到了永磁同步电机驱动控制系统中 来，成为了一种确实可行的控制方法，并且广泛应用于一些很复杂控制系统中。 硕- j ：学位论文 诸如模型跟踪的自适应控制问题、理想的运动跟踪问题等。随着计算机控制技术 和其它学科的发展，滑模变结构控制理论也随着同臻完善，由于其独特的设计方 法和优良的鲁棒性能，人们开始对滑模变结构控制在航空航天器件、工业机器人、 数控机床和电力系统中的应用丌展了深入的研究【1 7 , 18 】，具有非常广阔的前景。 1 3 3 滑模变结构理论在永磁同步电动机中的应用 19 7 8 年，d i z o s i m o v 等学者在一篇题名为“电机控制中的滑模使用问题”的 论文中第一次提出了如何在异步电机的控制系统中采用滑模变结构控制。从此， 便出现了很多这样的文章，大量的学者都在研究如何把这种新的控制方法应用到 异步电机中去，渐渐的也取得了很大的成绩，最后发展到应用于同步电机中来。 由于应用的领域不断的扩大，永磁同步电机驱动系统本身和其应用的环境也越来 越复杂，存在不利于系统性能提高的因素也多了，诸如：摩擦力矩、负载变化带 来的转动惯量变化、机械谐振及高频未建模动念、测量延迟和测量噪声等。这样 使得控制方法的要求也越来越高。滑模变结构控制由于其滑动模念可以进行设计， 不仅不需要精度很高的系统数学模型，而且具有对控制系统的参数及外部扰动鲁 棒性强、响应快速和结构简单等优点，在交流伺服系统中有着良好的应用前景1 2 】。 针对滑模变结构的研究最最要的就是对滑模控制器的设计，主要分为两个步 骤：第一步是切换函数的选取；第二步控制律的设计，设计好的控制律可以很好 地减小或消除滑模产生的“抖振”问题。换句话讲，第一步就要就是使设计的滑 模控制器满足可达性和存在性问题，第二步也就是解决滑动模态的稳定性和动态 品质问题。 一 随着滑模变结构控制理论的提出，就有很多的学者一直在进行这方面的研究， 在这个新颖的控制方法在永磁同步电机中得到了比较好的应用之后，国内外学者 对这中控制方法的的深入研究更是有增无减，很多学者也对滑模变结构控制在永 磁同步电机中的应用提出了许多可行性的方案。 文献【1 9 】提出了在交流驱动控制系统中如何设计滑模变结构控制器的方法，并 详细分析和证明了滑模变结构对参数扰动的不敏感性，即鲁棒性好等方面的问题。 文献【2 0 通过可变的加权因子将p i d 调节器和变结构控制器有效地结合起来，使这 两个调节器可以互相形成互补，这样不仅提高了稳态精度，还消除滑模变结构控 制器带来的“抖振 这个最大的缺点，并且还使增加了控制系统的快速性，具备 了良好的鲁棒性，很好地解决了电动机动态与稳态性能之间的矛盾。文献【2 2 1 将滑 模变结构控制与模糊神经网络进行了有效地结合，设计了一种新型位置控制器， 这样保证了永磁同步电机驱动系统的鲁棒性和具有了智能控制，在线学习的特点。 总之，永磁同步电机滑模变结构控制系统研究在在国际上掀起了一场控制方 法改进的大潮，并取得了很好的研究成果。尽管如此，滑模变结构控制仍然有很 多尚待解决的理论问题，毕竟变结构控制尚处于研究的初级阶段，在理论研究转 u 动机滑模变结构a 接转矩控制的研究 有欠缺。 机的传统直接转矩控制控制的一些固有缺陷，采用 了一种永磁同步电动机直接转矩控制的改进方案。主要致力于将滑模变结构应用 到永磁同步电动机直接转矩控制伺服系统中，从理论分析、数字仿真和系统实验 几个方面进行研究。本文的研究内容主要有以下几个方面： 第l 章绪论，阐述了选题的背景和意义，对永磁同步电动机伺服系统的发展 概况和发展趋势进行了综述，然后介绍了滑模变结构理论的发展过程和滑模变结 构理论在永磁同步电动机中的应用情况。 第2 章由矢量坐标变换理论出发，推导了永磁同步电动机砌0 轴电压方程、磁 链方程以及转矩方程，然后论文从永磁同步电机的结构和类型出发，推导了它的 数学模型，并以此为基础分析了永磁同步电动机的基本控制方法。最后研究了永磁 同步电动机控制系统的传统直接转矩控制原理，并对此进行了系统仿真和分析。 第3 章针对永磁同步电动机采用传统的直接转矩控制策略时磁链和转矩脉动 比较大、系统低速运行时难以精确控制以及因转矩脉动引起的高频噪声等问题， 提出了一种把滑模变结构控制引入到永磁同步电机直接转矩控制中的策略。首先 详细的介绍了滑模变结构控制的理论基础，然后设计滑模变结构控制器，用转矩 和磁链两个滑模控制器来替代传统直接转矩控制中的两个滞环调节器，保证了逆 变器开关频率恒定。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。通过在m a t l a b s i m u l i n k 7 1 平台上的仿真结果，验证了这种新型控制策略能极 大地减小传统直接转矩控制中存在的磁链和转矩脉动。 第4 章采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为主控芯片，自行设计了电流电压检测电路、 位置速度检测电路和i g b t 驱动电路以及其他相关的外围硬件电路，并编写相关软 件进行实验测试。 第5 章在永磁同步电动机伺服系统的实验平台上，对传统的直接转矩控制方 法和滑模变结构的直接转矩控制策略分别作了一系列的实验研究，实验结果表明， 这种新型控制策略能极大地减小传统直接转矩控制中存在的磁链和转矩脉动，实 现逆变器开关恒定，有效地抑制高频噪声；同时仍保持直接转矩控制固有的转矩 快速响应的特征和对系统参数摄动、外干扰具有鲁棒性强的优点，有效地改善了 系统的动、静态运行性能，验证了理论分析和数字仿真的正确性。 最后，对本文工作和研究成果进行了系统总结，并指出了有待改进的地方和 需要进一步丌展的工作。 硕j ：学位论文 第2 章永磁同步电动机驱动系统及直接转矩控制 永磁同步电动机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，十分精确的数学模 型是很难建立起来的，所以采用一种对数学模型要求不是很高的控制方法以提高 交流调速系统的动、静态性能，是实现高性能驱动系统的基础。本章由矢量坐标 变换理论出发，推导了永磁同步电动机砌0 轴电压方程、磁链方程和转矩方程；详 细介绍了永磁同步电机的数学模型及传统的直接转矩控制控制原理，并通过在 m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行了系统仿真。 2 1 永磁同步电动机的基本结构与类型 永磁同步电动机( 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 ( p m s m ) ) 定子绕组的 结构和一般绕线式的同步电机是相同的，均由三相绕组和铁心组成，且电枢绕组 一般都采用星形接法。p m s m 作为伺服系统的执行机构，它的转子采用的是永磁 体材料，这样以此取代了普通同步电机的励磁绕组，从而省去了滑环、电刷和励 磁线圈，这样使