直線永磁同步電機(jī)魯棒速度控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)論文直線永磁同步電機(jī)魯棒速度控制系統(tǒng)摘要隨著電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、稀土永磁材料技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論的飛速發(fā)展，永磁同步電機(jī)在各種工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的運(yùn)用，永磁同步電機(jī)正逐步代替直流電機(jī)、異步電機(jī)等在調(diào)速領(lǐng)域中的運(yùn)用。而且傳統(tǒng)的精密車床的給進(jìn)系統(tǒng)由于存在中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，一般性能很難提高。直線永磁同步電機(jī)不含中間轉(zhuǎn)換裝置就能實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，這樣既克服了運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)換所帶來的缺點(diǎn)，同時(shí)又提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和靈敏性。本論文以直線永磁同步電機(jī)的速度控制器作為研究對(duì)象。首先，介紹影響直線同步電機(jī)性能的設(shè)計(jì)考慮和工作原理，建立直線永磁同步電機(jī)的機(jī)電模型和數(shù)學(xué)方程。然后介紹空間矢量

2、控制的原理和調(diào)制實(shí)現(xiàn)，魯棒控制原理及其魯棒速度控制器的設(shè)計(jì)，通過 MATLAB 軟件平臺(tái)仿真直線永磁同步控制系統(tǒng)。之后基于數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320LF2407 進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)。最后，用 C 語言在 CCS2000 平臺(tái)上編寫相關(guān)的控制軟件及其進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)。直線永磁同步電機(jī) 魯棒速度控制器 空間矢量控制 數(shù)字信號(hào)處理器I關(guān)鍵詞AbstractAlong with power electronics, micro-processor, micro-electronics,rare earth permanent magnetic materials and modern control theo

3、ry,permanent magnetic synchronous motor (PMSM) has been widely inmotion control of medium and low capacity both in industry and dailyliving. Besides, it seems to expect trend its taking place of DC motor andasynchronous motor for velocity control gradually. Meanwhile,conventional lathe has intermedi

4、ate conversion segments transportingrotating motor into linear motor, which confine precision. Linearpermanent magnetic synchronous motor (LPMSM) has ability to movelinearly without intermediate conversion segments and conquers theinherent defect.In this paper, the research object is the velocity co

5、ntroller of thelinear permanent magnetic motor. First design considerations and workprinciple are introduced, and motion equations are listed. Then, spacevector modulation is presented and robust velocity controller is designedbased on theory of robusticity. After that, the system is simulated on th

6、eplatform of MATLAB. Finally, hardware based on DSP TMS240LF2407and software are designed, and some experiment are complete.Key word: LPMSM, robust velocity controller, space vector control, DSP第一章 前言1.1交流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的發(fā)展簡介電機(jī)作為機(jī)械能與電能轉(zhuǎn)換的設(shè)備廣泛地使用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)電機(jī)一般有兩點(diǎn)要求：一是要有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率，二是能夠根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工業(yè)要求控制

7、和調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)調(diào)速性能對(duì)于提高工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約電能有著決定性影響。長期以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)越于交流調(diào)速系統(tǒng)，因此直流調(diào)速在調(diào)速領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，但是直流調(diào)速系統(tǒng)具有以下幾點(diǎn)缺點(diǎn)：1）采用直流電機(jī)拖動(dòng)容易出現(xiàn)故障，并且維護(hù)和維修困難。2）使用場合受到嚴(yán)格的限制，如在易燃易爆以及環(huán)境惡劣的地方不能使用。3）由于直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得直流調(diào)速系統(tǒng)的容量受到很大的限制，從而制約了它的發(fā)展。4）直流電機(jī)價(jià)格昂貴。由于交流電機(jī)能夠克服直流電機(jī)的固有缺點(diǎn)，人們一直想以交流調(diào)速代替直流調(diào)速。過去由于理論和器件的限制，直流調(diào)速的發(fā)展緩慢，直到 20 世紀(jì) 60年代以后隨著

8、電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的出現(xiàn)，矢量變換控制技術(shù)以及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的提出和微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，才使交流調(diào)速得以迅速發(fā)展。目前，國外先進(jìn)的工業(yè)國家生產(chǎn)直流傳動(dòng)調(diào)速裝置基本上呈現(xiàn)下降的趨勢，而交流變頻調(diào)速裝置大幅度上升。以日本為例，1975年在調(diào)速領(lǐng)域，直流占到 80%，交流為 20%；到了 1985 年交流占到 80%，直流只占 20%。現(xiàn)在，日本除了個(gè)別地方還在使用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)外，幾乎所有的調(diào)速都采用交流變頻裝置。近年來許多國家都投入大量的人力物力研究交流調(diào)速系統(tǒng)，主要集中在以下幾個(gè)方面：1）仿真技術(shù)在交流調(diào)速系統(tǒng)中的運(yùn)用近年來計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在各個(gè)得到了廣泛的

9、運(yùn)用，特別是在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，采用計(jì)算機(jī)仿真的方法來分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)是非常有效和必要的。而且隨1著計(jì)算機(jī)仿真軟件的豐富和提高以及計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)一步提高，交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真變得比較容易實(shí)現(xiàn)。2）DSP 等數(shù)字控制系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)數(shù)字信息的依賴越來越高，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)速技術(shù)的完美結(jié)合是現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。為了使調(diào)速系統(tǒng)和信息系統(tǒng)結(jié)合的更緊密，同時(shí)進(jìn)一步提高調(diào)速系統(tǒng)的性能，選擇調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化也是必由之路。加上交流電機(jī)的控制理論的不斷發(fā)展，控制策略和算法的日益復(fù)雜，如模糊控制、專家控制、智能控制、自適應(yīng)控制等技術(shù)在調(diào)速系統(tǒng)中的運(yùn)用，傳統(tǒng)的單片機(jī)已經(jīng)不能滿足要求，DSP

10、芯片在調(diào)速領(lǐng)域可以一顯身手。3）新型電力電子器件的研制。正是由于現(xiàn)代調(diào)速發(fā)展要求促使電力電子器件從不可控到可控，從低壓等級(jí)到高壓等級(jí)。隨著交流調(diào)速的不斷發(fā)展，對(duì)電力電子器件的要求也是越來越高，以適應(yīng)系統(tǒng)的集成化、高頻化、數(shù)字化、智能化等一系列要求。而且，由于大量電力電子器件的使用也造成電網(wǎng)污染、電磁噪聲等一系列問題，必然要求人們研究新型元件來改善帶來的問題。現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)由交流電機(jī)、電力電子功率變換器、控制器以及檢測器件等四大部分組成，如圖 1.1 所示：電源給定控制器電力電子功率變換器交流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電量檢測器圖 1-1 現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)組成Fig. 1-1交流電機(jī)種類的不同，相關(guān)的調(diào)速系

11、統(tǒng)也各不相同?，F(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)可以2分為異步交流調(diào)速系統(tǒng)和同步交流調(diào)速系統(tǒng)，目前常用的方案又有異步電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)?？v觀交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，可以看出今后現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢和動(dòng)向主要有：1）智能化控制方法對(duì)交流調(diào)速系統(tǒng)的影響研究矢量控制系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的完全解藕，但是由于電機(jī)參數(shù)的不確定性、純滯后和非線性等特點(diǎn)，以及電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化和估計(jì)不準(zhǔn)確的影響都會(huì)造成定子坐標(biāo)的偏移，這些問題至今未得到很好的解決；因此，轉(zhuǎn)子參數(shù)辯識(shí)以及對(duì)參數(shù)變化的自適應(yīng)控制是一個(gè)重要的研究課題之一。近年來，工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對(duì)象結(jié)構(gòu)和參數(shù)的

12、不確定性、滯后和非線性等特點(diǎn)，這些使得很難準(zhǔn)確地構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，因此通常的線性控制算法難以奏效。模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等不依賴于對(duì)象的方法的引入，為調(diào)速提供了新的研究方向。取消機(jī)械連接的傳感器，實(shí)現(xiàn)無硬件測速的交流調(diào)速系統(tǒng)也是有待于進(jìn)一步完善。2）交流調(diào)速系統(tǒng)效率的提高是一個(gè)重要的研究方向3）中壓變頻裝置的研究和開發(fā)近來，隨著中壓變頻器的興起，中壓、大容量的交流調(diào)速系統(tǒng)的研究與開發(fā)逐步走上工業(yè)運(yùn)用階段，尤其是高壓全控型器件使用以來，中壓變頻器的運(yùn)用進(jìn)一步加快。當(dāng)今多電平中壓變頻器已經(jīng)成為交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域，是熱門的課題之一。4）系統(tǒng)可靠性研究調(diào)速系統(tǒng)的可靠性是最重要的技術(shù)指標(biāo)，也是國內(nèi)外

13、研究的熱點(diǎn)。系統(tǒng)可靠性的提高主要有兩個(gè)途徑：一是提高部件的設(shè)計(jì)和制造水平；二是利用容余和容錯(cuò)技術(shù)。利用媽爾可夫過程理論對(duì)容錯(cuò)控制系統(tǒng)可靠性建模，研究容余和容錯(cuò)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)也是交流調(diào)速研究的新領(lǐng)域，是熱點(diǎn)課題之一。1.2直線電機(jī)發(fā)展歷史、分類及其調(diào)速技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r直線電機(jī)的發(fā)展有接近 170 年的歷史，Wheatston 早在十九世紀(jì)四十年代就提出并設(shè)計(jì)出了直線電機(jī)1，限于當(dāng)時(shí)理論和制造水平，這臺(tái)直線電機(jī)雖未能3成功，但是這已經(jīng)給了后人以無限的啟迪和探索的勇氣。此后的一百年的時(shí)間內(nèi)，人們還是在直線電機(jī)研究領(lǐng)域不斷地做出了一定的研究成果，但是受到諸如傳統(tǒng)觀念、控制技術(shù)、理論水平等等的束縛，

14、直線電機(jī)的發(fā)展緩慢。直線電機(jī)快速發(fā)展還是在二十世紀(jì)五十年代以后，隨著電子技術(shù)、控制理論、材料技術(shù)的快速發(fā)展和完善，直線電機(jī)理論的趨于成熟，以及工業(yè)運(yùn)用的迫切需要，為直線電機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。首先，在七十年代以前出現(xiàn)了一批熱中于直線電機(jī)的基礎(chǔ)研究的專家學(xué)者，正是他們豐富和完善了直線電機(jī)的理論基礎(chǔ)。七十年代以后，各國都加大直線電機(jī)技術(shù)的實(shí)用化，其中以德國和日本在磁懸浮列車最具有代表性。直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種變形，它可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿其徑向剖開拉直而成。直線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有2：1）采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)裝置，它不需要任何轉(zhuǎn)換裝置而直接產(chǎn)生推力，因此，它可以省去中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡化了整個(gè)

15、裝置或系統(tǒng)，保證了運(yùn)行的可靠性、傳遞效率提高、制造成本降低易于維護(hù)。直線電機(jī)相比于旋轉(zhuǎn)電機(jī)有以下優(yōu)點(diǎn)：2）普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)由于受到離心力的作用，其圓周速度受到限制，而直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)，它的零部件和傳動(dòng)裝置不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)那樣會(huì)受到離心力的作用，因而它的直線速度可以不受限制。3）直線電機(jī)是通過電能直接產(chǎn)生直線電推力的，它在驅(qū)動(dòng)裝置當(dāng)中，其運(yùn)動(dòng)時(shí)可以無機(jī)械接觸，使傳動(dòng)零部件無磨損，從而大大減少了機(jī)械損耗，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁懸浮列車就是如此。4）旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過鋼繩、齒條、傳動(dòng)帶等轉(zhuǎn)換成直線電機(jī)是靠電磁扒力驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行的，故整個(gè)裝置或系統(tǒng)噪聲很小或無噪聲，運(yùn)行環(huán)境好。5）由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，且它的初級(jí)鐵心在嵌

16、線后可以用環(huán)氧樹脂等密封成整體，所以可以在一些特殊場合中應(yīng)用，例如可在潮濕甚至水中使用國；可在有腐蝕性氣體或有毒、有害氣體中應(yīng)用。亦可在幾千度的高溫下或零下幾百度的低溫下使用。6)由于直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，直線電機(jī)的散熱也較好，特別是常用的扁平型短初級(jí)直線電機(jī)，初級(jí)的鐵心和繞組端部直接曝露在空氣中，同時(shí)次級(jí)很長，具有很大的散熱面，熱量很易散發(fā)掉，所以這一類直線電機(jī)的熱負(fù)荷可以取得較高，并且不需要附加冷卻裝置。4由于上述的優(yōu)點(diǎn)，直線電機(jī)可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事及其他各種直線運(yùn)動(dòng)的場合3，例如計(jì)算機(jī)的磁頭驅(qū)動(dòng)裝置、照相機(jī)的快門、自動(dòng)繪圖儀、醫(yī)療儀器、航天航空儀器、各種自動(dòng)化儀器設(shè)備等。根據(jù)用途

17、、原理、運(yùn)用場合的不同，直線又有好多種不同的分類。一般有以下幾種分類：一：根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同對(duì)直線電機(jī)進(jìn)行分類，大致可以分為圓筒型、扁平型、圓弧型、圓盤型等。其中圓筒型直線電機(jī)是一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱形的直線電機(jī)，如果需要，可以設(shè)計(jì)成既可以直線運(yùn)動(dòng)有能旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，初級(jí)和次級(jí)都可以設(shè)計(jì)為動(dòng)子。扁平型直線電機(jī)是一種扁平矩形結(jié)構(gòu)的直線電機(jī)，它可以是單邊的，也可以是雙邊的。圓弧型直線電機(jī)是將平板型直線電機(jī)的次級(jí)沿運(yùn)動(dòng)方向改為弧形。而圓盤型直線電機(jī)是電機(jī)的次級(jí)為圓盤的直線電機(jī)，它可以是單邊的，也可以是雙邊的。二：根據(jù)不同的用途對(duì)電機(jī)進(jìn)行分類，大致可以分為力直線電機(jī)、功直線電機(jī)、能直線電機(jī)等。其中，力直線電機(jī)

18、主要是用于在靜止或低速的設(shè)備上施加一定的推力的直線電機(jī)。功直線電機(jī)主要連續(xù)運(yùn)行的直線電機(jī)，它的性能指標(biāo)和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，即用效率、功率因素等來衡量電機(jī)的優(yōu)劣。而能直線電機(jī)是指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生極大的能量的驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)。三：根據(jù)工作原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行分類，這種分類方法和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)種類差不多，它可以分成直線交流感應(yīng)電機(jī)、直線直流電機(jī)、直線步進(jìn)電機(jī)、直線同步電機(jī)（根據(jù)勵(lì)磁的不同分為永磁、電勵(lì)磁和混合勵(lì)磁三種）。永磁直線電機(jī)是直線電機(jī)的一種；永磁同步直線電機(jī)就可以認(rèn)為是從旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)變過來的。一切運(yùn)用于旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的控制策略同樣可以運(yùn)用于直線同步電機(jī)。目前，對(duì)同步直線電機(jī)的控制系統(tǒng)的研究

19、主要有：空間矢量控制（Space Vector Control）、直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control）和無位置傳感器控制策略等。矢量控制或磁場定向控制首先是在 20 世紀(jì) 70 年代由德國人 F.BLASCHKE等提出4。經(jīng)典的 SPWM 控制主要考慮使變頻器的輸出電壓盡可能的接近正弦波形，并未顧及到電流波形。交流電動(dòng)機(jī)需要輸入三相正弦交流電的最終目的是在電動(dòng)機(jī)空間上生成圓形磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，而矢量控制的思想正5是基于此。矢量控制的出發(fā)點(diǎn)就是以轉(zhuǎn)子磁場定向，檢測和控制電機(jī)定子電流空間矢量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)變換，將定子電流分解成正交的兩個(gè)分量，即產(chǎn)生磁場的電流分量

20、和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量；通過分別對(duì)這兩個(gè)分量的控制來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的。在永磁同步志向矢量控制調(diào)節(jié)器參數(shù)整定中，Marco Tursini 等人分析了基于模型參數(shù)整定和模型自由的參數(shù)整定，前者依賴于精確的模型以及假設(shè)條件，一旦模型不精確或假設(shè)與實(shí)際想背離，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降，后者則是在參數(shù)自整定過程中模仿專家的行為，并提出了改進(jìn)的而搜索算法，其主要思想是：一根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性，定義一個(gè)性能指標(biāo)來評(píng)估系統(tǒng)性能；二是根據(jù)性能指標(biāo)和 PI 參數(shù)的單調(diào)性關(guān)系，利用改進(jìn)的二搜索算法估計(jì)新的參數(shù)來提高性能指標(biāo)；三是根據(jù)估計(jì)的參數(shù)來計(jì)算和更新 PI 參數(shù)。在永磁同步電機(jī)矢量控制中

21、，電流環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的性能；反電動(dòng)勢的干擾、數(shù)字控制的采樣延時(shí)、以及電機(jī)運(yùn)行時(shí)參數(shù)的變化和估計(jì)等都不同程度的對(duì)電流環(huán)節(jié)有影響。因此，為了提高電流環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能，克服反電動(dòng)勢的電壓前饋控制、交流預(yù)測控制、電流魯棒控制、交流調(diào)節(jié)器與直流調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和運(yùn)用23。有學(xué)者針對(duì)在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，電流相位滯后造成電機(jī)電流不能解耦是限制弱磁升速的主要原因，提出了弱磁控制電流補(bǔ)償技術(shù)，來提高電流解耦的精度。自從矢量控制方法提出以后，各國的專家學(xué)者針對(duì)這種方法的優(yōu)化和改進(jìn)就從來沒有中斷過；Byung Kook Kim 和 Jae Ho Chang 提出了一種磁場定向時(shí)間最小、

22、損耗最小的速度控制算法，這種方法不僅提高了系統(tǒng)的效率，而且保全了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的高性能控制。不同于以往的其他算法，這種算法實(shí)際上是由兩部分組成，即過度過程算法和穩(wěn)定狀態(tài)算法，前者采用最大轉(zhuǎn)矩控制算法來獲得快速響應(yīng)速度，后者使用最小損耗控制算法以提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在系統(tǒng)輕載時(shí)，效率的提高非常明顯。Sousa 和 Bose 提出了一種基于間接矢量控制的感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在線效率優(yōu)化的模糊邏輯，這種算法是用一個(gè)模糊自適應(yīng)控制器調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來達(dá)到優(yōu)化輸入功率的目的，它具有快速收斂的特點(diǎn)。德國魯爾大學(xué)的 M.Depenbrock 教授和日本的 I.Takahashi 教授在

23、1985 年分6別獨(dú)立地提出了直接轉(zhuǎn)矩控制4。直接轉(zhuǎn)矩的基本思想是：在準(zhǔn)確的觀測定子磁鏈的空間角度位置和幅值大小，在保持幅值大小基本不變的情況下，通過控制電機(jī)瞬時(shí)輸入電壓來控制電機(jī)定子磁鏈的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)速度，從而改變它相對(duì)于轉(zhuǎn)子的瞬間轉(zhuǎn)差率，達(dá)到直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速響應(yīng)快以及對(duì)參數(shù)魯棒性好等特點(diǎn)，但是由于它是轉(zhuǎn)矩和磁鏈滯環(huán)的Bang-Bang 控制理論基礎(chǔ)之上的控制方法，不可避免的帶來了開關(guān)頻率低、頻率變化不定以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大等一些缺點(diǎn)，這些都不同程度上限制了它在低速區(qū)的運(yùn)用。針對(duì)這些問題，國外專家學(xué)者提出了各種提高開關(guān)頻率、固定開關(guān)頻率以及減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。這些

24、方法主要有：無差拍控制空間矢量調(diào)制方法、離散空間矢量調(diào)制方法、注入高頻抖動(dòng)提高 開關(guān)頻率的方法等等。文獻(xiàn)1對(duì)永磁同步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制理論進(jìn)行了深入的分析，得到了磁鏈控制的開關(guān)表，并討論了異步電機(jī)和同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的區(qū)別。文獻(xiàn)2提出了永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩細(xì)分電壓矢量的方法，利用新的開關(guān)表有效地選擇電壓矢量，有效地降低了低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。文獻(xiàn)3針對(duì)永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，解決了純積分的直流漂移和低通濾波器引起的相位滯后。永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，因此必須檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，一般傳感器安裝在定子轉(zhuǎn)軸之上，它的使用不僅加大運(yùn)行成本，同時(shí)也降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，且給系統(tǒng)的維護(hù)帶了

25、不便。目前，各國的許多專家學(xué)者都在研究無位置傳感器技術(shù)。在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置和速度的估計(jì)算法主要有：磁通法、模型參考法、非線性觀測器、最優(yōu)觀測器、卡爾曼濾波器等觀測法高頻注入法以及人工智能的估計(jì)方法2627等等。但是現(xiàn)階段這些方法不同程度的存在缺點(diǎn)，實(shí)際使用很少。近年來，為了更進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，許多專家學(xué)者紛紛將現(xiàn)有的最近十多年的控制算法引入交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，也不同程度地解決了一些問題，這些方法主要包括：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、混沌控制、預(yù)測控制等等。1.3論文研究目的和主要內(nèi)容本論文主要對(duì)永磁同步直線電機(jī)控制方法進(jìn)行研究，對(duì)直線電機(jī) d-q 模型進(jìn)行分析，提出了永磁同步直線電機(jī)的

26、動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程及其推力控制策略，根據(jù)系7統(tǒng)參數(shù)變化范圍和擾動(dòng)的特點(diǎn)，選擇了較合適的權(quán)重參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于穩(wěn)定性和品質(zhì)的混合 H魯棒控制的永磁同步直線電機(jī)的矢量控制方法。本論文的主要內(nèi)容：一：論述永磁同步直線電機(jī)控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和研究的熱點(diǎn)方向。二：分析永磁同步直線電機(jī)的原理，直線永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)考慮的問題來分析影響直線電機(jī)性能的因數(shù)。建立永磁同步直線電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。三：介紹空間矢量調(diào)制原理與方法。四：介紹魯棒控制理論，以及在電機(jī)速度控制的控制器設(shè)計(jì)過程。五：仿真直線永磁同步電機(jī)的基于魯棒速度的矢量控制系統(tǒng)。六：實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。七：控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與相關(guān)實(shí)驗(yàn)。8第二章 直線永

27、磁同步電機(jī)模型2.1直線永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直線電機(jī)可以認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的一種演變，即可以將它看作是一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿著徑向剖開、拉長伸直后形成的電機(jī)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變?yōu)橹本€電機(jī)的直觀過程如圖 2-1 所示：圖 2-1 旋轉(zhuǎn)電機(jī)演變直線電機(jī)圖Fig.2-1 evolvement of motor此時(shí)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成了直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的徑向、周向和軸向在直線電機(jī)里分別稱為法向、縱向和橫向，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子演變?yōu)橹本€電機(jī)中的為初級(jí)和次極。由于在運(yùn)行時(shí)，初級(jí)和次極之間要作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如果次級(jí)和初級(jí)長度相等，那么在運(yùn)動(dòng)中，初級(jí)和次極之間的距離越來越小，而不能正常動(dòng)作。為了保證初級(jí)和次極之間的

28、耦合長度不變，就需要所需要將磁極和初級(jí)制造成不同的長度，這樣就可以避免上面提到的問題。至于將直線電機(jī)設(shè)計(jì)成長次級(jí)型還是長初級(jí)型，常常根據(jù)性能和成本的需要而定。2.2直線永磁同步電機(jī)的基本工作原理通過圖 2-1 的演變分析可以知道，直線永磁同步電機(jī)可以通過旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)變化而得到。事實(shí)上，它們之間的工作原理也是相通的。對(duì)于通常的旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來，定子需要通以對(duì)稱的三相交流電，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)的定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使得定子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場是以某一曲率半徑（大約為轉(zhuǎn)子半徑）在氣隙中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，那么9就可以這樣認(rèn)為，在直線同步電機(jī)定子加載三相對(duì)稱電流時(shí)

29、，而直線電機(jī)的曲率半徑又為無窮大，所以旋轉(zhuǎn)磁場演變成為沿著直線平移的磁場，專業(yè)上通常把它稱之為行波磁場。如圖 2-2 所示，就是直線永磁同步電機(jī)通三相交流電后產(chǎn)生的行波磁場示意圖。和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的原理一樣，當(dāng)初級(jí)通三相電流時(shí)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的磁場，它和永磁磁場相互作用，推動(dòng)直線永磁電機(jī)的次級(jí)水平運(yùn)動(dòng)。顯然，行波磁場的平移速度和旋轉(zhuǎn)磁場的線速度在本質(zhì)上是一樣的，即為 v s ,稱為同步速度，它和頻率 f 以及極距 有如下的關(guān)系：v s = 2 f圖 2-2 直線永磁同步電機(jī)工作原理圖Fig.2-2 the work principle of the linear motor2.3直線永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)考慮為

30、了設(shè)計(jì)出合適的速度控制器，需要對(duì)影響直線永磁同步電機(jī)的性能的因素有一定的了解，而影響電機(jī)特性的因素往往又是電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題，只有設(shè)計(jì)出的電機(jī)達(dá)到了一定的性能要求，針對(duì)這樣的直線永磁同步電機(jī)才能設(shè)計(jì)并使用真正意義上的速度控制器，所以有必要對(duì)直線永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)有所了解。根據(jù)上兩節(jié)的分析可以知道，直線電機(jī)是特殊的電機(jī)，除了有旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)考慮的問題之外，還有自身結(jié)構(gòu)不同于旋轉(zhuǎn)電機(jī)而衍生出來的特有設(shè)計(jì)因素。最為突出的就是由于電樞鐵心首尾互不相連，磁場由于磁路的不像旋轉(zhuǎn)電機(jī)中那樣閉合而產(chǎn)生的端部效應(yīng)。端部效應(yīng)根據(jù)影響方向的不同，可以分為縱向端部效應(yīng)和橫向端部效應(yīng)；而僅僅考慮定子電流時(shí)所引起的稱之

31、為靜態(tài)端部效應(yīng)，而考慮10定子和動(dòng)子電流的相互作用且二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所引起的稱之為動(dòng)態(tài)端部效應(yīng)。對(duì)于直線永磁同步電機(jī)來說，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方向的因素，縱向端部效應(yīng)對(duì)直線永磁同步電機(jī)的影響最為突出；它不僅增大了雜散損耗降低了電機(jī)的運(yùn)行效率，同時(shí)也增大直線永磁同步電機(jī)的推力脈動(dòng)，給直線永磁同步電機(jī)控制造成不便，甚至嚴(yán)重的話還引起機(jī)械振動(dòng)，定位精度降低等問題。為了減小端部效應(yīng)和合理設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的需要，需要分析縱向端部效應(yīng)產(chǎn)生的主要原因。有限元是計(jì)算電磁場的一種方法，它相比于以前磁路方法，可以計(jì)算平面或空間磁場的分布，而且可以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)計(jì)算電機(jī)磁場變化的規(guī)律，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真提供了依據(jù)。在優(yōu)化電

32、樞鐵心長度時(shí)候，可以在如 ANSYS、ANSOFT 等78軟件平臺(tái)下進(jìn)行磁場計(jì)算，波形分析等，如圖 2-3 所示是一個(gè)電樞鐵心跨越五極磁極的氣隙分布圖。圖 2-3 氣隙磁場分布Fig.2-5 magnetic distribution in air gap圖 2-4 直線永磁同步電機(jī)模型Fig.2-3 model of linear permanent magnetic synchronous motor圖 2-4 中的電機(jī)采用長永磁初級(jí)結(jié)構(gòu)，電樞包含有十八個(gè)槽，除了首尾的六11個(gè)槽只放一套繞組，其余中間的槽都是放兩套繞組。在 ANSYS 軟件平臺(tái)下建立這樣的模型，分析產(chǎn)生縱向端部效應(yīng)幾個(gè)主要

33、因素為：一：由于直線永磁同步電機(jī)的電樞中的三相繞組在空間上不是對(duì)等的，即使電樞上接通對(duì)稱的三相電壓，也不可能在電樞中形成對(duì)稱的三相電流；而且即使繞組中通入對(duì)稱的三相電流，且由于縱向端部的存在，也不會(huì)形成那么理想的行波磁場。圖 2-4 電機(jī)磁場分布圖Fig.2-5 magnetic distribution of motor二：由于直線永磁同步電機(jī)電樞鐵心是兩端是斷開的，使得鐵心兩端的氣隙磁阻發(fā)生劇烈變化；磁場分布如圖 2-4 所示，定子會(huì)產(chǎn)生不同大小的縱向推力，而這種推力相對(duì)于電樞和定子位移是周期變化的。研究直線電機(jī)的專家稱這種推力為“detent force”。由于上述兩個(gè)因素是構(gòu)成縱向端部

34、效應(yīng)的主要原因，要降低縱向端部效應(yīng)，就需要削弱這兩個(gè)因素對(duì)直線永磁電機(jī)的影響。具體可以采取如下四個(gè)設(shè)計(jì)措施來減小短部效應(yīng)：一：增加極對(duì)數(shù)減少齒數(shù)。由于極對(duì)數(shù)越多，暴露在端部的極數(shù)占全部極數(shù)的比重就大大降低，從而減少了磁場諧波與基波的比例關(guān)系。然而，直線同步直線電機(jī)的極對(duì)數(shù)也不是可以無限增大的，有文獻(xiàn)2指出當(dāng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，在增加極對(duì)數(shù)對(duì)縱向端部效應(yīng)改變不大，況且受到電磁系數(shù)和電流系數(shù)、空間以及電樞質(zhì)量等因素的影響，直線永磁同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)也受到一定的限制，也不可能做的很大。二：使用分?jǐn)?shù)槽放置電樞線圈。分?jǐn)?shù)槽繞組理論在直線永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是不同的。旋轉(zhuǎn)永磁同

35、步電機(jī)中電樞槽都是均勻分布在偶12數(shù)個(gè)永磁產(chǎn)生的主磁場下，而在直線永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中，電樞往往跨越奇數(shù)個(gè)永磁產(chǎn)生的主磁場，電樞上的槽則在對(duì)應(yīng)的奇數(shù)個(gè)磁極上均勻分布。分?jǐn)?shù)繞組在直線電機(jī)中應(yīng)用需要遵從以下幾個(gè)設(shè)計(jì)原則6：1）根據(jù)極對(duì)數(shù)選擇合適的分?jǐn)?shù)槽形式，畫出槽號(hào)之間的相位圖，保證起碼的基波對(duì)稱三相繞組。2）確定槽號(hào)的位置，也就是相位分布，保證產(chǎn)生繞組基波磁動(dòng)勢大小相等相位互差 120 度。3）基波繞組系數(shù)一定要較高，增加繞組利用率，從而增加推力密度。4）在提高基波繞組利用率的同時(shí)也要有使諧波繞組系數(shù)較小。三：采用斜槽來放置電樞繞組。直線永磁同步電機(jī)一般需要采用分?jǐn)?shù)槽，所以在設(shè)計(jì)直線永磁同步電機(jī)時(shí)

36、，設(shè)計(jì)者必須要把斜槽設(shè)計(jì)和分?jǐn)?shù)槽設(shè)計(jì)兩中方法結(jié)合起來，根據(jù)電樞跨越磁極的奇數(shù)設(shè)計(jì)直線永磁同步電機(jī)。四：優(yōu)化電樞的鐵心長度。由于電樞的兩端氣隙磁阻發(fā)生劇烈變化，這樣任何一端都會(huì)在縱向上產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于定子的周期性變化的脈動(dòng)推力，而這個(gè)周期大小就是兩個(gè)極的距離的長度。計(jì)算出一端推力脈動(dòng)的變化規(guī)律，另一端就可以通過數(shù)學(xué)方法中函數(shù)變換的方法得到，綜合分析兩端共同作用的影響，可以優(yōu)化電樞的長度來減小推力脈動(dòng)。2.4直線永磁同步電機(jī)的 d-q 軸模型和旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)一樣，直線永磁同步電機(jī)也是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，在給出直線永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式之前，一般對(duì)電機(jī)做如下幾點(diǎn)假設(shè)26：1

37、）忽略空間諧波，三相繞組對(duì)稱，在空間中相互相差 120 度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢在氣隙中按正弦分布2）忽略磁飽和效應(yīng)，認(rèn)為各個(gè)繞組的互感和自感都為線性的3）忽略鐵心損耗4）不考慮溫度和頻率變化對(duì)繞組電阻的影響電壓方程：13磁鏈方程：u d =u q = v s q + R1id+ v s d + R1iq（2-1）推力方程：功率方程： d = Ld id + pm q = Lq iqFx = p d iq q id )= p pmiq + (Ld Lq )id iq )Px = Fx v s= p v s d iq q id )= p v s pmiq + (Ld Lq )id iq )（2-2）（

38、2-3）（2-4）其中， u d u q 分別為直軸和交軸電壓 d q 分別為直軸和交軸磁鏈id iq 分別為直軸和交軸電流 為極距p 為極對(duì)數(shù)R1 為直軸和交軸電阻Ld Lq 分別為直軸和交軸電感v s 為同步速度Fx 為水平推力Pv 為電磁功率電機(jī)中 d-q 系統(tǒng)中各個(gè)量與三相系統(tǒng)中實(shí)際各個(gè)量之間的關(guān)系可以通過 park14d d dtd q dt(變換來實(shí)現(xiàn)。如電流變換和電壓變換：id i =i0 U d U =U 0 cos sin 1 2 cos sin 1 2 sin sin + ib 3 3 ia ic 2 2 3 3 U a 3 3 2 2 （2-5）（2-6）其中， 為電機(jī)轉(zhuǎn)

39、子的位置信號(hào)，即電機(jī)的直軸與 A 相定子繞組軸線之間的夾角，且有 = vdt + s（ s0 為初始時(shí)，直軸和 A 相定子繞組軸線之間的距離）i0 為零軸電流，對(duì)于三相對(duì)稱系統(tǒng)，所有的零序分量都為 0。2.5永磁同步電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)于直線電機(jī)來說，動(dòng)力學(xué)方程和普通旋轉(zhuǎn)電機(jī)也沒有本質(zhì)的區(qū)別。從力學(xué)中可知電磁力克服摩擦以及黏滯摩擦等使得電機(jī)運(yùn)動(dòng)，可以把直線永磁電機(jī)動(dòng)力學(xué)方程24：mdvdt= Fx f1 f Dv（2-7）其中， m 為定子和負(fù)載的總質(zhì)量f1 為負(fù)載阻力f 為其他雜散阻力D 為黏滯系數(shù)15 q 2 3 2 2 cos cos + 2 2 3 3 11 q 2 3 2 2 cos c

40、os + 2 2 sin sin + U b U c 11 0第三章 空間矢量控制原理3.1矢量控制中的坐標(biāo)及其相互變換交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由定子、轉(zhuǎn)子三相繞組的磁動(dòng)勢相互作用而產(chǎn)生的，根據(jù)電機(jī)的相關(guān)理論可知，向?qū)ΨQ的三相繞組中通入對(duì)稱的三相正弦交流電時(shí)，就會(huì)生成合成的磁動(dòng)勢，它是在空間以一定速度而旋轉(zhuǎn)的空間矢量。為了聯(lián)系磁動(dòng)勢在三相坐標(biāo)系（a-b-c）和兩相坐標(biāo)系( - )，以及旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d-q）和靜止兩相坐標(biāo)系( - )之間的關(guān)系，引入了坐標(biāo)變換的概念。坐標(biāo)變換的引入對(duì)電機(jī)的控制思想的變化有了積極的影響。對(duì)于直線電機(jī)，這些變換同樣適用。3.1.1 a-b-c 坐標(biāo)系到 - 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變

41、換設(shè)永磁同步電機(jī)定子三相采用 Y 型接法（ 型可以轉(zhuǎn)換為 Y 型），三相定子坐標(biāo)系下電流分別 ia 、 ib 、 ic ， - 坐標(biāo)系下，電流為 id 、 iq ，假設(shè) a 軸與 d 重合如圖 3-1：圖 3-1 a-b-c 坐標(biāo)系與 - 坐標(biāo)系Fig.3-1 contrast of coordinate of a-b-c and - 從圖中可以得到：16 1i 1 2i = C1 0 321 ia 2 3 2 （3-1）其中 ia + ib + ic = 0，C1根據(jù)功率不變?cè)瓌t可以取兩個(gè)量的變換，所以也可以稱為 3/2 變換即：，由于上面式子從三個(gè)量到i i = 12 1 23 0 321

42、 ia 2 3 2 （3-2）本論文后面都規(guī)定 a-b-c 坐標(biāo)系到 d-q 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換就是 3/2 變換。3.1.2 - 坐標(biāo)系到 a-b-c 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換此變換是上面 3/2 變換的逆變換，根據(jù)矩陣?yán)碚摵妥兞恐g的約束條件可以得到：ia i =ic 12 13 2 1 20 3 i 2 i 3 2 （3-3）本論文后面章節(jié)將式（3-3）稱為 2/3 變換。3.1.3 d-q 坐標(biāo)系到 - 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換設(shè) d-q 坐標(biāo)系的 d 軸和 - 坐標(biāo)系的 軸相差角度為 ，如圖 3-2 所示：17 ibic 32 ibic b 圖 3-2 d-q 坐標(biāo)系與 - 坐標(biāo)系Fig.3-2 co

43、ntrast of coordinate of d-q and - 由圖 3-2 可以得到：i cosi = sin sin id cos iq （3-4）本論文在后面章節(jié)將式（3-4）稱之為直/交變換。3.1.4 - 坐標(biāo)系到 d-q 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換 - 坐標(biāo)系到 d-q 坐標(biāo)系是上面坐標(biāo)變換的逆變換，有矩陣?yán)碚摽梢缘玫剑篿d cosiq = sin sin i cos i （3-5）本論文后面章節(jié)將式（3-5）稱之為交/直變換。3.1.5 a-b-c 坐標(biāo)系到 d-q 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換結(jié)合式（3-2）和式（3-5）可以得到：id iq =2 3 cos sin sin sin + i 3

44、 cos cos + 2 ia 3 3 （3-6)3.1.6 d-q 坐標(biāo)系到 a-b-c 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換此坐標(biāo)變換是式（3-6）的逆變換，根據(jù)式（3-6）和矩陣?yán)碚摽梢缘玫剑篿a i =ic coscos cos + 33 sin sin 3 sin + 3 id iq （3-7）上面給出的六個(gè)式子構(gòu)成了基本的坐標(biāo)變換。上面這些變換同樣適用與電18 2 i 2 2 b 3 c b 3 22 2 2 2 壓、磁動(dòng)勢和阻抗的坐標(biāo)變換，在矢量控制中需要通過它們實(shí)現(xiàn)相互之間的相互轉(zhuǎn)換，使復(fù)雜的問題得到簡化。3.2矢量控制與空間矢量 PWM 波形的發(fā)生空 PWM 控制策略又稱之為磁場定向控制，最早是由德國的F.Blaschke 在 1971 年提出的起主要思想拋棄了原有的正弦波脈調(diào)制（SPWM），而采用逆變器空間矢量的