高速永磁同步电机智能控制技术的仿真

第２８卷第８期计算机仿真２０１１年８月

文章编号：１００６—９３４８（２０１Ｉ）０８～０１７０—０３

高速永磁同步电机智能控制技术的仿真

史延东，刘海清，宁飞，李靖（西北工业大学自动化学院。陕西西安７１０１２９）摘要：电机在高速运行的情况下，电机在调速过程中会出现超调及转速波动大等现象，特性与常规电机有很大的不同。针对系统稳定特性和实时响应特性应有较好的控制，传统的电机用的是ＰＩ控制，往往无法满足高性能控制的要求，为了克服了传统ＰＩ控制的一些缺点，并优化高速电机的性能，以高速永磁同步电机为研究对象，提出了采用滑模变结构控制和白适应模糊控制相结合的控制策略对高速电机的调速系统进行设计。方法结构简单。具有快速的动态响应和较高稳态精度。通过仿真试验，系统对负载和转动惯量的变化具有很强的鲁棒性，比传统的ＰＩ控制超调小，改善了稳定运行的性能，为设计提供了依据。关键词：高速电机；滑模变结构；矢最控制；模糊控制中圈分类号：ＴＰ２７３．４文献标识码：Ａ

ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎ

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ＳＨＩＹａｎ—ｄｏｎｇ，ＵＵＨａｉ—ｑｉｎｇ，ＮＩＮＧＦｅｉ，ＬＩＪｉｎｇ

（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎＳｈａｎｘｉ７１０１２９，Ｃｈｉｎａ）

ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｍｏｔｏｒｓａ弛ｑｕｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｍｏｎｍｏｔｏｒｗｈｅｎｔｈｅｓｐｅｅｄｉｓｖｅｒｙｈｉｓｈ．

ＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｏｔｏｒ．Ｔｈｅａｄｊｕｓｔａｂｌｅｓｐｅｅｄｏｆｍｏｔｏｒｍｉｇｈｔｈａｓｔｈｅｄｉｓａｄｖａｎｔａ－

ｇｅｓｏｆｏｖｅｒ—ｓｈｏｏｔ，ｕｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＳＯｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｎｏｔｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｏｆｈＪｉｓｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ＴｏｏｖｅｒｃｏｍｅＳｏｍｅｄｅ－ｆｅｃｔｓｏｆＰＩｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｍｏｔｏｒｓ，ｔａｋｉｎｇｔｈｅｈｉｓｈｓｐｅｅｄｐｅｒｍａｎｅｎｔ

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１引言国外对高速电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而国内对高速电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。由于高速电机的高功率默读和高速，高频运行的特点，涉计到电力电子、电磁、计算机控制等多学科的前沿技术，因此随着军工和民用对高速电机的需求增加，高速电机已成为国内外研究的热点之一【ｌ】。模糊控制在近年来研究非常热，并在航空，航天，电力等收稿口期：２０１０一傩一１４修回日期：２０１０一０８－２３·－——１７０·－－——高科技领域获得广泛的应用，其最大特点是不依赖被控对象的精确数学模型，却能克服非线性因素影响，并且具有很强的鲁棒性旧Ｊ。滑模变结构控制已经形成比较完整的理论体系，广泛应用各种工业控制对象中。电机本来就是一个非线性系统，而滑模变结构控制是对非线性不确定系统的一种有效的综合方法，可以有效解决控制系统中的动态特性和有界扰动的问题ＨＪ。本文采用模糊控制和滑模变结构控制的智能控制方法，该方法结合了两种控制的优点，克服了传统ＰＩ控制出现的超调大，稳定精度不够等问题，对负载和转动惯量具有很强的鲁棒性，提高ｒ转速的稳定精度。

万方数据２高速永磁同步电机数学模型由于高速永磁同步电动机具有多变量，非线性，强耦合等特点，因此为了对高速水磁同步电机进行有效的分析和控制，需要建立简便可行的高速永磁同步电机数学模型”１。通常采用在转子坐标系下肘电机数学模型进行研究，转子坐标系ｄ轴位于转子磁链轴线卜，ｑ轴逆时针超前ｄ轴９０度空Ｊ刈电角度，该坐标系和转子一起在空间卜以转子角速度旋转．对于永磁同步电机，ｄ轴式转子磁极的轴线，如图１所示。

图ｌ永磁同步电机转于ｏｄｑ坐标系位置在转子坐标系下，假设磁路不饱和，不考虑谐波的影响．永磁同步电机的定子电压方程为：‰：警一州，帆‘‰２—ｉ一山ｒ峨＋＾ｏ

ｒ警Ⅵ钆＋Ｒ，ｉｑ

磁链方程：≯ｄ＝Ｌａｉｄ＋机儿＝Ｌｑｉ＿电磁转矩方程：

ｔ．＝÷ｐ。（机ｉ，一儿ｉ。）：寻ｐ。［竹ｉ。＋（ｏ—Ｌｑ）ｊ。～］（１）

令￡。＝‘则Ｌ＝可３．ｔＯｚｉ，（２）

其中，“：电压；ｉ：电流；廿：磁链；Ｌ：转子坐标系上的等效电枢电感；尺，：定子绕组的电阻；以：水磁体产生的磁链Ｊ：转动惯最；ｎ：转子机械角速度；Ｒｎ：阻力系数；乙：输出电磁转矩；

Ｌ：负载转矩；几：极对数。

３滑模观测器的设计设状态变量ｆ５‘２∞一山则设计切换函数。：“．＋

Ｌ０２２０１

２一∞

ｘ２得ｉ＝ｃｉｌ＋；２＝“２＋ｉ２（３）知．竹ｉ。一ｎ］（４）３只：丁了竹～滑模控制系统的运动由两部分组成”１：第一部分是系统在连续控制“＋（＊），ｓ（ｘ））０或ｕ一（ｚ），ｓ（ｚ）＜０时的趋近活动，其运动轨迹在切换平面以外或者部分穿过切换面；第二部分是系统在切换面附近并且沿切换面ｓ（ｚ）＝０的滑模运动。为了改善运动品质，在广义滑模的条件下，采用等速趋近率的控制模式．其形式如下：ｊ＝一８ｓｇｎ（ｓ），ｓ＞０（５）该趋近律非常简单．而且容易实现。由式（３）．式（４），式（５）得，，，ｉｑ２蒜Ｊ㈦：“８９ｎ（ｏ）ｄ‘其优点是在远离切换面时，运动点趋向切换面的速度大，具有快速的动态响应的特点，在切换面附近时其速度基本为零，有很好的防抖振效果。滑模控制的系统稳定条件”ｏ是：ｌｉｍｓｉ＜０对于等速趋近律ｓｌ＝一ｓｅｓｇｎ（ｓ），当ｓ＞０，ｓｉ＜０；当ｓ（０，ｓｉ＜０所以满足滑模控制系统稳定性条件。当系统在高速运动状态在空问的任意位置时，能在有限的时间内，达到切换面并沿切换面运动，即保证了系统的可达性。４自适应模糊控制器的设计自适应模糊控制算法公式”１为ｆｋｐ＝ｋｐ＋Ａｋｐｉｋ。：＆．＋Ａ＆．式，ｔｌｔ，ｋ：是整定好的ＰＩ参数。自适应模糊控制器的输人为Ｅ和ＥＣ，输出为△＾。和△＾．。论域模糊嗣集均为：｛ＮＭ．ＮＳ，ＺＥ．丹，ＰＭ｝Ｅ的论域为：｛一５，一４，一３，一２，一１，０，１，２，３，４，５）ＥＣ的论域为：ｆ一１，０，１）Ａｋｖ的论域为：｛０，１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０）△＾．的论域为：ｆｏ，１）Ｅ．ＥＣ．△々。和△％．的隶属函数如图２一罔５所示。｝．魔｜田２Ｅ的隶一函数１７１一

争一一∞

得＝”叫＝则一％嚣ｋｎ￡由

万方数据图３ＥＣ的隶属茧数图４△ｋ。的隶属函数囤ｓＡｋ。的隶属函数以下给出模糊Ａｋ，，Ａｋ。的规则表。寰１Ａｋ。的模糊规则表

Ｅ，ＥＣ和△Ｅ。，△＾。服从高斯分布，当偏差Ｅ较大时，能够提高系统的快速响应速度，肖ＥＣ减小时，提高系统阻尼特性，减小响应过程的超调。舣锯辑个隶属度赋值表和各参数模糊控制模型．矗出修正参数△＾。，Ａ＾．可以得到ｋ。和ｋ．。通过修正的尸，控制器参数ｋ。和☆．可以保证电机在不同的运行状态下都能具有良好的动、静态性能，具有一定的鲁棒性，能够满足一般的生产过程的要求。

５仿真研究永碰同步电机数学模型经过坐标变换后…ｉｉ。之间存在

着耦合。如果要获得永磁同步电机良好的动态和静态性能，就必须解决Ｌｄ，ｉ。电流的解耦问题”ｏ。由式（１）可知，如果拄制ｉ。＝ｏ．则电磁转矩７■＝—知。札ｉ。，就町以是通过单独调节

ｉ。实现转矩的线性化控制，完成ｉ。，ｉ。解耦。采用ｉ。＝０策略的永磁同步电机矢最控制系统的原理图”３如图６所示。

图６高速来磁同步电机矢量控制系统根据上述分析研究可构建基于滑模变结构和模糊控制的速度换调节器模型如图７所求。

图７速度调节器仿真框图对于速度调节器的模型，没置切换阈值为‘，当Ｉ“『＞Ｌ时，采用自适应模糊Ｐ，控制；当“ｒ＜Ｌ时，采用滑模变结构控制。仿真过程中自适应模糊控制切换到滑模变结构挡制要选择适当的阈值．如果阈值太大，系统的切换得才：到及时响应，太小系统有可能出现振荡，从而达不到控制的目的，因此阈值的确定要根据具体的对象和控制要求来确定。仿真时间００６ｓ，给定电机１３０００转／分．观察电机的启

动过程，转速波形如图８所示。（下转第３４１页）

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万方数据